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浅谈研磨介质对介质搅拌磨效率的影响

深圳市叁星飞荣机械有限公司  2018-06-09  点击543次

随着高新技术和新材料产业对粉体精细度的需求,制备超细颗粒技术发展迅速。介质搅拌磨具有的制备超细颗粒、高效、节能、低污染、操作简便等诸多优越性能,广泛应用于建材、涂料、化工、医药、食品、农药、电子、冶金、陶瓷、颜料等领域。根据工作时,研磨腔的方向(垂直或水平)不同,介质搅拌磨可分为立式介质搅拌磨(a)和卧式介质搅拌磨(b)。介质搅拌磨通过其研磨腔内搅拌轮的高速转动带动微细研磨介质与被研磨物料作多维运动和自转运动。研磨介质和物料在磨腔内不断地上下、左右相互置换位置产生激烈的运动,在此过程中,通过研磨介质对物料中颗粒的挤压、冲击、剪切等作用达到粉碎效果,最终制备的产物细度可达到亚微米粒级甚至纳米粒级。由于介质搅拌磨的绝大部分能量用于直接高速搅动微细研磨介质达到超细研磨效果,而非虚耗于转动或振动笨重的磨筒,因此,其研磨效率高于其他颗粒粉碎设备。

当进行超细研磨时,介质搅拌磨通过高速电机带动搅拌器激烈搅动微细研磨介质(磨珠)运动,并通过磨珠相互作用(如碰撞、挤压、剪切等)粉碎颗粒。研磨介质的种类、密度、直径、介质填充率、搅拌转子线速度、料浆浓度、料浆流量、分散剂种类和用量等均会影响单位时间内研磨介质间的相互作用次数和介质对颗粒的研磨强度(动量), 进而影响最终产物细度。其中,选择适宜的研磨介质是影响超细研磨效率最主要的因素之一,下面着重介绍下研磨介质性质对超细研磨效率的影响。

1.种类

研磨介质按种类可分为玻璃珠,陶瓷珠(包括硅酸锆珠、氧化铝珠,纯氧化锆珠,稀土金属稳定的氧化锆珠、氮化硅珠等)、钢珠等。由于磨珠的化学组成及制造工艺的差异决定了磨珠的晶体结构。致密的晶体结构保证了其高强度,高耐磨性和低吸油性等。各种成份的百分比含量的不同决定了磨珠的比重。高比重为研磨高效率提供了保证;磨珠的化学组成在研磨过程中的自然磨损对浆料品质会有一定的影响,所以除了考虑低磨损率外,还要顾忌化学元素因素,研磨介质对物料要有一定的化学稳定性,防止研磨过程中磨珠与被研磨颗粒间发生化学反应,造成产品污染和加速磨珠磨损,一般非金属类(如陶瓷)磨珠优于金属类磨珠,磨珠的pH值应尽可能接近中性。综合考虑,氧化钇稳定氧化锆珠是现代介质搅拌磨的较为常用的磨珠。

2.密度

密度在通常的真密度和堆积密度来表示,各种氧化物的分子量和百分组成决定了磨珠的密度。堆积密度越大的磨珠,动能越大,冲量越大,研磨效率越高,当然对介质搅拌磨的接触件磨损也相对较大。因此,介质搅拌磨的接触件也要和磨珠介质进行匹配设计才能保证在提高效率的前提下,减小磨损。

3硬度

一般地,莫氏硬度越大的磨珠,其磨损率越低。从磨珠对介质搅拌磨的接触件磨损情况来看,硬度大的磨珠对接触件的磨耗虽大些,但可通过调节磨珠的填充量,浆料的粘度、流量等参数以达最佳点。在正常情况下,磨珠应研磨莫氏硬度小于或者等于其自身硬度的颗粒,但是,若研磨超硬颗粒材料如SiC、Si3N4、B4C、BN等时,可能应考虑同质自磨(即,大颗粒磨小颗粒)或者用氮化硅珠作为磨介等,金刚石则只能考虑同质自磨(如,采用金刚石大颗粒作为磨介研磨粒度约2μm左右的小颗粒)。

4.珠径

介质搅拌磨常用的氧化钇稳定氧化锆珠直径有Φ0.1~0.2 mm,Φ0.3~0.4 mm、Φ0.4~0.6 mm和Φ0.6~0.8 mm。在相同填充率下,使用直径小的珠子,珠子与颗粒之间相互作用的次数更多,但是小珠子质量小动量低。当换成直径大的珠子时,珠子的动量提高,但与颗粒的相互作用次数降低。因此,在选择磨珠尺寸的时候,需要考虑根据被研磨颗粒的尺寸以及其硬度。另外,在研磨过程中磨珠间相互作用,磨珠与搅拌器转子、定子的非弹性碰撞会导致能量损失,降低研磨效率。相比较而言,磨珠直径越大,相应的碰撞、挤压、剪切、摩擦等相互作用导致的能量损失更高。同时,当研磨的料浆黏度较大时,小磨珠较易与料浆板结在一起并黏附在转子的内壁上,降低研磨效率。因此,选择磨珠直径需要兼顾提高研磨效率和节能。一般采用“大磨珠研磨粗颗粒、小磨珠研磨细颗粒、分段研磨”的方式进行,这样,才能保证有效地研磨颗粒物料,提高研磨效率。值得注意的是,不同于其他研磨设备(如球磨机),介质搅拌磨采用微细磨珠不宜采用不同珠径磨珠配比进行超细研磨,其因是在高速搅拌时粗珠极易磨碎细珠。

5.介质填充率

研磨介质的填充率会影响研磨介质(珠子)之间的相互作用次数,进而影响最终产物的细度。若填充率过低,则珠子之间相互作用的次数少,能量密度低,研磨产物很难被破粉碎至目标产品细度或者需要长时间的研磨才能达到目标产品细度。若填充率较高,则珠子之间的作用次数多、能量密度大,可对颗粒进行有效粉碎。但是,若过高填充率,留给料浆的空间少,造成珠子的流动困难、珠子之间发生非弹性碰撞几率大,能量损耗高。一般地,介质搅拌磨的磨珠体积填充率为70%~85%,最高不超过90%。

总之,选择研磨介质必须综合考虑被研磨颗粒物料的基本性质、原始粒度、设备的匹配情况、浆料固含量、流量等诸多因素,找出适合研磨此种物料的最佳工艺参数。

介质搅拌磨与研磨介质是相辅相成、相互影响的。随之被研磨颗粒的细度提高及介质搅拌磨的料珠分离装置的改进,使微细磨珠用在介质搅拌磨中得以有效利用,必然驱使着研磨介质朝着粒径越来越小、堆积密度越来越大、粒径偏差愈来愈小的方向发展。允许使用的最小研磨珠粒径已成为评价介质搅拌磨质量档次的一项重要指标。分离装置设计和制作材料的每一次改善,都带来了使用更细磨珠研磨制备更细的颗粒产品。如,分离装置从静止传统的扁平Nickel网到带三角横梁的Johnson网以及到动态的环式分离器和套筒式Cartridge网,能使用磨珠珠径越来越小,而同时又不明显影响物料的流量。套筒式Cartridge网的代表(如美国Premier的速宝磨)所用的最小珠子达到0.2mm;环式分离器的代表(如瑞士的Dyno-mill实验室型)可用珠子粒径也可达到0.2mm;瑞士Buhler公司研制的离心式分离装置,使分离原理从区分珠子粒径大小转为区分珠子密度大小,使研磨珠的直径更小。但是,有筛网的存在最终必然存在堵网及漏珠的情况发生。而深圳市叁星飞荣机械有限公司自主研发生产的具有独立知识产权的无轴封无筛网立式介质搅拌磨,由于无轴封无筛网,不存在堵网及漏珠,无需清理磨珠等情况发生,因此,把磨珠的最小珠径推向了新的极限(如,0.05mm),同时,也使被研磨颗粒粒径通过物理方法能够达到纳米粒级。