粉碎工艺现况与进展
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本文作者：马大钧作者单位：苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司
1气流粉碎机
气流粉碎设备是利用高压空气、惰性气体或者过热蒸汽膨胀降温加速来形成高速流场，带动物料粒子在射流流场内互相冲撞、摩擦、剪切来实现物料细化的。从整体结构上可分为射流式气流粉碎机和流化床式气流粉碎机两种；从喷嘴气流速度来看，分为亚音速和超音速两种；从气流和物料混合方式上，分为加速前预混和加速后混合两种方式；射流式从腔体具体结构上主要有圆盘式、对喷式、循环管式等。气流粉碎设备中的物料粒子的动能来源是压缩气体，当高压气体在拉伐尔喷管中加速膨胀时，压力转化为物料粒子的动能。当物料粒径不均匀时，质量较小的粒子速度快，质量较大的速度慢，在速度差的作用下粒径不同的粒子发生碰撞，从而使得粒径均匀化；当物料粒径较为均匀时，高速射流是典型的湍流，其流态不像层流那样均匀平稳，而且存在着主流道纹向方向的剧烈的动量掺混，在掺混流的带动下，物料粒子均匀碰撞、摩擦，而得到较均匀的细化颗粒。而在流程下游设置冲击靶则构成靶式气流磨，其典型结构如图1所示。靶式气流磨的优点是加剧了对流场的干扰，因而其扰动更加剧烈，粉碎效率也就越高，缺点是磨损脱落的靶材会对成品构成污染[2]。总的来看，高速气流膨胀降温，即使摩擦产生一定的热量，也会被不断进入的气流带走，因而流场内温度较低，这就使得气流粉碎特别适用于加工热敏性材料。高速湍流的速度场较为饱满均匀，因此气流对粒子的剪切作用也较为均匀，得到的粒子的粒径分布窄，粒形也较为理想。其设备结构相对简单，可控性好，生产过程连续性好，因而产量也高。但这种工艺不适用于类似氧化硅、碳化硅等硬度较高的物料，其对硬度相对较低的颜料、石墨等粉碎效果理想，可达0.2～3.0μm量级[3]。国内相关研究虽起步较晚，但也在近几年取得了较多的研究成果。图2所示改进后的对撞式流化床气流粉碎设备，通过延长传输区并加长磨体的方式，使得传输区气流平稳、分级轮负荷减小，从而在较低能耗下获得更为理想的粒径和更高的产量，且机器运行平稳、噪声小。此外，国产气流粉碎设备在摩擦面耐磨性和物料积沉的改良方面也取得了较大进步。
2机械冲击式粉碎机
机械冲击式粉碎机的机理是使物料粒子高速运动而产生相互间摩擦、碰撞来实现粉碎细化，但其粒子的能量来源不同于气流粉碎设备，而是通过电机带动搅拌杆或者搅拌盘等其他形式的扰动件实现动量的传输。气流粉碎设备中，绝大多数的粉碎是基于物料粒子之间的碰撞，物料与腔体壁面之间的摩擦碰撞是次要的，与此不同的是，机械冲击式粉碎机中，搅拌件与物料之间的碰撞变得十分重要。这种冲击粉碎方式力度大、效率高、通用性好，也是国内发展较为良好的一类粉碎机械[4]。基于该类粉碎设备的破碎方式，机械冲击粉碎最大的问题就是冲击件的磨损问题，磨损脱落的冲击件材料不可避免的会对产品造成污染，高耐磨材料的开发成为限制瓶颈。旋转件直接与大量的物料粒子摩擦冲撞，对冲击件进行适当的冷却也是必须的，而且物料必须是非热敏矿材。机械冲击粉碎机也有其优点：结构简单、操作性好，单位耗能的粉碎量大，产品的细度可调，可适用于大多数矿石物料。国内生产的具体型号主要有：JTM冲击式粉碎机、CZM型冲击式粉碎机、高速旋风超细粉碎自磨机等。
3搅拌磨
常规搅拌磨结构如图3所示，不同于直接的机械冲击和气流冲击，搅拌磨通过电机带动转轴上的磨盘旋转，在对物料形成冲击和搅拌的同时，还对临近磨盘的物料粒子施加剪切力。在摩擦力和离心力共同作用下，搅拌磨既可以做粉碎机，又可以做分离机，结构效率高，其产品的粒度分布均匀[5]。搅拌磨对高岭土、方解石和锆英砂等物料较为适用，例如对于高岭土而言，产品中2μm量级的粒子数量比例可占90%以上。由于磨介的尺寸较小，使得该设备主要适用于最大粒度在微米以下量级的产品的粉碎。当原料粒径大于2.0μm时，存在产量小、磨损成本高的难题[6]。
4振动磨
振动磨一般是将原料和粉碎介质(目前国内多用直径15mm的钢球作为粉碎介质)放到一个圆筒中，由电机驱动带有不平衡重块等激振器的传动装置来实现物料与粉碎介质之间的高频振动，从而使得研磨介质在圆筒壁面的约束下受到冲击，进而与物料进行碰撞、摩擦以达到粉碎效果。此外，由于是在圆筒中，介质块存在高速的自转和相对低速的公转，高速自转主要对物料起到疲劳破坏作用，是能够实现超细粉碎的关键，而慢速的公转则起到良好的掺混分散作用，从而使产品粒径均匀。在实际应用中，硅灰、沸石、煅烧高岭土等使用振动磨超细粉碎，取得了良好的效果，在废渣水泥掺混料的生产中也较为适用。振动磨要求的粉碎腔中的介质填充率达到80%以上，因而其产量有限[7]。
(1)在选型时，可根据对产品的具体要求、加工量和原料物性来选择粉碎机械。例如当需要严格控制外物污染时，可优先考虑气流粉碎机；要求产品细度较小时，可选择振动磨。(2)目前国内设备面临的最主要问题：介质磨的靶材的耐磨性、大型设备不足、整体能耗偏高等问题。解决对策除寻求耐磨材料外，对粉碎系统进行整体研究才是根本。(3)在发展趋势方面，因为国内的研究大多是基于试验，对粒子具体的受力、流场分析较少。针对气流粉碎机而言，可以考虑通过开设气膜孔，在摩擦面上覆盖一层保护气膜来避免物料与腔体的磨损，可能是解决这一问题的办法，可做相关探讨、研究。
