超細粉體工業(yè)是伴隨現(xiàn)代高技術和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來的新興產(chǎn)業(yè)。
20世紀70年代以來，全球超細粉體的市場需求量以平均10%左右的速度增長，是繼IT和信息產(chǎn)業(yè)之后發(fā)展快的行業(yè)之一。機械超細粉碎是超細粉體主要的加工技術之一。近
5年我國超細粉碎和精細分級設備的年銷售臺(套)年均增長率超過10%，全國各類超細粉碎和分級設備生產(chǎn)廠家已發(fā)展到近100家。
1 國內(nèi)超細粉碎設備現(xiàn)狀 目前國內(nèi)超細粉碎技術的總體水平是:
①能夠生產(chǎn)出目前在工業(yè)上應用的各類超細粉設備。20世紀80年代中期以來，通過引進和消化吸收國外超細粉體加工設備，經(jīng)過近20年的發(fā)展，我國已經(jīng)能夠自主生產(chǎn)各類超細粉碎和精細分級設備，在近5年新建的超細粉體加工廠中國產(chǎn)設備或中外合資廠生產(chǎn)的設備占主導地位；
②我國已能夠工業(yè)化大批量生產(chǎn)平均粒徑1μm左右的超細粉體，如超細重質碳酸鈣、超細高嶺土(包括煅燒高嶺土)、超細滑石、超細石墨、超細云母、超細碳化硅、超細二氧化硅以及氧化鋁和氫氧化鋁、氧化鎂和氫氧化鎂等；
③由于新材料技術的發(fā)展，設備的磨耗有了顯著降低，如我國自主開發(fā)的旋風自磨機，5年前沖擊盤的壽命約200h，通過采用新材料現(xiàn)已延長到3000h以上；
④已有部分超細粉碎設備和技術出口到東南亞、中東、非洲等發(fā)展中國家。
1.1 超細粉碎設備 目前，超細粉碎設備的主要類型有氣流磨、高速機械沖擊磨、攪拌球磨機、研磨剝片機、砂磨機、振動球磨機、旋轉筒式球磨機、塔式磨、旋風或氣旋流自磨機、高壓輥(滾)磨機、高壓水射流磨機、膠體磨等。其中氣流磨、高速機械沖擊磨、旋風或氣旋流自磨機、高壓輥(滾)磨機等為干式超細粉碎設備，研磨剝片機、砂磨機、高壓水射流磨機、膠體磨等為濕式粉碎機，攪拌球磨機、振動球磨機、旋轉筒式球磨機、塔式磨等既可以用于干式超細粉碎也可以用于濕式超細粉碎。
氣流磨是主要的超細粉碎設備之一，特別是粉碎產(chǎn)品粒度細、純度要求高和附加值較大的物料時。依靠內(nèi)分級功能和借助外置分級裝置，工業(yè)規(guī)模的氣流磨機細可加工d=3～5μm的粉體產(chǎn)品，產(chǎn)量從每小時幾十公斤到幾噸。在國內(nèi)超細粉碎設備廠商中，氣流磨機的生產(chǎn)廠家多。目前氣流磨機主要有扁平(圓盤)式、循環(huán)管式、靶式、對噴式、流化床逆向噴射式、旋流式等幾種機型，數(shù)十種規(guī)格。這些氣流磨廣泛用于滑石、石墨、硅灰石、鋯英石、高嶺土、重晶石等非金屬礦物以及磨料(碳化硅、氮化硼、石榴子石、剛玉等)、化工原料、顏料、醫(yī)藥及保健品、金屬及稀土金屬等的超細粉碎加工。國產(chǎn)氣流磨在仿制和消化吸收國外設備的基礎上也有所創(chuàng)新，尤其是在旋流式氣流磨、靶式氣流磨、流化床式氣流磨以及提高扁平式氣流磨的耐磨性等方面有一些發(fā)明專利和實用新型專利。國產(chǎn)氣流磨的不足之處是缺少小時產(chǎn)量達數(shù)噸以上的大型設備，因此，用于粉碎大宗的單位產(chǎn)品附加值較低的非金屬礦粉體產(chǎn)品時，單位產(chǎn)品能耗(比能耗)較高。 機械沖擊式超細粉碎機是國內(nèi)非金屬礦行業(yè)選用較多的超細粉碎設備，廣泛應用于煤系高嶺土、方解石、大理石、白堊、滑石、葉蠟石等中等硬度以下非金屬礦以及化工原料、農(nóng)藥等的超細粉碎加工，產(chǎn)品細度一般可達到d97=10μm， 即所謂的1250目，配以高性能的精細分級機后可以生產(chǎn)d=5～7μm的超細粉體產(chǎn)品。生產(chǎn)1250目的單機生產(chǎn)能力從每小時幾百公斤到1t左右。國產(chǎn)機械沖擊式超細粉碎機的主要機型有：在引進日本細川公司超細粉磨機基礎上開發(fā)生產(chǎn)的CM51型超細粉碎機以及近3年在德國ALPINE公司分級研磨機基礎上開發(fā)生產(chǎn)的JCF1000型機械粉碎機、JZC-400型分級式?jīng)_擊磨、CZM沖擊式粉碎機等。 介質超細研磨機包括攪拌球磨機、振動球磨機、旋轉筒式球磨機和研磨剝片機、塔式磨、砂磨機等幾種類型。依攪拌機構的不同，國產(chǎn)攪拌球磨機有軸棒式、穿孔圓盤式、螺旋式及棒盤復合式等幾種機型；攪拌球磨機已廣泛用于高嶺土、重質碳酸鈣、云母、滑石、各種磨料、涂料顏料等的生產(chǎn)，其中濕式攪拌磨的產(chǎn)品細度可達d=2μm左右；CYM-3000超細研磨機等大型攪拌球磨機，已經(jīng)在造紙顏料級重質碳酸鈣、煅燒高嶺土等的細磨或超細研磨加工中得到應用。國產(chǎn)振動球磨機有單筒、多筒(二筒或三筒)式、WGM-3變頻式、MGZ-1型高幅振動磨以及ZMF內(nèi)分級式振動磨等機型。國產(chǎn)濕式振動球磨機的產(chǎn)品細度可達d=5μm左右，干式振動磨(不帶分級機)可達d=15～20μm左右，但粉碎產(chǎn)品的粒度分布范圍較寬。用于超細粉碎的旋轉筒式球磨機的結構特點是磨機的徑長比較大，使用球或鋼段作研磨介質，研磨產(chǎn)品的粒度一般分布較寬，在生產(chǎn)中常與分級機構成閉路粉碎作業(yè)，這種球磨機—分級機干式閉路作業(yè)應用于超細重質碳酸鈣的生產(chǎn)，給料粒度≤5mm，產(chǎn)品細度可達d=5～45μm；這種球磨機—分級機干式閉路作業(yè)的特點是循環(huán)負荷量大(400%以上)。 國產(chǎn)研磨剝片機主要有20、80、300和500(L)等幾種機型，采用多級串聯(lián)配置、連續(xù)濕法研磨方式，產(chǎn)品細度可達d=2μm左右，自1994年以來累計已有上百臺在煤系高嶺土和重質碳酸鈣的濕法超細粉碎生產(chǎn)線中使用。國產(chǎn)CTM型塔式磨采用特殊的天然卵石做研磨介質，連續(xù)生產(chǎn)，這種配置分級機的塔式干磨機已經(jīng)應用于水泥、滑石、膨潤土等的生產(chǎn)，產(chǎn)品細度可達d=10μm左右。砂磨機主要有臥式和立式兩種機型，產(chǎn)品細度可達d=2μm左右，國產(chǎn)砂磨機主要用于顏料、染料以及重質碳酸鈣、高嶺土等的超細粉碎和分散。 旋風自磨機或氣旋流粉碎機是我國自主研制開發(fā)的一種新型干式細粉碎和超細粉碎設備。它利用特殊設計的高速回轉裝置產(chǎn)生高頻脈動旋轉氣流場，使加入粉碎機內(nèi)的顆粒物料互相沖擊、摩擦、剪切或切削實現(xiàn)粉碎。這種粉碎機適用于石灰石、方解石、大理巖、滑石、硅灰石、高嶺石、重晶石、石英、長石等物料的粉碎，給料粒度≤30mm，產(chǎn)品細度可在d=40～10μm(400～1250目)之間進行調(diào)節(jié)。對硬質高嶺土進行超細粉碎的生產(chǎn)結果表明，這種粉碎機在粉碎產(chǎn)品細度d=20～15μm(600～800目)時，單機產(chǎn)量可達1300～1500kg/h，單位產(chǎn)品能耗較低(約100kW·h/t)，外置精細分級機后可生產(chǎn)d=5～10μm左右的超細粉體產(chǎn)品。這種粉碎機也用于生產(chǎn)硅灰石針狀粉，產(chǎn)品顆粒的長徑比平均達12以上，平均粒徑10～15μm，產(chǎn)量800～1200kg/h，單位產(chǎn)品能耗約120kW·h/t。 高壓射流式粉碎機或超細剝片均化機是一種利用高壓(20～60MPa)射流的強大沖擊力和壓力突然降低的穴蝕效應使物料因沖擊和爆裂作用而被粉碎的一類濕法粉碎設備。這種設備已在云母和高嶺土的細粉碎和超細粉碎以及二氧化鈦顏料的分散解聚中得到應用，依給料粒度的不同，一次粉碎的產(chǎn)品細度細可達到d97=10～45μm。 膠體磨廣泛用于加工果汁、骨粉、豆?jié){等食品和保健品、油漆和涂料的分散以及膠體石墨等的加工。
1.2 精細分級設備 干式精細分級機大多是伴隨高速機械沖擊式超細磨和氣流粉碎機，尤其是流化床對噴式氣流粉碎機的引進和開發(fā)而發(fā)展起來的。因此，目前占主導地位的幾種干式精細分級是日本的MS、MSS和德國的ATP單輪或多輪渦輪式分級機。國內(nèi)的干式精細分級大多是在上述分級機的基礎上仿制或發(fā)展的。這些干式精細分級機基本上都與相應的機械沖擊式超細粉磨機或氣流粉碎機配套使用，其分級粒徑可以在較大的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，其中MS及其類似的分級機的分級產(chǎn)品細度可達d=10μm左右，MSS和ATP型及其類似的分級機的分級產(chǎn)品細度可達d97=4～6μm。依分級機規(guī)格或尺寸的不同，單機處理能力從幾十公斤/h到10t/h左右不等。我國自行研制開發(fā)的LHB型干式精細分級機分級產(chǎn)品細度可達d=5～10μm，處理能力可達10t/h，分級效率及分級精度較高，單位產(chǎn)品能耗相對較低，這種精細分級機在我國煅燒高嶺土的產(chǎn)品分級中占據(jù)主導地位。 濕式分級機主要有兩種類型：一是基于重力沉降原理的水力分級機；二是基于離心力沉降原理的旋流式分級機，這類分級機包括沉降離心機，如臥式螺旋離心分離(級)機、小直徑水力旋流器、LS離旋器、GSDF型超細水力旋分機等機型，這是目前濕式精細分級主要采用的設備。其中，沉降離心機(包括臥式螺旋離心分級機)的溢流產(chǎn)品細度可達到d=1μm左右、GSDF型超細水力旋分機的溢流產(chǎn)品細度可達到d=2μm左右，小直徑水力旋流器組的溢流產(chǎn)品細度可達到d=2μm左右，LS離旋器可達到d=2μm左右。這些分級機既可單獨設置也可與濕式超細粉碎設備配套使用。 目前國內(nèi)超細粉碎設備與國外先進國家的主要差距是: (1) 大型設備少 近兩年，由于市場對超細粉體產(chǎn)品需求量的增大，特別是單個用戶用量的增大及對產(chǎn)品質量穩(wěn)定性要求的提高，國內(nèi)大型超細粉碎設備已有一些進展，特別是在攪拌磨域，湖南超牌化工有限公司、長沙萬華粉體設備公司、北京礦冶研究總院等企業(yè)已開發(fā)出3000L以上的大型攪拌磨，其中湖南超牌化工有限公司的大型攪拌磨(CYM-3000)已有20余臺在造紙顏料級超細重質碳酸鈣和超細煅燒高嶺土中得到應用。但是，大型干式超細粉碎機還沒有實質性的突破。 (2) 設備的自動調(diào)控水平落后 這是目前我國超細粉碎設備普遍存在的問題。原因主要源于兩個方面，一是市場對設備價格的期望值偏低，在國內(nèi)設備價格平均不到同類國外設備價格40%的情況下，企業(yè)沒有提高設備自動調(diào)控水平的利益驅動力；二是大多數(shù)國內(nèi)超細粉碎設備制造廠商尚不具備自主開發(fā)智能控制的能力。 (3) 技術集成度較低，設備配套性能較差 超細粉碎設備是一種技術集成度較高的設備，特別是粉碎－分級一體化設備或內(nèi)閉路(具有內(nèi)分級功能)超細粉碎設備需要較高的技術集成度。另外，工藝配套性也是影響設備運行的主要因素之一。目前國內(nèi)超細粉碎設備在技術集成度和配套性能方面還有待改進。 (4) 單位產(chǎn)品能耗和磨耗較高 單位產(chǎn)品的能耗和磨耗除了與設備單機生產(chǎn)能力、自動調(diào)控水平以及技術集成度和配套性有關外，還與設備零部件(特別是粉碎器件、磨機襯板等)材質的選用、加工水平(如熱處理等)以及研磨介質等有關。
2 超細粉碎設備的發(fā)展趨勢 現(xiàn)代高技術新材料的迅速發(fā)展，要求超細粉體加工技術也要與時俱進，不斷發(fā)展。目前，超細粉體加工技術面臨的主要挑戰(zhàn)是：①小于1μm的超微粉體的需求量迅速增大；②超細粉體的大規(guī)模生產(chǎn)要求設備大型化和智能化以降低單位產(chǎn)品能耗和穩(wěn)定產(chǎn)品質量；③大規(guī)模配套生產(chǎn)超細粉體和嚴格的產(chǎn)品粒徑分布要求處理能力大、分級效率高和能耗低的精細分級設備；④高硬超細粉體材料的加工和對產(chǎn)品純度要求的不斷提高，要求超細粉碎和精細分級設備的磨耗顯著降低；⑤特殊粒形(針狀和片狀)和韌性超細粉體的生產(chǎn)。
為適應這些挑戰(zhàn)，未來超細粉碎設備的主要發(fā)展趨勢是：
(1)提高產(chǎn)品細度、降低設備粉碎限 目前市場1μm以下超微粉體(包括納米粉體)加工技術(包括制粉技術和表面處理技術)和設備的需求呈增長態(tài)勢。超微粉體(包括納米粉體)是未來超細粉體的主要發(fā)展趨勢之一。這是因為現(xiàn)代許多高技術和新材料的發(fā)展需要超微粉體，如航空航天隱身材料、(具有韌性的)高級陶瓷、吸波材料、功能纖維、環(huán)境保護材料、生物醫(yī)學材料等。因此，要求發(fā)展產(chǎn)品粒度小于1μm，粉碎限低的工業(yè)化超細粉碎設備和分級限粒度小的工業(yè)化精細分級設備以及配套的生產(chǎn)技術。
(2) 提高單機產(chǎn)量、降低單位產(chǎn)品能耗 由于市場對超細粉體產(chǎn)品需求量的增大，特別是用戶用量的增大(如大型造紙廠年造紙顏料需求量達10多萬t)及對產(chǎn)品質量穩(wěn)定性要求的提高，大型設備的市場需求量呈增長趨勢。大型設備適應了超細粉體加工廠向大規(guī)模化發(fā)展的趨勢，而且具有單位產(chǎn)品能耗低、產(chǎn)品質量穩(wěn)定性好以及管理方便等優(yōu)點；國外發(fā)達國家早已發(fā)展大型的全過程自動調(diào)控的超細粉碎與精細分級設備，如年產(chǎn)5～10萬t超細重質碳酸鈣的超細粉碎和分級設備，5000L以上的大型立式攪拌磨，總體積10m3、處理量150m3/h的大型臥式攪拌球磨機(這種磨機加工d80=9.7μm漿料產(chǎn)品的能耗約為65kW·h/t)。設備大型化是提高單機產(chǎn)量、降低單位產(chǎn)品能耗的主要途徑之一。此外，應用現(xiàn)代科技研發(fā)新型的超細粉碎設備也是提高粉碎效率、產(chǎn)量和降低單位產(chǎn)品能耗的主要方向之一。
(3)降低磨耗 超細粉碎和精細分級設備一般是高速運轉設備，高速運轉器件在與被磨或被粉碎物料的作用過程中難免磨損(耗)。磨耗不僅污染被粉碎物料(這種污染往往用物理方法很難去除)，而且影響設備與物料接觸部件的使用壽命，增加了生產(chǎn)成本。因此，降低磨耗是超細粉碎設備發(fā)展永恒的課題。
(4) 高穩(wěn)定性和可靠性 超細粉碎和精細分級設備的穩(wěn)定性和可靠性是超細粉碎生產(chǎn)線所必須的要求，也是高性能設備的必然要求，它對生產(chǎn)成本、效率、生產(chǎn)安全以及產(chǎn)品質量等有重要影響。
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磨粉設備
