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| 研磨分散納米粉體關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時間：2015-05-07 11:07:49 瀏覽次數(shù)： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）最近十幾年來臥式砂磨機(jī)得到了迅速地發(fā)展，在冶金、礦業(yè)、非金屬礦物材料、化工、陶瓷和新材料領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用。超細(xì)臥式砂磨機(jī)是一種高效節(jié)能的超細(xì)濕法粉碎設(shè)備．隨著臥式砂磨機(jī)設(shè)備的超大型化和技術(shù)的不斷完善。臥式砂磨機(jī)將在金屬礦山再磨或細(xì)磨作業(yè)中越來越普遍應(yīng)用。
不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提升研磨效率求快或是高科技產(chǎn)業(yè)納米化材料求細(xì)需求，大批量工業(yè)化生產(chǎn)、耐高溫、強(qiáng)酸、耐磨、無污染控制都同樣重要。所以細(xì)﹑快﹑大、更少污染已成為新一代分散研磨技術(shù)最重要之課題。納米砂磨機(jī)主要用于“三超”物料（超細(xì)，超硬，超純）的加工，例如化纖新材料、鈦白生產(chǎn)、先進(jìn)陶瓷、生物工程、細(xì)胞及疫苗制備、軍工等領(lǐng)域。
本文將針對納米級研磨的現(xiàn)況及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展﹑納米級分散研磨技術(shù)的原理﹑納米級研磨機(jī)的構(gòu)造﹑現(xiàn)有設(shè)備的來源﹑應(yīng)用實例及注意事項﹑結(jié)論及建議等六大主題加以探討。
1 納米級分散研磨技術(shù)的現(xiàn)況與發(fā)展
隨著 3C 產(chǎn)品之輕、薄、短小化及納米材料應(yīng)用之白熱化，如何將超微細(xì)研磨技術(shù)應(yīng)用于納米材料之制作及分散研磨已成為當(dāng)下重要課題。一般想得到納米粉體有2 個方法。一個為化學(xué)方法由下而上之制造方法(bottom up)，如化學(xué)沈淀法，溶膠凝膠法(sol-gel)，另一種方法則為物理方法，將粉體粒子由大變小(top down)，如機(jī)械球磨法、化學(xué)法、物理法等。
到目前為止，化學(xué)法或Bottom up 之納米粉體制造方法大部分在學(xué)術(shù)界被研究且已有豐碩的成果，可以得到數(shù)納米粉體。唯其制造成本有時相當(dāng)高，且不易放大(scale up), 同時所得到粒徑分布亦較大。所以到目前為止，企業(yè)界仍以物理機(jī)械研磨(top down)方法以得到納米級粉體為主。Top down 方法較易得到粒徑分布較小納米粉體，同時生產(chǎn)成本相對較低，參數(shù)容易控制，將研發(fā)實驗機(jī)臺所得到參數(shù)放大(scale up)到量產(chǎn)機(jī)臺。唯Top down 方法目前只能研磨到30 nm，但已能滿足業(yè)界需求。
1.1 干法研磨(Dry); 濕法研磨(Wet grinding).
對納米粉體制造廠而言，當(dāng)然希望以干法研磨方法來得到最終納米粉體。但若以機(jī)械研磨方式研磨粉體時，在研磨過程中，粉體溫度將因大量能量導(dǎo)入而急速上升，且當(dāng)顆粒微細(xì)化后，如何避免防爆問題產(chǎn)生等均是研磨機(jī)難以掌控的。所以一般而言，干法研磨的粒徑只能研磨到5-8μm。如果要得到5μm以下粒徑，就建議必須使用濕法式研磨。
所謂濕法研磨即先將納米粉體與適當(dāng)溶劑混和，調(diào)制成適當(dāng)材料。為了避免于研磨過程中發(fā)生粉體凝聚現(xiàn)象，所以需加入適當(dāng)分散劑或助劑當(dāng)助磨劑。若讀者希望最后納米級成品為粉體而非漿料，則需考量到如何先將漿料中之大顆粒粒子過濾及如何將過濾后之漿料干燥以得到納米級之粉體。所以，當(dāng)讀者以濕法研磨方式得到納米級粉體時，如何選擇適當(dāng)?shù)娜軇┅p助劑﹑過濾方法及干燥方法將影響到是否能成功地得到納米級粉體關(guān)鍵技術(shù)。
1.2 研磨(Grinding)、分散(Dispersing)
顧名思義，研磨定義即是利用剪切力(shear force)﹑摩擦力或沖力(impactforce)將粉體由大顆粒研磨成小顆粒。分散定義為使納米粉體被其所添加溶劑﹑助劑﹑分散劑、樹脂等包覆住，以便達(dá)到顆粒完全被分離(separating)﹑潤濕(wetting)﹑分布(distributing)均勻及穩(wěn)定(stabilization)目的。在做納米粉體分散或研磨時，因為粉體尺度由大變小的過程中，凡得瓦爾力及布朗運(yùn)動現(xiàn)象逐漸明顯且重要。所以，如何選擇適當(dāng)助劑以避免粉體再次凝聚及如何選擇適當(dāng)?shù)难心C(jī)來控制研磨漿料溫度以降低或避免布朗運(yùn)動影響，將成為濕法研磨分散方法能否成功地得到納米級粉體研磨及分散關(guān)鍵技術(shù)。
2 非金屬礦粉體之分散研磨原理
以機(jī)械方法的濕法研磨方式是得到納米級粉體最有效率且最合乎經(jīng)濟(jì)效益方法。本文將針對濕法式研磨及分散方法之原理及制程做一深入探討。為了方便說明以下圖片為例做一介紹。
馬達(dá)利用齒輪箱傳動攪拌轉(zhuǎn)子將動力由鋯球運(yùn)動產(chǎn)生剪切力(shear force)，漿料因Pump 推力至研磨室移動過程中與磨球因相對運(yùn)動所產(chǎn)生剪切力而產(chǎn)生分散研磨效果。其粒徑小于研磨室內(nèi)分離磨球與漿料之動態(tài)大流量分離器濾網(wǎng)間隙大小時，漿料將被離心力擠出至出料桶槽以便得到分散研磨效果。上述過程為研磨1 個pass，若尚未達(dá)到粒徑要求，則可以重復(fù)上述動作，通常大家稱之為進(jìn)行循環(huán)研磨，直到粒徑達(dá)到要求為止。
圖（一）傳統(tǒng)立式攪拌磨研磨工藝流程
本系統(tǒng)能否成功地達(dá)到研磨或分散目的，主要靠研磨介質(zhì)（即鋯球）大小及材質(zhì)之選擇是否得當(dāng)。以筆者曾規(guī)劃及實際試車數(shù)百廠經(jīng)驗，所選擇之磨球需為1.0.-1.8mm。同時，為了讓那么小的磨球能夠在研磨過程中不受漿料于X 軸方向移動之推力影響而向前堵在濾網(wǎng)附近而導(dǎo)致研磨室因壓力太高因而停機(jī)，其攪拌轉(zhuǎn)子線速度需超過16m/sec 以上。同時，漿料粘度控制調(diào)整到1000 cps 以下，以便讓磨球運(yùn)動不受漿料粘度影響。同時，漿料的固體成分(solid content by weight)也需控制在65％以下，以防止研磨過程中因粉體比表面積之增加而導(dǎo)致粘度上升而無法繼續(xù)使用小磨球。當(dāng)然，為了避1.0mm以下的磨球從動態(tài)分離器流出研磨室或卡在濾網(wǎng)上，所以濾網(wǎng)間隙需調(diào)整到0.8mm左右。
上述之關(guān)系可以整理成下列表（一）所示。
超大型砂磨機(jī)各種不同大小磨球之選擇參考法則：
(1) 先決定所欲研磨之最后粒徑需求(target fineness)。
(2) 將漿料粘度(viscosity)﹑固含量﹑研磨前細(xì)度(start fineness)、(最終要求細(xì)度)Target之粒徑做準(zhǔn)備并滿足表（一）需求。
(3) 預(yù)攪拌或前處理系統(tǒng)攪拌轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速需為高線速度 (High speed) 設(shè)計。建議切線速度為10-23 m/sec 以避免漿料沈淀或不均勻問題產(chǎn)生。
2）超大型臥式砂磨機(jī)部份
為了快速達(dá)到研磨粒徑要求且使研磨機(jī)可以正常地運(yùn)轉(zhuǎn)，所需控制之法則及參數(shù)如下：
(1) 依照所需粒徑要求選擇適當(dāng)?shù)哪デ?。例如，若需達(dá)到超細(xì)粉體要求且避免磨球損耗，需選擇釔穩(wěn)氧化鋯磨球，莫氏硬度越大越好，磨球表面需為真圓，沒有孔隙，磨球大小為1.2-1.8mm。磨球選擇適當(dāng)與否將會決定能否成功地研磨到所欲達(dá)到粒徑要求。
(2) 依據(jù)磨球大小及漿料黏滯性調(diào)整適當(dāng)?shù)臄嚢柁D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。一般冶金、礦業(yè)、非金屬礦物材料、化工、陶瓷和新材料超細(xì)粉體研磨，轉(zhuǎn)速需達(dá)13.5-23 m/sec 以上。
(3) 控制研磨漿料溫度。一般漿料之研磨溫度需控制在90℃以下。影響到漿料溫度之主要參數(shù)為控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速﹑磨球充填率﹑研磨桶熱交換面積大小﹑冷卻水條件及流量。
(4) 依據(jù)磨球大小選擇適當(dāng)動態(tài)分離系統(tǒng)間隙。一般間隙為磨球直徑之1/2～1/3。
(5) 調(diào)整進(jìn)料泵的轉(zhuǎn)速。在研磨桶可以接受壓力范圍內(nèi)，進(jìn)料泵的轉(zhuǎn)速越大越好，一般選擇 HP 工業(yè)級軟管泵。
如此，可以于同一研磨時間內(nèi)增加漿料經(jīng)過研磨機(jī)研磨次數(shù)以得到較窄粒徑分布。
(6) 記錄研磨機(jī)所需消耗之電能kW 值。
(7) 取樣時，記錄每個樣品之比能量(specific energy)值，并于分析該粒徑大小后， 將比能量與平均粒徑關(guān)系做出，以利將來Scale up 用。
(8) 達(dá)到所需比能量值時即可停機(jī)。此時，原則上已達(dá)到所需研磨分散平均粒徑要求了。
3、展望市場，設(shè)備超大型是必經(jīng)之路且需加快
在金屬礦山中，部分鐵礦需磨至一400目大于95％或更高才能單體解離，精礦品位大于65％，需要大處理量、窄粒級超細(xì)攪拌球磨機(jī)。金銀礦、鉬礦、銅礦、鎳礦、鉛鋅礦也需要磨至一400目大于90％或更高才能單體解離，需要具有細(xì)磨和擦洗作用的大型攪拌球磨機(jī)。
由于造紙行業(yè)發(fā)展迅速，將帶動CaCO3需求量增長，勢必帶動大型現(xiàn)代化造紙鈣生產(chǎn)基地的建立和完善?，F(xiàn)在如太陽紙業(yè)集團(tuán)高旭公司、晨嗚紙業(yè)集團(tuán)、岳陽林紙集團(tuán)紛紛建立大型造紙鈣衛(wèi)星生產(chǎn)基地，至少年產(chǎn)5～10萬t/a以上。中鋁擬向西芒杜鐵礦投資22億美元；廣西南國銅業(yè)有限責(zé)任公司年產(chǎn)15萬噸銅冶煉項目環(huán)境影響報告書得到了國家環(huán)境保護(hù)部正式批復(fù)；馳宏鋅鍺公告稱，公司全資子公司呼倫貝爾馳宏礦業(yè)有限公司（下稱“呼倫貝爾公司”）14萬噸鋅/年、6萬噸鉛/年冶煉項目實際投資超出計劃14.2305億元。為進(jìn)一步保障項目建設(shè)資金的連續(xù)性，呼倫貝爾公司擬將總投資由原來的33.9874億增加到48.2179億元；國有企業(yè)中國有色礦業(yè)集團(tuán)有限公司旗下子公司計劃通過非公開發(fā)行A股股票籌資至多人民幣17.9億元(合2.92億美元)，部分所籌資金將用于在廣東省建立一個稀土工廠。這可能意味著中國再次對這種具有戰(zhàn)略意義的礦產(chǎn)提起重視。
高嶺土、膨潤土、云母等非金屬礦業(yè)也將向大型化、現(xiàn)代化生產(chǎn)發(fā)展，例如國內(nèi)的中國高嶺土公司、廣西北海高嶺土公司、廣東茂名高嶺土公司和山西金洋高嶺土公司等也將步人大型化、自動化大生產(chǎn)。
工業(yè)礦物粉體的制備，且價格相對低廉，因此需要處理量大的加工設(shè)備。研制產(chǎn)品粒度細(xì)且分布均勻、處理量大的大型超細(xì)攪拌磨機(jī)對于工業(yè)礦物粉體的深加工是當(dāng)務(wù)之急。在能源工業(yè)中，例如煤直接液化項目中催化劑制備技術(shù)，就需要大型超細(xì)攪拌磨機(jī)制備亞微米級
黃鐵礦油漿。
因此，不管非金屬行業(yè)，還是金屬行業(yè)或者能源行業(yè)，迫切需要一種高效、實用、能耗省且價格適中的大處理量、窄粒級超細(xì)超大型臥式砂磨機(jī)。
球磨機(jī)磨礦，因普通臥式球磨機(jī)磨礦效率低、產(chǎn)品粒度達(dá)不到要求、礦物沒有達(dá)到單體解離，所以鐵品位只能在53~55%之間。超大型臥式砂磨機(jī)是金銀礦、鉬礦、銅礦、鎳礦、鉛鋅礦、鐵礦再磨或細(xì)磨最具有發(fā)展前景、能量利用率高、產(chǎn)品粒度細(xì)的一種細(xì)磨設(shè)備，另外，由于該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便，從而被廣泛應(yīng)用于黃金礦、有色金屬礦、金屬礦和磁性材料等工業(yè)生產(chǎn)中。
4、結(jié)論與建議
由上述可以得知”大流量﹑小磨球”為納米級粉體研磨主要依循法則。 若欲滿足細(xì)﹑快﹑更少污染﹑”納米級粉體研磨要求，需滿足下列條件：
1) 先認(rèn)清研磨材料之特性要求。
2) 根據(jù)材料特性要求找到適當(dāng)研磨機(jī)。
3) 搭配適當(dāng)配套設(shè)備，如冰水機(jī)﹑壓縮空氣機(jī)、預(yù)攪拌機(jī)及移動物料桶等。
4) 找到合適產(chǎn)品的助劑。
5) 與上﹑下游有完善的溝通，以便調(diào)整最佳配方與研磨條件，提高納米粉體相容性。
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