非金屬礦超細深加工技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

來源：中國數(shù)控機床網(wǎng)

非金屬礦超細深加工技術的重要性隨著科學技術的發(fā)展，各工業(yè)部門對新材料及各種工業(yè)原料的要求越來越高，粉體技術作為一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，早已應用于各工業(yè)部門，而非金屬礦超細深加工技術是與現(xiàn)代高科技和新材料的發(fā)展密切相關的，在工業(yè)發(fā)達國家已愈來愈顯示出其強大的生命力，首先非金屬礦超細深加工與現(xiàn)代許多技術及新材料產(chǎn)業(yè)密切相關。例如，具有特殊功能（電、磁、聲、光、熱、化學、力學、生物等）的高技術陶瓷是近十年來迅速發(fā)展的新材料，被稱之為繼金屬材料和高分子材料后的第三大材料。在制備高性能陶瓷材料時，非金屬礦物原料越純，粒度越細，材料的致密性越好，強度和韌性越高，一般要求原料的粒度小于1μ甚至0.1μm.如果原料細度能到納米級，則制備的陶瓷稱為納米陶瓷，性能更加優(yōu)異，是當今陶瓷材料發(fā)展的最高境界。因此，非金屬礦加工技術是高技術陶瓷發(fā)展的關鍵，只有發(fā)展了非金屬礦物的高純加工技術和超細粉體加工制備技術才有高技術陶瓷材料的迅速發(fā)展。 

　　再如，顯像管是現(xiàn)代微電子、信息產(chǎn)業(yè)的重要器件，顯像管用的氧化鋁微粉平均粒徑一般為1.5μm～5.5μm；黑底石墨乳粒徑要小于1μm，管頸石墨乳小于4μm，銷釘及錐體石墨乳小于10μm；現(xiàn)代重要信息材料的復印粉及打印墨粉要求粒徑達到微米級；光纖及壓電材料的石英粉要求純度達到99.999%，雜質(zhì)含量要求為PPM級；現(xiàn)代高檔紙張用的高嶺土和碳酸鈣涂料要求白度達到90以上，細度-2μm含量超過90%.顯然，沒有非金屬礦超細深加工技術的發(fā)展，現(xiàn)代微電子及信息技術的發(fā)展將被延緩。復合材料的重要組分之一是無機非金屬礦物填料，包括碳酸鈣、高嶺土、滑石、云母、硅灰石、石英、氧化鋁、氧化鎂、碳黑等，這些非金屬礦物填料的粒度越細、與有機基質(zhì)的相容性越好，復合材料的綜合性能就越好。解決超細問題要依靠超細粉碎技術，而解決與有機基質(zhì)的相容性問題要依賴一種新的非金屬礦深加工技術——礦物表面改性。其他如特種涂料、高級磨料、催化劑載體、吸附材料等要求非金屬礦物原料純度高、粒度細或粒度分布較窄且表面活性好。因此，必須要對其進行提純、粉碎和分級以及表面改性等加工。其次非金屬超細深加工技術與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術進步或技術改造密切相關。例如，造紙工業(yè)從普通紙張到涂布紙及其他高級紙品的技術進步需要高純、超細和高白度的高嶺土、碳酸鈣、滑石等非金屬礦物涂料；冶金工業(yè)的技術進步要求高品位及一定粒度級配的高鋁非金屬礦物（硅線石、紅柱石、蘭晶石等）耐火材料及鎂（菱鎂礦）碳（石墨）復合材料；高分子材料的技術進步需要相容性好而且具有增強作用的非金屬礦物填料，如碳酸鈣、高嶺土、滑石、硅灰石、云母、石英、長石等。因此，為滿足傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術進步或技術改造對非金屬礦產(chǎn)品的技術要求，要對非金屬礦進行提純、超細粉碎和表面改性等加工。

　　還有非金屬礦超細深加工技術還與當代環(huán)保技術及其產(chǎn)業(yè)相關，許多非金屬礦物，如凹凸棒石、海泡石、沸石、硅藻土、膨潤土、蛋白土、珍珠巖等經(jīng)過除雜提純、活化處理、粉碎分級、成型造粒等加工后具有較高的活性和選擇性吸附的特性，可廣泛應用于處理廢水、廢氣、廢物及有毒物質(zhì)，成為獨特的綠色環(huán)保產(chǎn)品。由于現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展到對非金屬礦物原（材）料要求的提高是非金屬超細深加工利用技術發(fā)展的原動力；同時，現(xiàn)代科技革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提高了非金屬礦超細深加工業(yè)自動控制、質(zhì)量檢測的技術水平。微型計算機的發(fā)展推進了非金屬礦超細深加工業(yè)的自動化控制水平和產(chǎn)品質(zhì)量的提高，使超細深加工產(chǎn)品的性能及質(zhì)量檢測手段更加可靠。新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使非金屬超細深加工設備的耐磨性、能量利用率及其綜合性能大大提高；碳化硅、剛玉、陶瓷、高聚物基復合材料等高硬耐磨內(nèi)襯材料使磨機及分級機的內(nèi)襯使用壽命大大延長；不銹鋼以及高聚物基復合材料使設備的防酸堿腐蝕和防氧化性能提高。正是現(xiàn)代科技革命和高技術新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術進步、環(huán)境保護、節(jié)能等對非金屬礦產(chǎn)品數(shù)量的增加和質(zhì)量要求的提高，推動了現(xiàn)代非金屬超細深加工技術的發(fā)展。

　　非金屬礦物作為一種新型的功能材料與金屬礦產(chǎn)和燃料礦產(chǎn)不同，它涉及面廣且種類繁多，已被人們認識達180余種，現(xiàn)開發(fā)利用的就達80多種，它們的應用價值不僅與礦物種類和純度有關，而且還與其礦物顆粒的細度、級配、顆粒形狀（晶體形態(tài)）以及顆粒的表面性能有關，而作為功能材料的非金屬礦物，大多數(shù)情況下必須經(jīng)過超細粉碎后，才能充分發(fā)揮其功能作用和滿足各個應用領域的要求。

　　非金屬礦物的超細粉碎、精密分級、晶體保護和表面改性等是非金屬礦深加工的技術關鍵。多年來，一直是國內(nèi)外研究的熱點，由于非金屬礦物大多為低附加值礦物，經(jīng)超細粉碎后的非金屬礦產(chǎn)品都有較大的增值，一般可提高4～30倍左右，不僅經(jīng)濟效益十分可觀，而且大大提高了礦物的應用價值和應用范圍。我國的非金屬礦產(chǎn)資源極為豐富，很多礦種的質(zhì)量和儲量均居世界前列，因此，持續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)展非金屬礦超細深加工技術將會前景無限。

　　國外超細深加工技術發(fā)展現(xiàn)狀超細粉碎的粒度界限如何劃分目前尚無定論，習慣上將0.1～10μm的顆粒稱為超微細顆粒。迄今為止的超細粉碎方法主要是機械粉碎，即物理法，這種方法制造的超細顆粒的產(chǎn)量大、成本低、工藝簡單，而且由于粉碎過程中的機械化學效應，可提高粉體的活性。國外從上世紀40年代起開始這方面的研究，進入上世紀80年代這項技術已日趨成熟。目前，國外使用的超細粉碎與分級設備主要有以下幾種類型。

　　超細粉碎設備

　?。?）高速沖擊式磨機是指利用圍繞水平或垂直軸高速成旋轉的回轉體（轉子、打擊錘、葉片等），對被粉碎物料加以強烈的沖擊，并使其與固定體或其他的旋轉體進行二次沖擊，以較強大的力量進行粉碎的機械。與其他型式的粉碎機相比，具有單位功率粉碎能力大，易于調(diào)節(jié)粉碎粒度（常帶內(nèi)分級裝置），應用范圍廣，機械安裝占地面積小，且可進行連續(xù)運轉等優(yōu)點。但是，由于機件的高速運轉，不可避免地產(chǎn)生磨損問題，因而不適用于處理硬度太大的物質(zhì)。

　　日本細川公司生產(chǎn)的高速沖擊式超細粉碎磨機在目前屬于一種國際先進的設備，已廣泛應用于非金屬礦的超細磨礦，可將8μm以下的物料經(jīng)過一次粉碎就能生產(chǎn)10μm通過率達70%以上的微細產(chǎn)品。這種粉碎機的最大特點是在粉碎室中設有雜物及粗顆粒自動連續(xù)排出裝置，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定產(chǎn)品粒度。該種設備國內(nèi)已有引進，現(xiàn)廣泛應用于滑石、粘土、重晶石、碳酸鈣、云母、葉蠟石及石墨等非金屬礦的超細粉碎。

　　此外，法國烏爾特拉芬公司生產(chǎn)的微粒粉磨機，美國P.M.公司生產(chǎn)的噴射粉磨機也已廣泛應用于非金屬礦的超細粉碎。

　　（2）氣流磨氣流磨是利用高速氣流（300～500m/s）或過熱蒸氣（300～400℃的能量使顆粒相互產(chǎn)生碰撞和摩擦，從而導致礦物的粉碎。它是一種較成熟的超細磨礦技術，已廣泛應用于化工原料及非金屬礦的超細粉碎，產(chǎn)品細度一般可達1～5μm.此外，氣流粉碎的產(chǎn)品具有粒度分布均勻，顆粒表面光滑、顆粒形狀接近球形、純度高、活性大、分散性好等優(yōu)點。但是，由于這種設備投資大，附屬設備多，因而不適合中小型企業(yè)和礦山。

　　原德國Alpine公司研制的流態(tài)化逆向噴射（AFG）與其他氣流磨相比更為先進。它是將逆向噴射原理與流態(tài)化床中的膨脹氣體噴射流相結合進行超細磨礦。由于這種設備采用了流態(tài)化床原理以及內(nèi)設平臥式渦輪超細分級器，與其他類型的氣流磨相比可節(jié)約能量30%～40%；設備磨損較輕，可用于粉碎高硬度物料；設備運轉全部自動化，進料中及從分離器分離出的顆粒不用向外排出。AFG流態(tài)化床逆向噴射磨應用范圍廣泛，除非金屬礦物如滑石、云母、膨潤土、硅灰石、石英外，其他化工原料、熱敏性物質(zhì)、高硬度耐磨材料等的超細磨礦均可采用，國內(nèi)有引進機型。另外，日本風動工業(yè)株式會社生產(chǎn)的氣動射流磨機（簡稱P.J.M），美國斯特蒂文特公司生產(chǎn)的Micronlzer扁平式氣流磨，美國特羅斯特氣流粉碎機公司生產(chǎn)的Wa-jacJet.Pulverizer型氣流磨也都已廣泛應用于礦物的超細粉碎。

　?。?）攪拌磨攪拌磨主要由一個靜止的外殼和一個高速旋轉的攪拌器組成。磨礦室中充填小直徑的磨礦介質(zhì)，主要通過攪拌器攪動磨礦介質(zhì)產(chǎn)生沖擊、摩擦和剪切作用使物料粉碎。這種磨通常分為干式磨和濕式磨兩類，主要有TRZK干式攪拌磨，NRZK濕式攪拌磨、塔式磨、渦輪磨等。這種磨機一般用于濕磨，而且磨機給料細度要求很小，國外已廣泛應用于各種物料的超細磨礦中。

　　（4）膠體磨膠體磨又稱分散磨，它是使液流及細顆粒以高速進入機內(nèi)窄小的空隙，利用液流產(chǎn)生的強大剪切力（液流剪切作用）使聚合體或顆粒粉碎并分散于液相中以及將液體分散為粒度約1μm液滴的超細磨礦與分散設備。主要由一個快速旋轉盤和一個固定盤（或機殼）組成，中間預留一定的間隙從而進行粉碎。美國More-Bouse-Cowles公司生產(chǎn)的膠體磨已用于化工原料及非金屬礦的細磨及分散。

　?。?）振動磨振動磨一般由給料裝置、起振裝置、磨礦裝置（裝有原料和粉碎介質(zhì)的圓筒）、裝有不平衡重塊的傳動裝置以及冷卻裝置和電機等組成。圓筒由電機帶動做一個近似橢圓軌跡的快速振動，實現(xiàn)物料的超細磨礦。振動磨中由于介質(zhì)充填率高達80%，因而對礦石的處理量就小。此外，工業(yè)生產(chǎn)中的振動磨對機械零件的要求都很高。

　　分級設備在超細粉碎技術中，物料的分級具有與超細粉碎同等重要的地位。目前，微粒的分級主要是利用離心力和慣性力的原理采用氣力分級。氣力分級方法又可分為利用高速轉子離心力而進行分級的方法和無轉子的氣力分級方法。已應用的分級機主要包括以下幾種。

　?。?）渦輪式分級機它的結構為準備分級物為產(chǎn)氣流經(jīng)渦輪式分級機的給料管，進入分級機內(nèi)，經(jīng)過錐形體而進入分級區(qū)。通過渦輪的旋轉對物料進行分級，渦輪的轉速是可調(diào)的，以改變分級粒度。該分級機的分級粒度范圍較廣，為0.005～0.1mm.（2）“Microplex”氣流分級機這種分級機利用離心力場進行分級。物料由進料口進入分級室，氣流由空氣入口進入可調(diào)導板的外側，穿過導板后形成渦流；在離心力和空氣粘滯力的作用下物料進行分級。粗粒級物料由螺旋運輸機排出，細粒級物料由風機送入循環(huán)室。該分級機的分級粒度范圍為2～40μm.這種設備的缺點是容易在可調(diào)導板之間產(chǎn)生堵塞，引起風量波動，降低分級的精度。

　　（3）“Turboplex”ATP型超微細分級機這種設備是原德國Alpine公司研制的新型渦輪式超細分級機。這種分級機有上部給料和物料與空氣一起從分級機下部給入式兩種裝置，單輪式和多輪式兩種型式。ATP型超微細氣流分級機具有分級粒度細、精度較高、結構較緊湊、磨機較輕及處理量大等優(yōu)點。一般作為配套設備裝備于Alpine公司生產(chǎn)的流態(tài)化逆向噴射磨系統(tǒng)。國外利用慣性力場進行氣力分級的分級機主要有射流分級機和Virtual-Im鄄pacter分級機等。

　　國內(nèi)超細深加工技術現(xiàn)狀國內(nèi)超細粉碎起步較晚，于上世紀80年代初期開始。主要靠引進國外先進設備和技術為主，開始幾年引進了各種類型的氣流磨、高速沖擊式粉碎機、攪拌磨、振動磨和相應的粉碎、分級技術。國內(nèi)很多研究院所、大專院校、工礦企業(yè)以消化吸收為主進行了大量的研究和部分仿制工作，并取得了很大的成績。但總的來說，國內(nèi)研制的微細粉碎機種類不多，生產(chǎn)能力不大，設備的性能和生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量還達不到發(fā)達國家的先進水平。目前，研制投入市場超細粉碎機及分級設備主要有：

　?。?）氣流磨國內(nèi)的氣流磨生產(chǎn)廠家主要分布在上海、綿陽、宜興、長沙、合肥、青州、沈陽、北京、武漢及梨樹等地，生產(chǎn)機型比較全，產(chǎn)品已形成一定的系列，在防磨損方面也取得了較大進展，如金剛石內(nèi)襯氣流磨。另外，世界上較新的機型——流化床氣流磨的生產(chǎn)廠家比較多，這是我國氣流磨制造業(yè)的一個顯著特點。但是，部分廠家由于種種原因只生產(chǎn)一種機型和1～2個品種，年銷量也很小。從介質(zhì)來說，國內(nèi)目前基本上都是采用空氣，尚未見采用過熱蒸氣的系統(tǒng)。此外，設備的材質(zhì)、加工精度等與國外高質(zhì)量同類設備相比也不同程度地存在一些差距。

　　（2）高速沖擊式超細粉碎機機械沖擊式超細粉碎設備是我國近幾年發(fā)展較快的超細粉碎設備之一。部分國產(chǎn)設備在性能方面與國外同類設備相近，甚至還有其新特點。這種超細粉碎設備雖然總體來說，產(chǎn)品細度不如氣流磨，但具有工藝簡單、投資少、能耗低、粉碎比大等特點，比較適合一些附加值不高的中低硬度非金屬礦物的超細粉碎（生產(chǎn)1000目±的產(chǎn)品）。近年來，這類設備在非金屬礦物加工行業(yè)的銷售量逞強勁增長勢頭。

　　在這方面，咸陽非金屬礦研究設計院重用一批經(jīng)驗豐富的采、選、非礦深加工制品研究、機械設計、計算機、化工等方面的專家。并多次派專業(yè)技術人員到國外進行專業(yè)考察和培訓，及時掌握和跟蹤國內(nèi)外該領域內(nèi)的最新技術和發(fā)展動向，完成了國家重點企業(yè)技術開發(fā)項目“沖擊式氣流粉碎機”、國家“八五”科技攻關項目“QF-5、QF-300型空氣分級機研制”、國家“八五”科技攻關滾動項目“沖擊式超細粉碎與分級機成套設備研制”。在沖擊式干法超細粉碎和分級方面取得重大突破性進展，并采用全部國產(chǎn)材料，采用模擬放大理論和工藝技術，制造生產(chǎn)出了CXF-31型、CXF-41型、CXF-51型、CXF-61型系列成套設備各項技術指標均達到或超過國際先進水平，目前已在國內(nèi)銷出200余套，銷往東南亞和非洲10余套。并在院內(nèi)建成既能供用戶看樣訂貨，又能承擔礦物來料超細加工，集參觀考察、生產(chǎn)示范、試驗研究、深度開發(fā)為一體的“科技示范線”。

　?。?）攪拌磨我國攪拌磨機的生產(chǎn)起步較晚。國產(chǎn)濕式攪拌磨、剝片機已經(jīng)在高嶺土、方解石、鋯英砂（石）等的超細加工中得到應用，效果良好。在高嶺土及方解石的超細加工中實現(xiàn)了產(chǎn)品中-2μm達90%以上，可獲得高品質(zhì)造紙涂料及涂料顏料級產(chǎn)品。與濕式攪拌磨相比，干式攪拌磨可以減少后續(xù)脫水和干燥作業(yè)，簡化工藝和降低生產(chǎn)成本，因而是一種應用前景看好的設備。其中國產(chǎn)大型攪拌磨在涂料級重質(zhì)碳酸鈣和高嶺土的超細加工生產(chǎn)過程中，單機生產(chǎn)能力已達到2t/h（d90<2um）以上。目前，國內(nèi)生產(chǎn)攪拌磨的廠家主要分布在長沙、鄭州、魯南、江陰、北京等地。總的來說，國產(chǎn)攪拌磨還存在品種規(guī)格少、綜合配套性能較差等問題，因而使其適用性受到一定限制。

　?。?）振動磨是一種效率較高的超細粉碎設備，雖然國內(nèi)有一些生產(chǎn)廠家，但由于多數(shù)機型采用鋼襯板和以鋼棒作磨礦介質(zhì)，因而難以廣泛用于非金屬礦的超細粉碎。近幾年，在研制生產(chǎn)適用于超細粉碎的振動磨方面，我國也有一些進展。如某公司產(chǎn)設備給料-100目，經(jīng)過20h的研磨，-4μm產(chǎn)品達95%，中粒粒徑達0.49μm.國內(nèi)生產(chǎn)振動磨的廠家主要分布在溫州、江都、新鄉(xiāng)、煙臺等地。但總的來說，我國超細振動磨與工業(yè)發(fā)達的日本、德國等相比還有一定差距。在品種規(guī)格、襯板、介質(zhì)以及工藝配套等方面還要做很多工作，才能使這種設備滿足不同物料的超細粉碎加工要求。

　?。?）其他傳統(tǒng)型磨機，如球磨機，棒磨機，輥磨機，塔磨機，柱磨機等在非金屬礦超細深加工方面都有應用。特別是把球磨機與大處理量分級設備配合使用于重質(zhì)碳酸鈣的干法生產(chǎn)中，可使單機產(chǎn)量5~7t/h（d97=5-45um）。

　　發(fā)展與展望

　?。?）提高現(xiàn)有設備的性能，增加品種型號，逐漸實現(xiàn)系列化、成套化和標準化。國內(nèi)現(xiàn)有超細粉碎設備和分級設備的機型不少，但是還普遍存在同一機型品種規(guī)格少、系列化程度不高等不足，給用戶選型帶來不便。因此研制生產(chǎn)能力從小到大，能滿足不同性質(zhì)物料和不同細度、不同產(chǎn)品質(zhì)量要求的定型的和成套的系列設備應為今后研發(fā)的重點。

　?。?）實施非金屬礦粉體深加工與表面改性為一體的設備一體化工藝創(chuàng)新技術，在現(xiàn)有成果的基礎上進行具體條件優(yōu)化，實現(xiàn)大工業(yè)化生產(chǎn)應用，優(yōu)先開發(fā)綠色環(huán)保功能材料和尖端國防材料。

　?。?）研究效率高，能耗低，粉體比大，適用于范圍廣的非金屬礦粉體深加工工程技術及裝備，重點研究干、濕法超細粉磨及分級、集料、脫水、干燥、煅燒、工藝技術。加大粉體深加工工程技術與其他相關學科交叉性研究的力度。拓寬非金屬礦粉體深加工技術及裝備的應用范圍。

　　（4）提高設備機械化與自動化技術水平，增進加工過程智能化控制水平，重點研制和應用在線快速監(jiān)測技術和儀器。

　?。?）盡快制定相應的超細粉碎和分級設備的行業(yè)或國家標準。