（中國粉體技術網/班建偉）超細粉體的制備,在現代材料產業中發揮著越來越重要的作用。而材料的破碎對能源的消耗非常大。據統計,在現代工業中,約80%的能源被用于材料的破碎和粉磨。實踐證明:在對材料進行粉碎和破碎時,采用適當的助磨劑可以提高研磨產量、降低能耗。但是,由于助磨劑的作用效果具有明顯的選擇性,不同種類的物料,所需要的助磨劑的種類、用量和用法均有所不同。
1 助磨劑概述
助磨劑是在磨碎過程中向磨機系統添加的化學藥劑的總稱。其作用主要是提高磨礦效率、加快礦石顆粒的破碎速度,并由于藥劑的分散作用,而改變礦漿的流變學特征,有的還可以對鋼球和襯板起緩蝕作用,最終達到降低能耗、鋼耗和進行選擇性磨碎的目的。
關于助磨劑的作用機理目前主要有以下兩種觀點。一是“吸附降低硬度”學說,首先由列賓捷爾(Rehbinder)和維斯特沃德(West-wood)提出,稱之為“Rehbinder”或“West-wood”效應。該學說認為助磨劑在顆粒上的吸附降低了顆粒的表面能或者引起近表面層晶格的位錯遷移,產生點或線的缺陷,從而降低顆粒的強度和硬度,同時阻止新生裂紋的閉合,促進裂紋的擴展。
二是“礦漿流變學調節”學說,由克蘭帕爾(Klimpel)等人提出。該學說認為助磨劑通過調節礦漿的流變學性質和礦粒的表面電性等,降低礦漿的粘度,促進顆粒的分散,從而提高礦漿的可流動性,阻止礦粒在介質和襯板上的粘附以及顆粒之間的團聚。
在物料粉碎過程中,物料通常受到不同種類應力的作用,導致物料形成裂紋并擴展,然后被粉碎。根據格里菲斯定律,脆性斷裂所需的最小應力與物料的比表面能成正比。顯然,降低顆粒的表面能,可以減小使其斷裂所需的應力。從顆粒斷裂的過程來看,助磨劑分子在新生表面的吸附可以減小裂紋擴展所需的外應力,促進裂紋的擴展。所以,從這一點上說,能夠降低固體表面能的化學物質可以降低顆粒的強度,因而可以提高粉碎效率或降低粉碎能耗。
除了上述顆粒的強度和硬度外,從粉碎工藝考慮,影響研磨效率和能耗的主要因素還有礦漿質量分數、粘度以及物料的分散狀態、物料與研磨介質及磨機襯板之間的作用等等。這些因素都影響磨機內物料的流動性。因此,在一定程度上改善磨機內物料的流動性可以提高粉碎效率。
助磨劑改善了干粉或料漿的可流動性,明顯改善了物料連續通過磨機的速度,因而影響物料粉碎工藝過程;此外,流動性的改善還影響顆粒在磨機中的分布及研磨介質的研磨作用；助磨劑的存在通過其保持顆粒之間良好的分散性阻止顆粒之間的相互團聚或粘結。從這個意義上講,助磨劑是能夠降低礦漿粘度并提高礦漿流動性的物質。
2 助磨劑的應用研究現狀
助磨劑在實際應用時,除了要求合適的助磨劑品種外,助磨劑的用量對助磨效果有很重要的影響,用量較小時,助磨效率不明顯;用量太大時,不僅不能起到助磨的作用,還有可能起到“阻磨”的作用。因此,客觀上要求對各種不同物料的不同助磨劑及其用量進行試驗研究。在考慮品種和用量的前提下,還應考慮其經濟性、環保要求(無毒、無污染)以及研磨產品的質量要求。
劉春明等曾對助磨劑的開發與研究進展進行了綜述。指出助磨劑的作用有助磨作用、分散作用、降粘作用、緩釋作用及選擇性磨礦作用?？梢杂米髦┑奈镔|很多,按物質狀態可以分為固體、液體和氣體助磨劑。固體助磨劑主要有硬脂酸鹽類、膠體二氧化硅、炭黑、氧化鎂粉、膠體石墨以及石膏等。液體助磨劑包括表面活性劑、分散劑等,如三乙醇胺、聚丙烯酸酯、甘醇、聚羧酸鹽、甲醇、乙醇、異戊醇等等。氣體助磨劑包括丙酮、硝基甲烷、甲醇、水蒸氣以及四氯化碳等等。
起初的助磨劑研究主要集中在水泥和磷肥生產過程助磨方面。生產水泥需要經過生料的粉碎、熟料燒成和水泥的粉碎等過程。大量的能源被用于水泥生產過程的物料粉磨。因此,尋求合適的、經濟性好的助磨劑對于降低水泥生產的能耗、降低生產成本有十分重要的意義。經常用于水泥粉磨的助磨劑有煤、焦炭等炭素物質,以及表面活性劑物質,如亞硫酸鹽紙漿廢液、三乙醇胺下腳料、醋酸鈉、乙二醇、丙二醇及其與尿素的復合助磨劑等。
粉磨水泥時,使用炭素物質的量不能超過1%,立窯廠磨制黑生料時,無嚴格限制。當用亞硫酸鹽紙漿廢液的濃縮物時,其加入量為0.15%～0.25%,加入過多會影響水泥的早期強度;當用三乙醇胺下腳料時,一般加入量為0.05%～0.1%,在水泥細度不變的情況下,可以消除細粉的粘附現象,提高粉體之間的分散性,使產量提高10%～20%,還有利于水泥早期強度的發揮。但是加入量過多會影響水泥強度。
曾冬銘等研究了用無機礦物作載體的AS復合助磨劑,該助磨劑克服了有機助磨劑在高溫、干燥環境下被分解而失效的難題。試驗及應用表明,該復合助磨劑能使水泥磨產量提高25%左右,單位電耗降低20%左右,早期強度提高25%左右,同時可大幅度增加礦渣的摻量,使水泥生產成本降低。
姚丕強等報道了一種水泥高效助磨劑———9911系列高效助磨劑。工廠的生產實驗結果表明,該助磨劑可以使水泥的臺時產量提高20%左右,同時水泥的強度也有所提高。江朝華等對硅酸鹽類水泥用助磨劑進行了試驗研究。他們用A(醇類強極性分子)、B(酸類強極性分子)、C(醇胺類強極性分子)等三種小極性分子作為普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥、粉煤灰水泥的助磨劑進行了試驗研究。結果表明,三類助磨劑都可以提高這些水泥品種的流動性,有很好的助磨作用。
楊華明等對攪拌磨超細粉碎滑石的工藝進行了試驗研究,研究表明,使用介質攪拌磨可以生產平均粒徑小于1μm的超細滑石粉。該工藝使用六偏磷酸鈉為助磨劑。助磨劑的存在使滑石粉表面的ξ電位負的更大,增加了粉體之間的排斥力,促進了粉體顆粒之間的分散。
吳一善等對滑石粉碎過程中助磨劑種類對研磨效果的影響進行了試驗研究。結果表明,三乙醇胺是滑石濕磨的最佳助磨劑,具有分散作用的丙酮、乙醇也可以作為滑石的助磨劑;三乙醇胺和乙醇混合使用則不如單獨使用;三乙醇胺主要通過降低礦漿粘度、改變礦漿流變性,從而提高磨礦效率,同時,三乙醇胺還具有提高滑石顆粒分散性的作用。
杜高翔等對使用攪拌磨超細粉碎水鎂石粉時助磨劑的應用效果進行了試驗研究。試驗中分別選用9400分散劑(主要成分為聚丙烯酸鹽)、WP-19分散劑(陽離子型羧酸共聚物)、5060分散劑(丙烯酸與丙烯酸酯共聚物)、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺等作為助磨劑在相同的實驗條件下進行比較,結果表明三乙醇胺的助磨效果最好。三乙醇胺用量試驗的結果表明,三乙醇胺用量為水鎂石質量的0.5%時,助磨效果最佳。
胡永平等對助磨劑在白土礦物磨礦中的應用進行了研究。結果表明,助磨劑的作用效果依次為:石油磺酸鈉>TF279>三乙醇胺>油酸鈉。當石油磺酸鈉的用量為0.155%時,其-500目產率可由76.5%提高到84.9%。另外,NaOH、碳酸鈉和六偏磷酸鈉等對白土礦物也有一定的助磨效果。
P.B.Rajendran Nair等研究了間歇式攪拌磨超細粉碎方解石的過程中助磨劑的作用。他們將硬脂酸鈣添加到研磨體系中,測試研磨樣品的堆積密度、內摩擦角等參數。研究結果表明,所得樣品的堆積密度因助磨劑的存在而有所增加,而內摩擦角、壓縮系數、有效摩擦角、拉伸強度等參數則有所減小。且這種變化隨著超細粉碎的進一步進行而更加明顯。
Laurence Godet-Morand等對對撞式氣流磨超細粉碎滑石進行了研究。研究結果顯示,在超細研磨過程中,使用液體助磨劑A、A+B、A+C對提高滑石的粉碎速率和降低研磨產品粒度都有影響。其中A為最佳助磨劑。而單獨添加助磨劑C對滑石的研磨過程和產品粒度幾乎沒有影響。
C.Frances等分析了間歇式球磨機的濕式研磨過程。分析結果表明,使用間歇式球磨機對氫氧化鋁粉進行研磨時,使用偏磷酸鈉作為助磨劑有較好的效果。
M.Hasegawa等系統地分析了液體助磨劑對干法粉碎石英的助磨效果,并對助磨劑的作用機理進行了分析。試驗中所用的助磨劑為幾種醇類和乙二醇類有機液體。結果表明,幾種醇類和乙二醇類有機物液體對石英的研磨細度有明顯的影響,加入助磨劑后研磨出的超細石英粉的最大比表面積較沒有加助磨劑的產品大。而甘油和水對石英沒有助磨作用。
徐政等對重鈣濕式振動超細磨中助磨劑的應用進行了研究,通過對-325目重鈣在振動磨中的試驗研究表明,所選4種助磨劑都有一定的助磨效果,但以六偏磷酸鈉和X2的助磨效果最佳,其最佳用量為0.5%,最適宜的磨礦質量分數為60%。同時還發現,助磨劑的用量有一個適用范圍,當用量超過這個范圍時,助磨效果就會變差。
3 結語
粉體的制備在現代工業、經濟和生活中發揮著越來越重要的作用。經過系統的實驗研究,選擇價格低廉、助磨效果好、不影響粉體材料使用性能的助磨劑,可以降低產品能耗,提高產品質量和產量。我們應該在前人研究的基礎上,繼續進行助磨劑的作用規律和機理等方面的研究工作,以期更好地提高粉體加工的效率和降低能耗。
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