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| 研磨分散納米粉體關(guān)鍵設備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2015-05-07 11:07:49 瀏覽次數： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）最近十幾年來(lái)臥式砂磨機得到了迅速地發(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)域廣泛地應用。超細臥式砂磨機是一種高效節能的超細濕法粉碎設備．隨著(zhù)臥式砂磨機設備的超大型化和技術(shù)的不斷完善。臥式砂磨機將在金屬礦山再磨或細磨作業(yè)中越來(lái)越普遍應用。
不論是傳統產(chǎn)業(yè)提升研磨效率求快或是高科技產(chǎn)業(yè)納米化材料求細需求，大批量工業(yè)化生產(chǎn)、耐高溫、強酸、耐磨、無(wú)污染控制都同樣重要。所以細﹑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。納米砂磨機主要用于“三超”物料（超細，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、細胞及疫苗制備、軍工等領(lǐng)域。
本文將針對納米級研磨的現況及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展﹑納米級分散研磨技術(shù)的原理﹑納米級研磨機的構造﹑現有設備的來(lái)源﹑應用實(shí)例及注意事項﹑結論及建議等六大主題加以探討。
1 納米級分散研磨技術(shù)的現況與發(fā)展
隨著(zhù) 3C 產(chǎn)品之輕、薄、短小化及納米材料應用之白熱化，如何將超微細研磨技術(shù)應用于納米材料之制作及分散研磨已成為當下重要課題。一般想得到納米粉體有2 個(gè)方法。一個(gè)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，可以得到數納米粉體。唯其制造成本有時(shí)相當高，且不易放大(scale up), 同時(shí)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(shí)生產(chǎn)成本相對較低，參數容易控制，將研發(fā)實(shí)驗機臺所得到參數放大(scale up)到量產(chǎn)機臺。唯Top down 方法目前只能研磨到30 nm，但已能滿(mǎn)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(chǎng)而言，當然希望以干法研磨方法來(lái)得到最終納米粉體。但若以機械研磨方式研磨粉體時(shí)，在研磨過(guò)程中，粉體溫度將因大量能量導入而急速上升，且當顆粒微細化后，如何避免防爆問(wèn)題產(chǎn)生等均是研磨機難以掌控的。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溶劑混和，調制成適當材料。為了避免于研磨過(guò)程中發(fā)生粉體凝聚現象，所以需加入適當分散劑或助劑當助磨劑。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(guò)濾及如何將過(guò)濾后之漿料干燥以得到納米級之粉體。所以，當讀者以濕法研磨方式得到納米級粉體時(shí)，如何選擇適當的溶劑﹑助劑﹑過(guò)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(shù)脂等包覆住，以便達到顆粒完全被分離(separating)﹑潤濕(wetting)﹑分布(distributing)均勻及穩定(stabilization)目的。在做納米粉體分散或研磨時(shí)，因為粉體尺度由大變小的過(guò)程中，凡得瓦爾力及布朗運動(dòng)現象逐漸明顯且重要。所以，如何選擇適當助劑以避免粉體再次凝聚及如何選擇適當的研磨機來(lái)控制研磨漿料溫度以降低或避免布朗運動(dòng)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(shuō)明以下圖片為例做一介紹。
馬達利用齒輪箱傳動(dòng)攪拌轉子將動(dòng)力由鋯球運動(dòng)產(chǎn)生剪切力(shear force)，漿料因Pump 推力至研磨室移動(dòng)過(guò)程中與磨球因相對運動(dòng)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分離磨球與漿料之動(dòng)態(tài)大流量分離器濾網(wǎng)間隙大小時(shí)，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(guò)程為研磨1 個(gè)pass，若尚未達到粒徑要求，則可以重復上述動(dòng)作，通常大家稱(chēng)之為進(jìn)行循環(huán)研磨，直到粒徑達到要求為止。
圖（一）傳統立式攪拌磨研磨工藝流程
本系統能否成功地達到研磨或分散目的，主要靠研磨介質(zhì)（即鋯球）大小及材質(zhì)之選擇是否得當。以筆者曾規劃及實(shí)際試車(chē)數百廠(chǎng)經(jīng)驗，所選擇之磨球需為1.0.-1.8mm。同時(shí)，為了讓那么小的磨球能夠在研磨過(guò)程中不受漿料于X 軸方向移動(dòng)之推力影響而向前堵在濾網(wǎng)附近而導致研磨室因壓力太高因而停機，其攪拌轉子線(xiàn)速度需超過(guò)16m/sec 以上。同時(shí)，漿料粘度控制調整到1000 cps 以下，以便讓磨球運動(dòng)不受漿料粘度影響。同時(shí)，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(guò)程中因粉體比表面積之增加而導致粘度上升而無(wú)法繼續使用小磨球。當然，為了避1.0mm以下的磨球從動(dòng)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﹑研磨前細度(start fineness)、(最終要求細度)Target之粒徑做準備并滿(mǎn)足表（一）需求。
(3) 預攪拌或前處理系統攪拌轉子轉速需為高線(xiàn)速度 (High speed) 設計。建議切線(xiàn)速度為10-23 m/sec 以避免漿料沈淀或不均勻問(wèn)題產(chǎn)生。
2）超大型臥式砂磨機部份
為了快速達到研磨粒徑要求且使研磨機可以正常地運轉，所需控制之法則及參數如下：
(1) 依照所需粒徑要求選擇適當的磨球。例如，若需達到超細粉體要求且避免磨球損耗，需選擇釔穩氧化鋯磨球，莫氏硬度越大越好，磨球表面需為真圓，沒(méi)有孔隙，磨球大小為1.2-1.8mm。磨球選擇適當與否將會(huì )決定能否成功地研磨到所欲達到粒徑要求。
(2) 依據磨球大小及漿料黏滯性調整適當的攪拌轉子轉速。一般冶金、礦業(yè)、非金屬礦物材料、化工、陶瓷和新材料超細粉體研磨，轉速需達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為控制轉子轉速﹑磨球充填率﹑研磨桶熱交換面積大小﹑冷卻水條件及流量。
(4) 依據磨球大小選擇適當動(dòng)態(tài)分離系統間隙。一般間隙為磨球直徑之1/2～1/3。
(5) 調整進(jìn)料泵的轉速。在研磨桶可以接受壓力范圍內，進(jìn)料泵的轉速越大越好，一般選擇 HP 工業(yè)級軟管泵。
如此，可以于同一研磨時(shí)間內增加漿料經(jīng)過(guò)研磨機研磨次數以得到較窄粒徑分布。
(6) 記錄研磨機所需消耗之電能kW 值。
(7) 取樣時(shí)，記錄每個(gè)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(lái)Scale up 用。
(8) 達到所需比能量值時(shí)即可停機。此時(shí)，原則上已達到所需研磨分散平均粒徑要求了。
3、展望市場(chǎng)，設備超大型是必經(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、窄粒級超細攪拌球磨機。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，需要具有細磨和擦洗作用的大型攪拌球磨機。
由于造紙行業(yè)發(fā)展迅速，將帶動(dòng)CaCO3需求量增長(cháng)，勢必帶動(dòng)大型現代化造紙鈣生產(chǎn)基地的建立和完善?，F在如太陽(yáng)紙業(yè)集團高旭公司、晨嗚紙業(yè)集團、岳陽(yáng)林紙集團紛紛建立大型造紙鈣衛星生產(chǎn)基地，至少年產(chǎn)5～10萬(wàn)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)有限責任公司年產(chǎn)15萬(wàn)噸銅冶煉項目環(huán)境影響報告書(shū)得到了國家環(huán)境保護部正式批復；馳宏鋅鍺公告稱(chēng)，公司全資子公司呼倫貝爾馳宏礦業(yè)有限公司（下稱(chēng)“呼倫貝爾公司”）14萬(wàn)噸鋅/年、6萬(wàn)噸鉛/年冶煉項目實(shí)際投資超出計劃14.2305億元。為進(jìn)一步保障項目建設資金的連續性，呼倫貝爾公司擬將總投資由原來(lái)的33.9874億增加到48.2179億元；國有企業(yè)中國有色礦業(yè)集團有限公司旗下子公司計劃通過(guò)非公開(kāi)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(gè)稀土工廠(chǎng)。這可能意味著(zhù)中國再次對這種具有戰略意義的礦產(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、現代化生產(chǎn)發(fā)展，例如國內的中國高嶺土公司、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(dòng)化大生產(chǎn)。
工業(yè)礦物粉體的制備，且價(jià)格相對低廉，因此需要處理量大的加工設備。研制產(chǎn)品粒度細且分布均勻、處理量大的大型超細攪拌磨機對于工業(yè)礦物粉體的深加工是當務(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)，就需要大型超細攪拌磨機制備亞微米級
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(shí)用、能耗省且價(jià)格適中的大處理量、窄粒級超細超大型臥式砂磨機。
球磨機磨礦，因普通臥式球磨機磨礦效率低、產(chǎn)品粒度達不到要求、礦物沒(méi)有達到單體解離，所以鐵品位只能在53~55%之間。超大型臥式砂磨機是金銀礦、鉬礦、銅礦、鎳礦、鉛鋅礦、鐵礦再磨或細磨最具有發(fā)展前景、能量利用率高、產(chǎn)品粒度細的一種細磨設備，另外，由于該設備結構簡(jiǎn)單、操作維護方便，從而被廣泛應用于黃金礦、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(mǎn)足細﹑快﹑更少污染﹑”納米級粉體研磨要求，需滿(mǎn)足下列條件：
1) 先認清研磨材料之特性要求。
2) 根據材料特性要求找到適當研磨機。
3) 搭配適當配套設備，如冰水機﹑壓縮空氣機、預攪拌機及移動(dòng)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，以便調整最佳配方與研磨條件，提高納米粉體相容性。
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