我国粉碎设备的现状及发展方向
2020-12-18 17:42:45
1、概述
超细粉碎机及超细分级机的发展及使用与非金属矿物工业的发展是密不可分的，尤其是近来，我国非金属矿物工业的发展以及破碎机行业的发展使得超细粉碎及超细分级技术也得到了进一步提高。因此，以非金属矿物工业的发展为背景，来分析我国超细粉碎机及超细分级机的现状及其发展的市场空间。
2、我国非金属矿物工业粉碎设备的现状及其制备问题
目前中国的非金属矿物工业已具有相当大的规模，产量和出口量都呈现增长趋势。但国产的产品质量和档次不高，不能满足现代的高新技术和新材料产业发展的要求，许多非金属矿物深加工产品还要依赖进口，如国内高中档玻璃原料及电子级球形硅微粉完全依赖进口。非金属矿物许多都是白色矿物，对其进行非金属矿物深加工作业的第一基本要求就是提高其白度，其次就是保护石墨类鳞片和带有纤维类矿物的矿物纤维。了解矿物的特性和对其深加工的要求，可以巧妙地组合工艺流程，达到节能、环保、简易，且得到最好的精矿品位和最好的回收率的目的。对非金属矿物进行超细加工的目的主要是开发非金属矿物在超微(细)粉体状态的特殊性能。
2.1充分发展小颗粒的各种效应
发展小颗粒粒子的各种效应是我们研究超细粉体的基本目的。由于超微(细)粉体将会带来量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应，这对开发非金属天然纳米材料(如石墨、沸石、高岭土、硅藻土、珍珠岩等)和合成的非金属矿物纳米材料(如碳酸钙、钛白粉、二氧化硅、炭黑等)的用途都是十分重要的。
2.2先有高纯化，再有超细化
高纯化是为防止外来杂质的干扰，进而充分体现物质本身的特性。许多产品没有高纯化就没法体现其价值，例如W(SiO2)为99.99%的超细粉目前我国仅限于试验室成果，还没有工业化实践，而进口的高档产品价格可达15万吨，W(ZrO)为99.999%的超细粉价格为普通耐火材料用ZrO粉的300多倍。有了纯度，才有可能谈超细化，否则有了细度但是纯度不够要求，这等于是浪费人力、物力及财力。20年以前超微细粉体的研究对象是粒径3m以上的粉体，十年以前则是粒径1m以上的材料，而近几年来已进展到研究纳米级的。随着颗粒粒径的变小，材料本身更多的特性也将被开发。
2.3功能化与复合化的可能
功能化与复合化是人们对材料性能追求的结果，也是高新技术发展对材料的需求。人们对超微细粉体在某些方面的独特功能进行研究并加以利用，同时人为地赋予它新功能，使其更好地为人们服务。
2.4精细化与特殊要求的关系
粉体材料的精细化涉及到它的粒径、粒度分布、颗粒形状、比表面积、孔容、孔径、晶相、导电率、磁性、光吸收率、光导率等一系列的特性。不同特性的粉体在应用方面具有不同的效果。例如我们通常所用的用于封装材料的SiO粉，颗粒形状不同(角形粉和球形粉)其封装结果则完全两样;产品粒度分布不同，其结果也相差许多。
3、我国超细粉碎机与超细分级机的研发
同时,在其开发利用及其深加工过程中还必须考虑人类的生存和可持续发展,注意环境保护。未来非金属矿物原料或材料总的发展趋势是高纯、超细和功能化。以高纯超细非金属矿物深加工原料为龙头,综合开发利用各种非金属矿产。虽然可以通过化学合成法制备高纯超细粉体,但成本过高,至今未能用于工业化生产。获得超细粉体的主要手段仍然是机械粉碎方式,用机械方式制取超细粉体所依赖的超细粉碎与分级技术的难度不断增大,其研究深度永无止境。超细粉碎技术是多方面技术的综合,其发展也有赖于相关技术的进步,如高硬高韧耐磨构件的加工、高速轴承、亚微米级颗粒粒度分布测定等。因此,超细粉碎技术的发展应集中在以下几个方面。
(1)开发与超细粉碎设备相配套的精细分级设备及其它配套设备。
超细粉碎与分级设备相结合的闭路工艺,可以提高生产效率,降低能耗,保证合格产品粒度。可以说,大处理量、高精度分级设备是超细粉碎技术发展的关键。要更多地从整个工艺系统的角度来进行研究与开发,在现有粉碎设备的基础上改进、配套和完善分级设备、产品输送设备等其它辅助工艺设备。
(2)提高效率,降低能耗,不断提高和改进超细粉碎设备。
超细粉碎技术的关键是设备,因此,首先要开发新型超细粉碎设备及其相应的分级设备,后者似乎更为迫切。助磨剂和表面活性分散剂将应用于超细粉碎工艺中。
(3)设备与工艺研究开发一体化。
超细粉碎与分级设备必须适应具体物料特性和产品指标,规格型号多样化,而不存在对任何物料都是高效万能的超细粉碎与分级设备。
(4)开发多功能超细粉碎和表面改性设备。
如将超细粉碎和干燥等工序结合、超细粉碎与表面改性相结合、机械力化学原理与超细粉碎技术相结合,可以扩大超细粉碎技术的应用范围。借助于表面包覆、固态互溶现象,可制备一些具有独特性能的新材料。
(5)开发研究与超细粉碎技术相关粒度检测和控制技术。
超细粉碎的粒度检测和控制技术,是实现超细粉体工业化连续生产的重要条件之一。粒度测试仪器与测定的控制技术,是与超细粉碎技术密切相关的,必须与这些领域的专家联合攻关。
超细粉碎在朝着纳米级方向进军,与此相关的低污染耐磨材料和纳米级粉体的分散及评价将成为巨大的技术障碍,在这方面的研究将会受到重视。
(6)重视超细粉碎基础理论的研究。
基础理论的研究对于超细粉碎技术的开发和应用极为重要,它的最终目的是指导实践,生产出合乎要求的超细粉体。其内容包括微细粉体粒子的粒度与表面物理化学等特性;粉碎过程的描述;超细颗粒的粉碎特性和破坏过程;超细粉碎机最优工作参数和粉碎机理的研究;不同超细粉碎方法(或机械应力的施加方式),如冲击、研磨、摩擦、剪切、压碎、剥蚀等在不同粉碎环境中的能耗规律、粉碎效率、产品细度与能量利用率以及对粉碎物料的晶体结构和物理化学性能等的影响;粉碎物理化学环境以及助磨剂、分散剂等对产品细度、物化性能和粉碎效率的影响等。如,根据不同超细粉碎方法对物料晶体结构及物化性能的不同影响,结合物料的用途,选择合适的超细粉碎工艺和设备,避免因超细粉碎加工给物料的使用性能带来不利的影响,或利用超细粉碎加工技术对粉体物料进行选择性的机械激活;通过适度地添加助磨剂,有目的地改善超细粉碎的物理化学环境,以提高粉碎效率并降低能耗等。
我国从1995至2005年10年间拥有近160个超细粉碎机专利，由此可以看出，我国超细粉碎机及超细分级机的发展概况。
3.1超细粉碎理论及实践
3.1.1超细粉碎理论研究
破碎理论是解决物料粉碎与能量消耗关系的理论基础，探索物料粉碎状态与能量消耗之间的内在联系，对指导制造更有利于粉碎、更节能的粉碎设备，对降低能耗、节约能源有重要的理论研究价值和重大的现实意义。自19世纪，提出了破碎理论的新概念以来，到上个世纪80年代加巴洛夫从结构化学的角度研究了粉碎能耗问题。破碎理论经过100多年的发展与完善，在粉碎领域起着重要的指导作用。但这些理论都在一定程度上存在不足及其局限性，从实际使用出发，三大粉碎理论都有各自的适用范围，具有一定的片面性。随着科学技术的发展，现有的理论落后于实践，传统破碎理论的缺陷与不足日显突出，在许多领域已不能起到指导作用。为此，寻求更合理、更准确、更能反映实际粉碎状态的破碎理论已迫在眉睫。物料变形、破碎过程十分复杂、它不是一个孤立系统，而是一个与外界有物质和能量交换的开放系统，也是一个由稳态一渐变一突变的螺旋式演变过程，同时伴随声、热等能量的耗散。要完整建立系统，建立物料粉碎功耗方程，需要多学科的理论做基础，在多学科交叉融合的前提下，来建立功耗方程才可能更完善和全面，才能揭示物料粉碎这一复杂系统的内在演变机理。基于流化床气流磨粉碎机理，研究了粉碎腔内的工质压强与喷嘴个数对SiC颗粒形貌的影响。提高粉碎腔内的工质压强可增加粉碎强度;粉碎腔内采用两个喷嘴以增加颗粒互相撞击的机率是制备片状SiC粉的有效方法。采用流化床式气流磨加多级涡轮分级机的粉碎系统，可以制备产品质量较好的多级别超细SiC片晶微粉。用三维黏性流动计算软件NUMECA对湍流粉碎机的吸人腔进行了定常三维紊流流场的数值模拟，得到了吸人腔内部流场的压力分布和速度分布，直观地显示了吸人腔内部的流动现象，为后续阶段的整机联算奠定了基础。用高压辊磨与搅拌磨构成的复合粉碎系统进行了湿法超细研磨碳酸钙物料的试验，试验结果表明：该系统能有效地提高物料细度并降低能耗，这可能与颗粒在高压辊磨受压后产生微裂隙有关;高压辊磨预磨次数明显地影响搅拌磨的最终产品粒度和节能效果;经模拟各种不规则形状颗粒破坏行为表明，颗粒受压时产生微裂隙的现象与其各向异性和应力分布有关。各种理论研究表明，超细粉碎理论应该与现行的三大粉碎理论有不同的表现方式，但如何能正确表现，还有待粉碎界人士共同努力去研究，期待早日出现一个完整的表达公式。做为破碎机的专业生产提示需注意：①开发粉碎细物料设备的思考方法不同于粉碎粗粒物料的;②超细粉碎机的开发应该是多力场的。
3.1.2超细粉碎机械
我国超细粉碎技术起于上世纪60年代;在引进、消化、吸收、研制一系列运作下，到上世纪80年代开始生产国产细碎颚式破碎机，如指状粉碎机、塔式磨机、气流磨等;到上世纪90年代中期，我国已基本形成自己的超细粉碎机的生产序列，但由于超细分级机要符合流体力学原理，研制难度大一些，因此研制者较少。超细搅拌磨始于1928年，1952年美国杜邦公司推出立式砂磨机，上世纪80年代Drais公司开发成功DCP环隙式搅拌磨，使粉碎分散效率大大提高。近年来，德国和日本正在研发亚微米、纳米超细搅拌磨，如S型、C型和ZR120型离心式超细搅拌磨。
4、我国粉碎设备的发展方向
现代工程技术将需要越来越多的高纯超细粉体,超细粉碎技术在高新技术研究开发中将起着越来越重要的作用。高新技术产业与非金属矿物有着密切的联系,在未来非金属矿深加工技术开发和产业发展中要考虑高新技术及其产业的发展;现代非金属深加工技术与传统产业加工技术相互渗透,其发展必须考虑传统产业的技术改造和进步;为了更好地应用有限的非金属矿资源,必须考虑其综合利用问题。