粉碎设备的研究与发展论文

郑水林1 郭力2

（1.中国矿业大学，北京 100083；中材国际咸阳非金属矿研究设计院，陕西咸阳 712021）

摘要 进入21 世纪以来，伴随造纸、塑料、橡胶、涂料、陶瓷等相关工业部门产品产量的迅速增长和产品质量要求的提高，中国内地非金属矿物超细粉体的产量以年均10%以上的速度增长，2006年各种超细粉体的总产量已超过500×104t。在强劲市场需求的拉动下，非金属矿物超细粉体加工技术与设备也取得了显著进步。本文综述了中国非金属矿超细粉碎、精细分级技术与设备发展现状以及最新进展［1～13］。

关键词 非金属矿；超细粉碎；精细分级。

作者简介：郑水林，男，生于1956年，中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院教授，博士生导师，长期从事非金属矿物选矿和深加工的教学与研究。Email：。

郭力，男，生于1955年，高级工程师，现任中材集团西安工程公司总工程师，《中国宝玉石》杂志总编，自1982年以来一直从事非金属矿选矿和超细深加工技术方面的研究开发工作。

中国工业化超细粉体加工、超细粉碎与精细分级设备的制造始于20世纪70年代末和80年代初。迄今为止，中国超细粉碎技术与设备的发展大体上经过三个阶段。从20世纪80年代初至80年代中期以引进国外技术和设备为主，期间国内的超细粉碎技术、设备制造和工艺刚刚起步，许多方面还基本上是空白。20世纪80年代中期至90年代中期是引进国外技术、设备与国内仿制、开发同步进行的时期，中国的超细粉碎设备体系和超细粉碎技术大体上是在这一阶段形成和发展起来的，现今主要的超细粉碎设备制造厂商也基本上是在这一时期建立起来的。20 世纪90年代中期以后，进入了自主开发和制造为主、引进为辅的阶段，这期间建立的超细粉体加工厂大多采用国产技术和设备。从1996年至今，具有自主知识产权或发明专利的超细粉碎技术和设备的数量较前10年显著增加，设备的处理能力、单位产品能耗、耐磨性、工艺配套和自动控制等综合性能显著提高，与国外先进技术和设备综合性能的差距逐渐缩小。

一、超细粉碎

目前工业上所用的超细粉碎方法主要是机械力方法。主要设备类型有气流磨、高速机械冲击磨、搅拌球磨机、研磨剥片机、砂磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、行星式球磨机、塔式磨、旋风自磨机、高压辊（滚）磨机、高压水射流磨机、胶体磨等。其中气流磨、高速机械冲击磨、旋风自磨机、高压辊（滚）磨机等为干式超细粉碎设备，研磨剥片机、砂磨机、高压水射流磨机、胶体磨等为湿式粉碎机，搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、行星式球磨机、塔式磨等既可以用于干式也可以用于湿式超细粉碎。表1所示为上述各类超细粉碎设备的粉碎原理、给料粒度、产品细度及应用范围。

气流磨机主要有扁平（圆盘）式、循环管式、流化床逆向对喷式、旋喷式或气旋式等几种机型和数十余种规格（图1）。这些气流磨主要用于滑石、石墨、硅灰石等非金属矿物的超细粉碎加工。

机械冲击或旋击式超细粉碎机是国内非金属矿行业应用较多的超细粉碎设备，广泛应用于煤系高岭土、方解石、大理石、白垩、滑石、叶蜡石等中等硬度以下非金属矿物的超细粉碎加工。图2所示为用于非金属矿物填料和颜料超细粉碎的机械冲击式磨机。

表1 超细粉碎设备类型及其应用

图1 气流粉碎机

（a）水平圆盘式气流磨粉碎机；（b）循环管气流粉碎机；（c）流化床逆向喷射气流磨的结构；（d） LHY型气旋式气流粉碎机；（e） JFC射（气）流粉碎机

介质超细研磨机包括搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、行星式球磨机和研磨剥片机、塔式磨、砂磨机等几种类型。依搅拌机构的不同，搅拌球磨机有轴棒式、圆盘式、螺旋式及棒盘复合式等几种机型（图3）。这种搅拌球磨机已用于高岭土、重质碳酸钙、云母、滑石等的超细研磨。超细振动球磨机有单筒、双筒式等机型（图4），已应用于石墨、石英、方解石等非金属矿的细磨和超细磨。用于超细粉碎的旋转筒式球磨机的结构特点是磨机的径长比较大（图5），使用球或钢段作研磨介质，在生产中常与分级机构成闭路粉碎作业，这种球磨机—分级机干式闭路作业广泛应用于超细重质碳酸钙的生产。研磨剥片机主要有20 L、80 L、300 L和500 L等几种机型（图6），采用多级串联配置、连续湿法研磨方式，自1994年以来已在煤系高岭土和重质碳酸钙的湿法超细粉碎生产线中使用。砂磨机主要有卧式和立式两种机型（图7），主要用于颜料、重质碳酸钙、高岭土等的超细粉碎和分散。

图2 机械冲（旋）击式超细粉碎机

（a） LHJ型机械粉碎机；（b） CM51A型超细粉磨机；（c） JCF1000型冲击磨

图3 搅拌球磨机

（a） CYM型连续搅拌磨；（b） LXJM超细搅拌磨机；（c）立式螺旋搅拌磨（塔式磨）

图4 超细振动球磨机

（a）MZD单筒式振动磨机；（b）MZ型双筒超细振动磨

图5 球磨机

图6 BP 型研磨剥片机（300 L，500 L）

图7 砂磨机

（a）SEM型卧式砂磨机；（b）FSW-40型卧式棒销砂磨机

辊磨机和滚轮磨是利用碾（挤）压作用和摩擦作用使物料粉碎，再配置精细分级设备生产超细填料和颜料的设备，目前的机型主要有VRM型滚轮磨、辊磨机和环辊磨（图8）。

图8 滚轮磨和辊磨机

（a） VRM型滚轮磨；（b）辊磨机；（c） HLM内分级离心环辊磨

高压射流式粉碎机或超细剥片均化机是一种利用高压（20～60MPa）射流的强大冲击力和压力突然降低的穴蚀效应使物料因冲击和爆裂作用而被粉碎的一类湿法粉碎设备（图9）。这种设备已在云母和高岭土的细粉碎和超细粉碎，以及二氧化钛颜料的分散解聚等中得到应用。

图9 CYB 型高压均浆机

（a）外形图；（b）工作原理

图10 JM 系列胶体磨

胶体磨是利用一对固定磨体（定子）和高速旋转磨体（转子）的相对运动产生强烈的剪切、摩擦、冲击等作用力，使被处理的物料通过二磨体之间的间隙，在上述诸力及高频振动的作用下，被有效地粉碎和分散的设备。国产胶体磨主要有JTM、JM、DJM三种型号，直立式，傍立式和卧式三种机型（图10）。目前主要用于胶体石墨的加工和涂料颜料的分散。

二、精细分级设备

在非金属矿物的超细粉碎工艺中，除了超细粉碎作业之外，还须配置精细分级作业。

根据分级介质的不同，精细分级机可分为两大类：一是以空气为介质的干法分级机，主要是转子（涡轮）式气流分级机；二是以水为介质的湿法分级机，主要有超细水力旋流器、卧式螺旋离心机的沉降式离心机等。表2列出了国产主要精细分级机的性能及应用。

表2 各主要精细分级机的性能及应用

图11所示为目前国内工业上主要的干式精细分级机。这些干式精细分级机基本上都与相应的机械冲击式超细粉磨机或气流磨配套使用，其分级粒径可以在d973～20μm的范围内进行调节。依分级机规格或尺寸的不同，单机生产能力从数十千克/时到7000 kg/h左右不等。

图11 主要的干式精细分级机

（a） QF 5A型微细分级机；（b） FQZ型超细分级机；（c） MSS型精细分级机；（d） ATP单轮分级机；（e） ATP多轮分级机；（f） LHB型涡轮式精细分级机组；（g） FJW500×6超细分级机

湿式分级机主要有两种类型：一是基于重力沉降原理的水力分级机；二是基于离心力沉降原理的旋流式分级机，这类分级机包括沉降离心机，如卧式螺旋离心分离（级）机、小直径水力旋流器、LS离旋器、GSDF型超细水力旋分机等机型（图12），分级粒径可达到1～5μm。

图12 主要的湿式精细分级机

（a） LW（WL）型螺旋卸料沉降离心机；（b） D型螺旋卸料沉降离心机；（c）沉降离心分级机；（d）碟片式离心分级机；（e）超细水力旋分机；（f）旋流器组

三、技术进展

（一）非金属矿超细粉体干法加工技术

1.精细分级技术

自1985年以来，干法分级技术取得了显著进展。1985年最先进的精细分级机的产品细度d97＜10μm；1992年d97≤6μm；2000年d97≤μm；2002年d97≤μm。生产能力（d97≤10μm，GCC）：1985年500 kg/h；1990年1000 kg/h；1995年2000 kg/h；2000年4000 kg/h；2005年7000 kg/h。

2.机械冲击式超细粉碎机

高速机械冲击式粉碎机是主要的干法超细粉碎设备，常与精细分级机构成闭路作业，具有粉碎比大，工艺简单的特点。但是，早期的高速机械冲击式超细粉碎机生产能力较小，近年来开发的机械冲击式超细粉碎机在提高其生产能力方面有较大的进展。如LHJ-260型机械式超细粉碎机［图2-（a）］，在给料粒度≤30mm，产品细度d97＝10μm时，超细粉碎硬质高岭石，装机195 kW，产量850～1400 kg/h；滑石，装机195 kW，产量1200 kg/h；重晶石，装机202 kW，产量2000 kg/h；硅灰石，装机195 kW，产量1300 kg/h；膨润土，装机202 kW，产量3000 kg/h。

3.环辊磨和滚轮磨

环辊磨［图8（b）、图8（c）］是近两年在方解石超细粉碎领域广泛应用的一种中小型超细粉碎设备。其特点是工艺简单，粉碎比大，单位产品能耗较低。给料粒度20mm，内设分级装置，产品细度可以在d978～20μm之间调节；单机产量600～1800 t/h；能耗（d97＝10μm）100 kW·h/t。

滚轮磨［图8（a）］也是近年来干法超细粉碎技术的主要进展之一，这种粉碎设备的特点是单机生产能力大，用方解石生产GCC产量可达5～10 t/h；而且内置分级机，产品细度可以在d976～20μm之间调节。

（二）超细碳酸钙浆料生产技术

国内造纸工业的迅速发展和现代化造纸技术的应用，使超细碳酸钙浆料的需求量以每年两位数以上的速度快速增长，由此推动了超细碳酸钙浆料生产技术的快速进步。搅拌磨规格：1995年300 L搅拌磨；2000年前后500 L搅拌磨；2003年3000 L立式搅拌磨；2005年3500～5000 L搅拌磨。单机生产能力（d90≤2μm折干量）：1995年300 kg/h，2000年500 kg/h，2003年1000 kg/h，2005年2000 kg/h；能耗：1995年250 kW·h/t，2000年180 kW·h/t，2003年120 kW·h/t，2005年90 kW·h/t。

超细碳酸钙浆料加工技术方面的重要进展还体现在产品细度和黏度方面：生产的高品质专用面涂级GCC：浆料固含量75%～78%；黏度＜350MPa·s；最大粒度3～5μm，-2μm含量≥97%，1μm含量≥75%；平均粒径～μm。

（三）超细煅烧高岭土原料超细研磨技术

超细研磨是超细煅烧高岭土生产的关键技术之一。中国硬质高岭岩的超细研磨设备由1995年的BP80研磨剥片机发展到1999年的BP300 研磨剥片机，再到2000年的BP500 研磨剥片机；2001年和2005年CYM3000和CYM5000大型搅拌磨相继问世。年产万吨生产线的超细研磨技术进展情况列于表3。

表3 年产万吨生产线的超细研磨技术进展

（四）高长径比针状硅灰石粉体加工技术

高长径比针状硅灰石粉体的加工是硅灰石矿物重要的深加工技术之一，近年来山西泰华公司开发的TH1200矿物纤维制粉系统和南方硅灰石矿业公司的ACM-700E型冲击式粉碎机能够加工长径比12以上的高长比超细硅灰石粉体。这两种设备的粉碎比较大，单位产品能耗较低。

四、结语

进入21世纪以来，伴随造纸、塑料、橡胶、涂料、陶瓷等相关工业部门产品产量的迅速增长和产品质量要求的提高，中国内地非金属矿物超细粉体的产量以年均10%以上的速度增长，2006年各种超细粉体的总产量已超过500×104t。在强劲市场需求的拉动下，非金属矿物超细粉体加工技术与设备也取得了显著进步。未来的发展趋势是提高产品细度（降低粉碎极限）、提高单机产量（设备大型化）、降低（单位产品）能耗和磨耗，稳定产品质量；同时发展高效低耗和大处理量的分级技术和设备；并在现有设备和工艺基础上发展人工智能技术，根据原料特点和产品细度要求自动优化生产工艺配置和操作参数，达到高效、低耗、稳定产品质量的目的。

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The Current Situation and Development of Ultra-fine Grinding and Fine Classification Technology for Non-metallic Minerals in China

Zheng Shuilin1Guo Li2

（1School of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing Compus），Beijing 100083，China；2Xiangyang Research＆Design Institute of Non-metallic Minerals，Xiangyang Shanxi 712021，China）

Abstract：The paper summarizes the current situation and latest developments of ultra-fine grinding and fine classification technology and equipments for non-metallic minerals in China.

Key words：non-metallic mineral，ultra-fine grinding，fine classification.

一、 冷粉加工机研究的现状冷粉加工机是一种新兴的设备，它主要用于制造低温粉末。它是一种多功能机器，可以完成研磨、混合、干燥和粉碎等加工过程。它可以同时处理多种材料，具有较高的效率，可以根据不同的应用需求，调整加工参数，使粉末质量更加稳定可靠。目前，冷粉加工机的研究主要集中在几个方面：一是优化加工参数。如何根据不同的材料特性，优化加工参数，使粉末具有更好的性能，已成为国内外研究热点之一；二是控制粉末的粒度和形状，如何控制粒度和粉末的形状，使其符合要求；三是改进加工设备的性能。研究者正在努力开发出更加高效、可靠、安全的冷粉加工机，以提高生产效率。二、冷粉加工机研究的发展趋势1、加强材料研究，完善加工工艺。随着冷粉加工机的普及，各种材料的加工工艺也在不断完善，以更大范围内满足新材料的加工要求。同时，材料的研究也需要不断加强，以更好地适应冷粉加工机的加工要求，提高粉末的性能和质量。2、研制新型冷粉加工机，改进加工过程。在冷粉加工机的研制过程中，研究者将不断研制新型机器，以满足不同应用需求，同时也将改进研磨、混合、干燥和粉碎等加工过