3　非金属矿超细粉碎加工设备与工艺的选择

由于非金属矿品种繁多,加工工艺更是五花八门,在此仅就几种非金属矿物的加工设备与工艺的现状加以简述[1][2][3][4][17]。
3 1　加工设备的选择

(1)高岭土。高岭土的超细与剥片是相关连的,剥片的目的是超细。反之,超细又能达到剥片的目的。在粉碎工艺上应尽量选择剥片原理的粉碎方式和设备,从粉碎机理上来说强化外力对高岭土颗粒的强力剪切,在超细粉碎的同时保持片状矿物的特性。高岭土超细是为了改变颗粒表面的物理和光学性能,借助物理的、化学的和机械学的方法,使其剥裂为50～1μｍ或更小的颗粒,并使<5μｍ的占绝大多数。超微细高岭土既是一种优良的造纸涂料,又为改性复合提供了合格原料。能生产微细粒级的粉碎设备主要有:各类球磨机、机械高速旋转冲击剪切式粉碎机、气流粉碎机、搅拌磨。

(2)重质碳酸钙。它的硬度较低,加工过程中要求有较高的白度。在众多的粉碎设备中,几乎都可以用于重质碳酸钙的生产。由于其用量大、单位重量的售价偏低,如何无污染、低成本地达到加工目的是设备和工艺选择的重要问题。目前被大家所接受的是雷蒙磨和球磨机或振动磨与分级机结合的冲击加超细研磨的方式。这种方式得到的粉体中细粉含量较高,有利于用做橡胶和塑料的填料。用于造纸涂布级的超细重质碳酸钙,其原始结晶多为立方多面体,为了达到超细粉碎的目的。则需要强化矿物颗粒的体积粉碎和表面的研磨。近年来,采用剥片机进行湿式超细粉碎的较多,发展较快。

(3)锆英砂。它的主要成分为硅酸锆,原料中常含有铁、钛等杂质。它的性质稳定,耐磨,其微粉作为陶瓷行业釉料的乳浊剂,具有遮盖力强、乳浊效果好等特点,应用愈来愈广。然而,锆英砂的超细粉碎是一个耗能大、设备磨损严重、产品易污染的复杂过程。为实现低成本生产,必须综合分析加工工艺,优化设备组合,在能耗和其他消耗尽可能低的条件下产出高质量硅酸锆微粉。

目前用于锆英砂超细粉碎的设备有气流粉碎机、球磨机和搅拌磨,各类设备的性能差别较大。从多年的使用经验来看,气流粉碎机能耗太大,投资也高,从粉碎机理来说不太适合微米级超细粉碎过程。球磨机借助于球介质的冲击作用将大颗粒粉碎,适合于产品平均粒度在10μｍ左右的粗粉碎生产过程。为了高细度,对于平均粒径1～2μｍ左右的超细粉生产,尽量采用搅拌研磨的方式,以达到产品最细、能耗最小。为了保证产品的纯度,还需要配合酸洗等提纯工艺措施。针对现有生产锆英砂微粉的气流粉碎系统,可以进行工艺改造,达到提高细度和纯度、降低成本的目的。

针对锆英砂的粉碎特性和对产品的要求,采用湿式粗研磨机生产平均粒度在5～10μｍ的产品;然后用超细研磨机将其磨细到平均粒径1～2μｍ左右,这样能较好地发挥各类型设备的不同特点和长处,以较小的能耗获得最细的产品。选用批次粉磨作业,采用相应的工艺制度来保证产品粒度分布的均匀性和粉磨热量的散发;考虑到将粉磨过程对产品的污染降低到最低限度,选用聚氨酯弹性体为搅拌桶和搅拌棒的保护层,保证物料与金属物不接触;为了提高粉磨效率和降低产品浆料的粘度,适当添加有机外加剂(在干燥的高温中挥发,对产品无影响)。

为保证产品的质量,采用化学提纯的方式,来除掉原料加工过程带入的铁类杂质,使产品的纯度和白度提高。这意味着可用低档的锆英砂,生产高档的锆英砂微粉。无论那个国家的资源都是日益贫乏、品位低下,对产品进行提纯处理,是生产高品质产品的必由之路。因此选用此工艺条件,就可以用钢球来进行研磨,降低成本。

(4)硅灰石。用复合材料增强,在粉碎时应尽量保持它原始的针状结晶状态,使产品成为天然的短纤维增强材料。强力冲击式粉碎能够在矿物颗粒内部短时间形成较强的内应力,使颗粒内部沿着解理面形成裂纹最后分离成细小的针状颗粒。在选择粉碎设备时必须考虑到这一因素。

(5)云母。由于它的多层结构多被用做电介材料和珠光颜料,粉碎加工过程中应尽可能地保证所得颗粒的径厚比。作珠光颜料的云母粉体,其表面不能有太多的划伤,否则会影响它的光学效果。在粉碎设备的选择上应该尽量选用高压射流式粉碎机,利用颗粒内部层间的膨胀压力将颗粒剥离,达到预期的粉碎效果。
3 2　加工工艺的选择

(1)磨料微粉生产工艺。可用于加工微粉磨料的原料矿物主要有碳化硅、白刚玉、棕刚玉及石榴子石等。随着各行业加工技术精细化的发展和国际产业结构的调整,广泛应用于抛光行业的微粉磨料用量越来越大,出口量也逐年增加,微粉磨料的精细加工有广阔的发展前景。磨料加工的特点是物料坚硬、设备磨损大、粒度分布很窄。为防止将被抛光工件表面划伤,应严格控制成品中大颗粒的存在。

(2)湿法分级工艺。传统的微粉磨料生产主要采用球磨机粉磨和湿法分级工艺。这种工艺特点是投资小,工艺流程简单。粉碎过程一般采用批次研磨的方式。用控制时间的方法来控制粒度和粒度分布。分级的方法有旋流器方式、溢流冲洗法和沉降法。较大的颗粒的沉降速度较大,分级多采用溢流冲洗的方法。对于较细小的颗粒,沉降速度较低,分级多采用大容器自由沉降的方式。这一工艺过程中需要对颗粒进行良好的分散处理,才能保证其精度。这种做法的生产效率低、生产能力难于扩大、占地面积大、耗时耗水严重。然而,由于湿法分级可以在水中加入分散剂,液固界面的分散能力要比气固界面的分散能力强,湿法分级的分级效果一般优于干式分级。

(3)干式分级工艺。干式分级系统是由粉碎机和2台以上的分级机、收尘器和风机组成。粉碎机的产品在气流的挟带下进入第1台分级机进行分级处理,控制一定的上限粒级后,大于这一粒级的粗粉返回粉碎机再次进行粉碎;小于这一粒级的细小粉体进入第2台分级机分级控制一定的下限粒级。经过处理后的产品1和产品2即为窄粒级的磨料,过细的产品3由收尘器搜集。在这样的系统中,调整好粉碎机的粉碎能力、产品的粒度分布和分级后产品的粒度分布,减少过细粉体的生成量是很关键的,它决定了整个系统的效率。该工艺的特点是加工现代化程度高、处理量大、分级精度高等特点,适合于干法大批量生产微粉磨料。该工艺的缺点是当产品太细的情况下,由于气体的分散能力所限,分级效果明显变差。

4　非金属矿超细粉碎技术的发展方向

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[18][5];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。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[1]。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。