淺析超大型超細(xì)臥式砂磨機(jī)PHE 1000PU在非金屬礦生產(chǎn)中的應(yīng)用＊

雷立猛 吳維賓 陳 焰 唐 健

（1 廣州派勒機(jī)械設(shè)備有限公司 廣州 511495）（2 福建安溪龍門中泉制釉有限公司 福建 安溪 362442）

（3 佛山安億納米材料有限公司 廣東 佛山 528100）（4江西中邦鈦業(yè)有限公司 江西 萍鄉(xiāng) 337022）

最近十幾年來臥式砂磨機(jī)得到了迅速的發(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)域得到廣泛的應(yīng)用。超細(xì)臥式砂磨機(jī)是一種高效、節(jié)能的超細(xì)濕法粉碎設(shè)備。隨著臥式砂磨機(jī)設(shè)備的超大型化和技術(shù)的不斷完善，臥式砂磨機(jī)將在金屬礦再磨或細(xì)磨作業(yè)中越來越被普遍應(yīng)用。

不論是傳統(tǒng)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(xì)的需求，大批量工業(yè)化生產(chǎn)、耐高溫、耐強(qiáng)酸、耐磨、無污染控制等都同樣重要。所以細(xì)、快、大、更少污染已成為新一代分散研磨技術(shù)最重要的課題。

硫酸法金紅石型鈦白生產(chǎn)工藝屬于精細(xì)化工無機(jī)顏料生產(chǎn)領(lǐng)域，其生產(chǎn)工藝流程主要包括3大部分：鈦液制備、二氧化鈦制備、二氧化鈦后處理。后處理階段是提高顏料應(yīng)用性能的重要環(huán)節(jié)。后處理階段主要包括粉碎工藝和包膜工藝，粉碎工藝是基礎(chǔ)，包膜工藝是核心。

濕磨工藝是應(yīng)用于鈦白粉后處理的一個(gè)重要工序。濕磨工藝所采用的主要設(shè)備有砂磨機(jī)、球磨機(jī)、膠體磨等。砂磨機(jī)具有高效分散作用和較強(qiáng)的粉碎作用，目前砂磨機(jī)廣泛應(yīng)用于鈦白粉、硅酸鋯、硫酸鋇、碳酸鈣、金礦、銅礦的生產(chǎn)。砂磨機(jī)主要分為立式砂磨機(jī)和臥式砂磨機(jī)2種。

圖1 傳統(tǒng)立式攪拌磨研磨工藝流程

江西中邦公司（原湖南株洲化工集團(tuán)永利化工股份公司）引進(jìn)了一臺(tái)派勒公司的PHE 1000PU臥式砂磨機(jī)，應(yīng)用于產(chǎn)品R－298的生產(chǎn)。目前國內(nèi)鈦白行業(yè)臥式砂磨機(jī)的運(yùn)行情況和效果有所差異。我們以PHE 1000PU臥式砂磨機(jī)為例，通過長期生產(chǎn)運(yùn)行，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際不斷研究總結(jié)，最終找到其運(yùn)行指標(biāo)和影響因素，確定了最佳運(yùn)行參數(shù)。運(yùn)行電流值是表征臥式砂磨機(jī)運(yùn)行性能的指標(biāo)，漿料粘度、進(jìn)料量及研磨介質(zhì)是影響運(yùn)行電流的3大因素［1］。通過臥式砂磨機(jī)長期運(yùn)行，分析漿料粘度、進(jìn)料量及研磨介質(zhì)變化規(guī)律，結(jié)合研磨后漿料粒度分布與粘度指標(biāo)，最終確定最佳工藝參數(shù)。

圖2 超大型臥式砂磨機(jī)之研磨操控流程

1 PHE 1000PU臥式砂磨機(jī)工作原理

圖3 PHE SuperMaxFlow 10000超大型臥式砂磨機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子置于其內(nèi)的超大過流面積專利分離器工作原理示意圖

欲分散的漿料經(jīng)過計(jì)量泵從臥式砂磨機(jī)上部打入筒體內(nèi)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸上的分散盤、平衡器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生動(dòng)能，使筒體內(nèi)的介質(zhì)和漿料強(qiáng)烈攪拌，在相互間摩擦、研磨、剪切力的作用下實(shí)現(xiàn)分散和粉碎的目的［2］。介質(zhì)和漿料在分散盤之間形成一個(gè)滾動(dòng)的環(huán)，它能產(chǎn)生極好的分散效果，漿料研磨后連續(xù)進(jìn)入縫隙分離器分離，細(xì)漿料通過篩網(wǎng)進(jìn)入漿料出口管流出。砂磨機(jī)具有高效分散作用和較強(qiáng)的粉碎作用，是制造高分散體的主要設(shè)備。

圖4 PHE SuperMaxFlow 10000超大型臥式砂磨機(jī)臥式砂磨機(jī)工作原理示意圖

2 臥式砂磨機(jī)主要性能參數(shù)（見表1）

表1 臥式磨砂機(jī)性能參數(shù)

3 臥式砂磨機(jī)運(yùn)行指標(biāo)

砂磨機(jī)運(yùn)行電流作為運(yùn)行主要指標(biāo)。

運(yùn)行指標(biāo)的確定是系統(tǒng)研究的前提，通過認(rèn)真分析臥式砂磨機(jī)工作原理和主要性能參數(shù)，確定臥式砂磨機(jī)的能量來源。主電機(jī)提供能量輸入，分散盤充分?jǐn)噭?dòng)研磨介質(zhì)和漿料為其提供動(dòng)能，使二者充分分散研磨，達(dá)到所要求的研磨效果。

砂磨整個(gè)系統(tǒng)能量分為以下幾個(gè)部分，如表2所示。

表2 砂磨系統(tǒng)能量分配情況

3.1 輸入能量

輸入能量由355kW主電動(dòng)機(jī)提供，分析三相電動(dòng)機(jī)功率換算關(guān)系，計(jì)算出電機(jī)電流，從而確定其運(yùn)行電流值。

三相電機(jī)功率換算關(guān)系：

式中：η——普通電動(dòng)機(jī)效率，一般為0.8左右或以上。我們?nèi)?.8；

cosφ——一般為0.8～0.85。我們?nèi)?.8；

U——工業(yè)電壓，一般為380V。

通過計(jì)算主電機(jī)電流830A，取效率40%～45%，所以砂磨機(jī)運(yùn)行電流應(yīng)為320～370A。

3.2 系統(tǒng)能量關(guān)系

通過能量衡算，我們知道：

根據(jù)動(dòng)能定理：E＝1／2mv2

通過系統(tǒng)分析，輸入能量Q主要與輸入功率相關(guān)?？梢詫⑵浔硎緸椋篞＝ξ×P×s

分析三相電機(jī)功率換算關(guān)系：P＝η×1.732×U×I×cosφ

所以：

ξ×η×1.732×U×I×cosφ×s＝m1v2／2＋m2v2／2＋m3v2／2＋Q1

式中：m1——主軸、分散盤質(zhì)量，根據(jù)砂磨機(jī)型號(hào)為確定值；

m2——研磨介質(zhì)質(zhì)量，kg；

m3——研磨漿料質(zhì)量，kg；

ξ——效率常數(shù)，在這指砂磨機(jī)的效率；

s——時(shí)間，min；

η——普通電動(dòng)機(jī)效率，一般為0.8（取值0.9）左右或以上；

cosφ——一般取值0.8～0.85；

U——工業(yè)電壓，一般為380V；

v——線速度；

Q1——熱能。

在理想狀況下，根據(jù)上面關(guān)系式，我們用一個(gè)常數(shù)θ代替所有常數(shù)得到關(guān)系式如下：

由上式可知：砂磨機(jī)運(yùn)行電流與研磨介質(zhì)和研磨漿料成正比關(guān)系。

在實(shí)際生產(chǎn)中，如何保證砂磨機(jī)運(yùn)行電流。我們通過對(duì)研磨介質(zhì)和研磨漿料2大因素的研究分析予以解決。其中研磨漿料的影響因素較多，在此對(duì)漿料進(jìn)料量與漿料粘度進(jìn)行討論。

4 研磨介質(zhì)對(duì)運(yùn)行電流的影響

臥式砂磨機(jī)研磨介質(zhì)一般采用硅酸鋯珠（堆積比：2.4g／cm3）和氧化鋯珠（堆積比：3.7g／cm3），我們采用硅酸鋯珠，其指標(biāo)如表3所示。

表3 硅酸鋯珠指標(biāo)

圖5 運(yùn)行電流變化曲線

通過分析運(yùn)行電流變化曲線，發(fā)現(xiàn)曲線主要分為3部分：

1）填充率為40%～75%時(shí)，運(yùn)行電流曲線變化較大，呈上升趨勢，反映出砂磨機(jī)中的介質(zhì)得到充分?jǐn)噭?dòng)，能量需求變化大。

2）填充率為75%～85%時(shí)，運(yùn)行電流曲線變化平穩(wěn)，反映出砂磨機(jī)中的介質(zhì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，能量需求穩(wěn)定。

3）填充率大于85%時(shí)，運(yùn)行電流曲線變化呈下降趨勢，反映出砂磨機(jī)中的介質(zhì)過量，介質(zhì)與分散盤之間有滑動(dòng)現(xiàn)象，分散盤不能帶動(dòng)所有介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，能量需求降低。

根據(jù)運(yùn)行電流變化曲線圖，選擇合適的填充率為80%。

5 研磨漿料對(duì)運(yùn)行電流的影響

5.1 進(jìn)料量對(duì)運(yùn)行電流的影響

進(jìn)料量是指漿料每小時(shí)通過砂磨機(jī)的體積量，它是決定漿料在砂磨機(jī)筒體內(nèi)停留時(shí)間的重要因素之一，而停留時(shí)間直接影響研磨效果。

若介質(zhì)填充率選擇80%，則介質(zhì)體積為632L，漿料填充率為20%，漿料體積為160L。我們可以計(jì)算進(jìn)料量與停留時(shí)間的關(guān)系，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 進(jìn)料量與停留時(shí)間的關(guān)系

圖6 運(yùn)行電流變化曲線

通過改變進(jìn)料量，觀察運(yùn)行電流變化曲線如圖6所示。

通過分析運(yùn)行電流變化曲線，我們發(fā)現(xiàn)曲線主要分為3部分：

1）進(jìn)料量a～c m3／h時(shí)，隨著進(jìn)料量的增加，運(yùn)行電流逐漸上升，能量利用得到提高。

2）進(jìn)料量在c～d m3／h時(shí)，運(yùn)行電流曲線變化平穩(wěn)，進(jìn)料量與能量達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，能量需求穩(wěn)定。

3）進(jìn)料量高于d m3／h時(shí)，運(yùn)行電流曲線變化有下降趨勢，能量需求降低。

根據(jù)運(yùn)行電流變化曲線圖，選擇合適進(jìn)料量為c～d m3／h。

5.2 漿料粘度對(duì)運(yùn)行電流的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，我們發(fā)現(xiàn)磨前漿料粘度對(duì)臥式砂磨運(yùn)行電流影響非常大。

圖7 運(yùn)行電流變化曲線

用NDJ－9S粘度計(jì)檢測漿料粘度。漿料粘度是表征漿料分散狀態(tài)的重要指標(biāo)，漿料粘度與落窯品粉碎和制漿工藝有直接關(guān)系。在鈦白行業(yè)中各廠家生產(chǎn)工藝略有不同，漿料粘度值控制有所差異。選擇合適的漿料粘度對(duì)砂磨運(yùn)行起到重要作用。在相同進(jìn)料量和介質(zhì)填充率條件下，不同漿料粘度的運(yùn)行電流變化曲線如圖7所示。

通過分析運(yùn)行電流變化曲線，發(fā)現(xiàn)曲線主要分為2部分：

1）粘度高于400cps時(shí)，隨著粘度的變大，運(yùn)行電流下降明顯，能量利用率降低。其主要原因是研磨介質(zhì)懸浮在高粘度物料中，介質(zhì)與物料無法充分接觸和攪動(dòng)，需要的能量相對(duì)較少，所以電流較低。

2）粘度低于400cps，運(yùn)行電流曲線變化平穩(wěn)，介質(zhì)與物料研磨充分，能量需求穩(wěn)定。

根據(jù)運(yùn)行電流變化曲線圖，選擇控制磨前漿料粘度低于400cps。

6 應(yīng)用情況

根據(jù)電流運(yùn)行情況與研磨介質(zhì)、進(jìn)料量和漿料粘度的關(guān)系。我們按照以下工藝參數(shù)運(yùn)行臥式砂磨機(jī)：

介質(zhì)填充率：80%；

進(jìn)料量：c～d m3／h；

漿料粘度：＜400cps。

通過臥式砂磨機(jī)長期運(yùn)行，檢測磨后漿料粒度分布和磨后漿料粘度，其結(jié)果如下：

1）砂磨磨后漿料粒度分布圖（未按上述工藝參數(shù)運(yùn)行）如圖8所示（基于技術(shù)保密，某些參數(shù)以字母代替）。

圖8 砂磨磨后漿料粒度分布圖

2）砂磨磨后漿料粒度分布圖（按上述工藝參數(shù)運(yùn)行）如圖9所示。

圖9 砂磨磨后漿料粘度

決定平均粒徑（D50）之方法。若漿料配方固定，研磨機(jī)操作條件亦固定條件下，平均粒徑將決定于比能量（specific energy）值，比能量E 值定義如下：

式中：E——比能量，kWh／t；

P——消耗電力，kW；

P0——無效的消耗電力，尚未加入磨球時(shí)，啟動(dòng)研磨機(jī)消耗電力，kW；

m＇——流量，t／h；

Cm——固成分，%。

由上述可知，比能量之物理意義為每噸粉體每小時(shí)所消耗的電力。

漿料粘度是表征漿料分散狀態(tài)的重要指標(biāo)，圖10是按不同工藝參數(shù)粘度情況。

圖10 砂磨后漿料粘度＜300cps百分比情況

7 展望市場，設(shè)備超大型是必經(jīng)之路且需加快

工業(yè)礦物粉體的加工價(jià)格相對(duì)低廉，因此需要處理量大的加工設(shè)備。研制產(chǎn)品粒度細(xì)且分布均勻、處理量大的大型超細(xì)攪拌磨機(jī)對(duì)于工業(yè)礦物粉體的深加工是當(dāng)務(wù)之急。

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、能耗低且價(jià)格適中的大處理量、窄粒級(jí)超細(xì)超大型臥式砂磨機(jī)。

我國許多礦山工業(yè)生產(chǎn)鐵精礦都使用普通臥式球磨機(jī)磨礦，因普通臥式球磨機(jī)磨礦效率低、產(chǎn)品粒度達(dá)不到要求、礦物沒有達(dá)到單體解離，所以鐵品位只能在53%～55%。超大型臥式砂磨機(jī)是金銀礦、鉬礦、銅礦、鎳礦、鉛鋅礦、鐵礦再磨或細(xì)磨最具有發(fā)展前景、能量利用率高、產(chǎn)品粒度細(xì)的一種細(xì)磨設(shè)備，另外，由于該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便，從而被廣泛應(yīng)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。

派勒臥式超細(xì)砂磨機(jī)主要用于有色金屬礦和非金屬礦業(yè)領(lǐng)域的超細(xì)研磨串聯(lián)工藝流程。

8 結(jié)論

根據(jù)運(yùn)行電流變化情況的分析，我們確定臥式砂磨機(jī)最佳工藝參數(shù)如下：

圖11 世界上最大的砂磨機(jī)

1）采用硅酸鋯珠運(yùn)行電流：＞320A。

2）介質(zhì)填充率是影響運(yùn)行電流的首要因素，采用硅酸鋯珠介質(zhì)填充率80%最佳。

3）采用氧化鋯珠運(yùn)行電流：＞430A。

4）介質(zhì)填充率是影響運(yùn)行電流的首要因素，采用氧化鋯珠介質(zhì)填充率85%最佳。

5）進(jìn)料量是影響臥式運(yùn)行電流的重要因素，進(jìn)料量的大小直接影響運(yùn)行電流的大小。通過研究確定進(jìn)料量c～d m3／h為最佳點(diǎn)。

6）漿料粘度是影響運(yùn)行電流的關(guān)鍵因素，往往在很多情況下，大家都忽略了漿料粘度對(duì)運(yùn)行電流的影響，而在實(shí)際生產(chǎn)中，我們發(fā)現(xiàn)漿料粘度對(duì)運(yùn)行電流的影響非常大。應(yīng)滿足磨前漿料粘度＜400cps。

我們按最佳工藝參數(shù)長期生產(chǎn)運(yùn)行，砂磨磨后漿料粒度分布和漿料粘度指標(biāo)都有較大改善，為表面處理穩(wěn)定提供質(zhì)量較好的原料。

不同型號(hào)的臥式砂磨機(jī)工作原理基本相同，主要性能參數(shù)有所差異，可以通過工藝和裝置技術(shù)研究，并將2者有效結(jié)合，一定能夠提高生產(chǎn)效率和技術(shù)水平，為最終產(chǎn)品品質(zhì)的提升奠定基礎(chǔ)。

1 張國旺.超細(xì)粉碎設(shè)備及其應(yīng)用.北京：冶金工業(yè)出版社，2005

2 戴長祿.鋯在建筑陶瓷坯體、釉料及微晶玻璃中的作用與影響.佛山陶瓷，2011（3）：15～18

3 屈啟龍，王冠甫，等.球磨制備超細(xì)硅酸鋯新工藝.中國陶瓷，2007（5）：8～10

4 李東.有色金屬硫化礦選礦技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展探研.四川有色金屬，2007

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6 Young M F，Pease J D，Johnson N W.Developments in milling practice at the lead／zinc concentrator of mount isa mines limited from 1990，AusIMM sixth mill operators conference，1990

7 畢勝.鈦白粉生產(chǎn)表面處理.國家化工行業(yè)生產(chǎn)力促進(jìn)中心鈦白分中心，2004（10）：18～20

8 陳朝華，劉長河.鈦白粉生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005