制浆是陶瓷生产的重要环节,浆料的质量及制浆工效关系到企业的生产.现有的以球磨机为主体的陶瓷制浆系统,是针对粗加工或未加工的天然原料设计的.现在工业陶瓷企业中,所用的原料都已经过了加工,制浆的过程已由原来的粉磨为主,转变为以混合为主.因此,设计新的制浆工艺,寻找、研发新的设备,对提高陶瓷制浆的工效及提高陶瓷的生产效率具有重要的意义.
针对研磨效果,可从两个方面入手提高其工效:一是增大研磨体的动能;二是提高物料间及物料与研磨体间的有效碰撞.而以上两个方面,对物料的混合也同样重要.
提高研磨体的运动速度是提高其动能及有效碰撞的最好方式.球磨机在正常运行过程中,研磨体随筒体的旋转而上升到一定高度后,因其自重而以近抛物线轨迹落下,冲击物料,实现其研磨作用[1].要实现球磨机的研磨体对物料的最大冲击动能,就要求研磨体具有最佳的降落高度.若球磨机转速太高,研磨体将随筒体一起旋转,会减小冲击研磨作用;而球磨机转速过低,则物料与研磨体都只在球磨机筒体底部滚动,动能及有效碰撞都很低,也不利于提高研磨效率.这一特点使以球磨机为主的制浆系统存在如下问题:一是运行效率低,有效功仅占1%～2%;二是研磨过程中,磨损的研磨体、内衬会进入到浆料,造成浆料成分波动,从而影响产品质量;三是虽然日常维护简单,但更换内衬耗时长、添加研磨体的规律性差;四是运行噪声大,工作条件差[1].寻找更好的装备来替代球磨机,以提高制浆工效、降低能耗,提高料浆及产品的质量,尤为必要[2-4].
篮式砂磨机最初是一种应用于涂料工业的高效研磨分散设备,其机头上固定着一个篮子,里面装填了研磨体.工作时,研磨篮浸没在浆料中,研磨篮内的搅拌棒高速运动,产生强大吸力,将浆料吸入装有研磨体的篮子内进行分散、研磨.在离心力的作用下,分散盘将篮内的物料甩出篮子,形成高效率的循环研磨.
笔者研究了篮式砂磨机制备陶瓷浆料的研磨工艺,分析不同研磨时间、研磨体尺寸以及研磨转速对研磨效率的影响,总结了篮式砂磨机研磨的影响因素及相应的规律,提出了应用其制浆的最优研磨工况条件.
1　实验过程

研磨物料:煅烧工业氧化铝(α-Al2O3)粉末.研磨设备:SMA-0.75型篮式砂磨机.

研磨体:直径分别为Υ1.8mm,Υ2.2mm,Υ3.0mm的氧化锆珠.

2.1　研磨时间对颗粒粒径分布的影响 

篮式砂磨机是高效研磨分散设备,研磨初期研磨效率尤为突出.大量的研磨试验表明,研磨初期都可使颗粒粒度迅速减小.例如,以Υ2.2mm的ZrO2珠为研磨体,在转速2050±10rpm条件下,所研磨的α-Al2O3粒度在较短的时间内就可迅速下降(图1),之后下降幅度就较为缓慢了.最后D50趋向稳定于1～2μm,D90则稳定在4～5μm.被研磨的物料的粒径越粗,这种现象越明显.据此,可以确定篮式砂磨机的合理研磨时间.

研磨过程中,随着研磨时间的延长,颗粒粒径逐渐减小,材料分布越均匀,材料的强度分散性越小,m越大,所需的破碎能量E逐渐增大.在某一时间,篮式砂磨机输入的破碎能量,达到式(8)所描述的颗粒粒径时,物料的粒径就会趋于稳定.

2.2　研磨体粒径对研磨的影响 

采用不同粒径的研磨体,所获得的研磨效果不同.例如,分别用直径为Υ1.8mm,Υ2.2mm和Υ3.0mm的ZrO2珠研磨α-Al2O3,得到了如图3所示的D50变化曲线.

研磨初始阶段(t <0 .5 h),以直径为 3 .0 mm 的 ZrO2 珠作研磨体 ,所得到的 α-Al2 O3 的 D50 曲线的斜 率大 ,即其粒径减小幅度大 ,而用直径为 1 .8 mm 的 ZrO2 珠作研磨体 ,所得到的 α-Al2 O3 的 D50 曲线斜率 小 ,也即物料粒径 下降幅度 较小(表 1).在 研磨初 期 ,由于物料初始粒径较大 ,大直径研磨体具有较大 的研磨动能 ,有利于研磨 .在随后的研磨阶段(0 .5 h 晶体或质点的界面发生转变为从晶体或质点内部发 生 ,表面能增加 ,于是就变得难于粉碎 ,所需的破碎 功也越来越大 .表面积大的研磨体能显著提高物料 颗粒与研磨体间的有效接触面积 ,使物料颗粒与研 磨体之间的有效碰撞次数增加 ,有效碰撞增加 ,获得 的破碎功也越多 ,有利于此阶段的研磨 ,因而其研磨 效果也更好 .要达到更小的研磨细度 ,应随着研磨的 不断进行 ,更换粒径更小的研磨体 .
表 1 　不同研磨阶段 D50 曲线斜率分布

随着研磨过程的不断进行 ,物料粒度不断减小 , 物料的表面积也不断增大 ,因而浆料的粘度常出现 不断增大的趋势 .L .Blecher[ 7 -8] 分析过球磨机研磨 筒内的流体类型 ,并用数值计算方法得到了研磨筒 内不同区域的流体类型及特定能量分布(图 4).篮 式砂磨机也具有类似的规律 ,可通过式(9)求出物料 经篮式砂磨机研磨后的雷诺准数 :


物料颗粒逐渐变小时 ,雷诺准数开始处于第 Ⅱ 阶段 ,此时 ,要具有更好的研磨工效 ,需要有更强的 研磨作用 ,用小粒径研磨体研磨的效果比大粒径研 磨体研磨的效果好 .研磨不同粒径范围的物料 ,需要用不同粒径范围的研磨体 .生产中 ,可采用适宜的研 磨体级配 ,或采用多机多级串联的研磨生产线设计 , 才可提高研磨效率 .
2.3 　主轴转速对研磨的影响
不同的主轴转速 ,所对应的研磨效果不同 .搅拌
器外缘线速度不同 ,搅拌器传递到研磨体上的能量 也不同 .随着篮式砂磨机转速 增大 ,物 料的粒径减 小 ,当转速增大到 2 500 ±10 r/min 时 ,曲线的斜率 非常小(图 5).

Varinot C[ 5] 总结了物料用搅拌磨 研磨在不同 转速下 D50 变化趋势 ,随着研磨转速增大 ,其研磨效 率逐渐增大 ,与笔者获得的颗粒粒径变化趋势一致 .
假设颗粒在与研磨体冲击碰撞过程中所获得的动能 完全转化为破碎能 ,此时颗粒所获得的动能 E 为 :

式中 :η为能量应用效率 ;M 为颗粒质量 ,kg ;υ为颗 粒的碰撞速度 ,m/s .
由式(11)可知 ,随着研磨时间延长 ,物料粒径不 断减小 ,初始裂纹长度变小 ,破碎所需的研磨转速不 断增大 .随着主轴速度的增加 ,研磨筒内研磨体的运 动加剧 ,使得研磨体对物料的研磨 、冲击作用加强 , 同时也使得在单位时间内 ,研磨体对物料颗粒的有 效碰撞次数明显增加 ,可得到更细的产品 .过高的转 速会使得搅拌器 、物料颗粒 、研磨体以及研磨篮壁之 间的碰撞加剧 ,搅拌器提供的一部分动能转化为热 能 ,使得物料颗粒获得的破碎功减小 ,研磨效果开始 下降 .因此 ,在生产过程中 ,篮式砂磨机的主轴转速 不宜过高 ,应当使机器运行于一个优化的工作转速 下 ,获得最佳研磨效果 .
3 　研磨条件优化
根据以上分析 ,研磨体直径以及主轴转速对研 磨结果有很大影响 ,笔者研究了不同研磨条件下的 对比实验 ,得到篮式砂磨机研磨 α-A l2 O3 粉末的最 佳工艺条 件为 :直 径 2 .2 m m ZrO2 研磨 珠 ,转 速 2 500 ±10 r/min ,物料研磨时间 1 h .此时 ,α-Al2 O3 粉末的 D50 粒径基本达到 1 μm ,之后颗粒粒径基本 不发生变化 ,快速实现了研磨要求(图 6).

用环境扫描电子显微镜观察不同研磨时间样品 形貌 FEI 图(图 7),从图 7 可看到 :研磨前 α-Al2 O3 颗粒团聚严 重 ,颗 粒粒径 大部分 处于 10 μm 左 右 (图 7(a)).经研磨 0 .5 h 后 α-Al2 O3 粉末粒径明显 下降 ,且分散比较均匀 ,破除了团聚现象 ,颗粒粒径 处于 2 ～ 3 μm(图 7(b)).经研磨 1 h 后 ,颗粒粒径继

续减小 ,但减小 幅度不大 , 颗粒粒径 约 1 μm (图 7 (c)).经研磨 2 h 后 ,颗粒粒径基本没有变化 ,颗粒 粒 径分 布 更 加 均 匀 , 物 料 的 颗 粒 更趋 向 于 球 型 (图 7(d)).
4　结　论
1)研磨初期,物料粒径急剧减小,但随着研磨的不断进行,物料粒径下降的速度则有不断减缓的趋势.
2)研磨粒径较大的物料时,用粒径较大的研磨体效果较好,而研磨粒径较小的物料时,用粒径较小的研磨体效果较好.根据物料的粒径选择合适尺寸的研磨体,是提高研磨效率的有效方法.
3)研磨体所获得的速度越大,所具有的动能就越高,就越有利于研磨物料.但研磨体的速度过高,相互间的碰撞也会加剧,既会增大研磨体的磨损,也会将机械能转化成热能,从而影响研磨的工效.