雙向旋轉球磨機的粉碎機理及應用研究

李立奎（萊蕪鋼鐵集團粉末冶金有限公司，山東　萊蕪　271104）

雙向旋轉球磨機的粉碎機理及應用研究

李立奎
（萊蕪鋼鐵集團粉末冶金有限公司，山東萊蕪271104）

摘要：作為一種運行速度較低的細磨機，雙向旋轉球磨機在很多領域都有著廣泛的應用，對常規材料實施超細化或者是對金屬粉末進行合金化等，對現代工作的發展具有重要的意義。但是當前，學界的相關研究主要集中于工程應用方面，對于雙向旋轉球磨機的運行機理等研究較少，對于其進一步發展與推廣而言不利，本文就球磨機的結構機理等進行探討。

關鍵詞：雙向旋轉球磨機；超細化；粉碎機理

顆粒的粒徑小于30μm的粉質成為超細粉體，物質在通超細化之后，其分子的排列、晶體與電子的分布結構等都發生很大的變化，具有大顆粒物質不具有的納米材料的小尺寸等效應，這些性能的存在能夠在各行各業中得到應用。抄襲粉體的制備在我國主要通過機械粉碎與合成兩種方式，前者應用與制備原料在1μm以上的粉體，其產量大、成本低、工藝簡單，但是純度與細度相對于第二種方法而言要差；合成法主要是通過粉體之間的離子等發生化學反應形成抄襲粉體，具有純度高、細度好、顆粒的均勻性高等優點，但是其產量較低、工藝復雜且成本相對高昂。本文中探討的雙向旋轉球磨機就是一種典型的機械粉碎方式，其效率高，能耗較其他機械粉碎方式更低，同時保證粉碎研磨產品的純度。

1　雙向旋轉球磨機的機理研究

1.1雙向旋轉球磨機的結構與工作原理。本文中研究的雙向旋轉球磨機的主要結構為：筒體、空腔、攪拌裝置以及在筒體內壁中的襯板。雙向旋轉球磨機的內酯和筒體的反方向旋轉攪拌軸經過空腔以及斷面的蓋板，在空腔中有攪拌棒進行粉體的攪拌，和斷面的蓋板相連的筒體支撐件在空腔外部的旋轉軸上對稱設置，軸承與傳動及同樣在內旋轉軸上。該結構的優點為，與普通臥式球磨機相比，增設了攪拌裝置，容易實現，同時有效的提高魔球的運轉速度，筒體的內部摩擦、碰撞等相互作用增強，改善裝置中的有效粉碎區域，提高生產效率。其中通體比與旋轉軸的中控設計，便于球磨機鍵入冷水進行散熱，提高機器的安全性能。

1.2雙向旋轉球磨機的機理分析

1.2.1球磨機中內磨球的運動區域。如果球磨機的筒體中為純液體，基于相關原理能夠知道筒體當中不同區域的運行速度梯度，可以將旋轉球磨機的內部劃分成為四大區域，磨球的碰撞頻率高度與強度主要取決于流體的速度梯度，通過這樣的區域劃分能夠讓磨球通過這些區域，從而獲得更優的研磨效果。

1.2.2筒體的理論臨界轉速。通常，筒體中外層的球磨隨著內壁進行圓周運動的速度就是臨界速度，基于相關公式與影響滑動的相關理論知識，臨界的轉速與磨球的摩擦系數有著明顯的相關關系，摩擦系數的區別，實際的臨界轉速也會有區別。要讓磨球的工作效率更高，則球磨機的筒體轉速要適當小于臨界轉速，相關研究證實，雙向旋轉球磨機筒體的轉速在70r/min～84r/min更好。

1.2.3球磨機的最小填充率。研究中的介質為物料與磨球混合之后形成的均勻密度的物體，介質的填充率對球磨機的工作效率影響也很大，對于本文中研究的球磨機，要實現最佳的工作狀態應該具有一個最小的介質填充率，通過研究論證，當介質的填充率在14%以下時，攪拌棒不能夠發揮出作用，這樣球磨機的狀態與常規的球磨機類似，攪拌棒還會產生無用的功耗造成浪費，因此，填充率至少要高于理論值。

1.3雙向旋轉球磨機的粉碎機制。雙向旋轉球磨機根據不一樣的作用力具有三種粉碎機制，分別是摩擦粉碎、沖擊粉碎和擠壓粉碎。摩擦粉碎是指基于顆粒的表面切線方向上發揮剪切作用，讓細小顆粒能夠脫落，顆粒呈現兩種峰值狀態；沖擊粉碎則是讓顆粒受到強烈快速的沖擊，同樣讓顆粒變小，相對粒徑在20%～70%之間；擠壓粉碎為顆粒受到緩慢且強烈的擠壓作用，然后發生破碎，顆粒會變小，相對粒徑在50%～80%之間。總之，雙向球磨機的粉碎以摩擦為主，擠壓粉碎方式為輔。

2　雙向旋轉球磨機的應用

2.1雙線旋轉球磨機的測試。應用試驗分為量大部分，首先對樣品進行研磨，然后對得到的成品進行測試。首先是研磨試驗：首先將雙線旋轉球磨機清洗干凈，確保產品的純度不會受到殘留物的干擾；將雙向旋轉球磨機啟動，空轉運行約10min，檢查機器運轉是否穩定、正常；確認無異常之后將稱重完成的鋯珠放入到筒體當中，倒入溶液浸潤，開機繼續運行10min；稱取實驗用的物料以及量取溶液，與燒杯當中將兩者混合均勻倒入筒體中進行混合，將球磨機啟動運行約5min，讓筒體中的鋯珠、物料等混合均勻，關閉機器后檢查混合狀態，沒有異常的情況下設置好研磨的工藝參數開始研磨；在試驗過程中間隔一段時間進行取樣，同時要密切注意筒體當中物料的變化，當出現嚴重的粘連筒體內壁的情況時，需要添加一定量的溶液。其次是進行研磨樣品的測試：首先對鋯珠實施超聲清洗，將其表面的附著物清除；將上層液體中加入分散劑和蒸餾水；實施超聲分散約10min；將微米與納米粒度儀啟動并預熱30min；首先進行微米的測量，如果樣品的粒徑達到納米界別，則使用納米粒度儀進行測定，對結果進行驗證和保存，以便于后期的分析。

2.2試驗結果與分析。通過對碳酸鈣使用干法粒度儀實施測試發現，物料的粒度普遍在1μm～40μm之間，粒度分析儀結果限制D50=8.9μm，D90=25.27μm；通過SEM測試分析得到原料的粒度和粒度測試的結果是基本相同的，而粒子的外表面多呈現不規則的形狀；通過粒度與研磨時間的關系探究，發現產品的粒度隨著時間的增長不斷變小，在0h～1h之間的變化關系最為明顯，當研磨時間超過4h之后，變化則非常小，根據這一趨勢，研磨在6h之后趨于穩定，考慮到研磨時間不足會造成力度下降，而實踐過長會造成較大的能耗、工作效率也下降，在此建議研磨的最佳時間為5h～7h之間。通過兩種粒度測試儀的交過，發現使用微米粒度儀測試的結果較大，這主要是因為離子產生團聚現象造成的，使用SEM則能夠清晰的現實出納米級的粒度。

結語

本文對雙向旋轉球磨機的工作原理、機理以及粉碎機制進行探討，然后分析其在碳酸鈣粉碎中的應用，具有成本較低、工作效率高以及生產工藝簡單等特點，為相關的工業化生產提供一定的指導。隨著科技的進步，雙向旋轉球磨機還會出現更大的進步，研究也需要對工藝參數進行深化改進。

參考文獻

[1]鮑克偉.雙向旋轉球磨機的粉碎機理及應用研究[D].南京理工大學，2013.

中圖分類號：TD453

文獻標識碼：A

作者簡介：李立奎，畢業于青島化工學院機械工程及自動化專業，現為萊蕪鋼鐵集團粉末冶金有限公司工程師。