高能球磨機專利技術分析

孫靜文

【摘 要】基于專利數據庫從專利申請地域分布、重點申請人專利申請、專利技術發展演進幾個方面對高能球磨機技術進行專利分析，為該行業的技術發展提供借鑒。

【關鍵詞】攪拌;行星;振動;球磨機;專利

中圖分類號： TF123.1文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）21-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.009

超微粉碎主要是利用機械或流體動力的方法克服物料內部的內聚力將一定粒徑的物料粉碎至微米或納米級的粉碎，而以機械作用力作為粉碎力場的超微粉碎裝置主要有氣流磨、沖擊式（反擊式）和介質磨機。介質磨機因其研磨介質主要呈球狀，而被行業上稱為介質球磨機、球磨機。常規的介質球磨機主要利用研磨介質與物料之間的相互作用使得物料粉碎，其包括一個繞其自身軸線旋轉的筒體，通過筒體的旋轉帶動筒內的研磨介質呈瀉落、拋落狀態從而實現物料的研磨和沖擊;而高能球磨機是傳統球磨機設備的基礎上發展而來，其利用介質磨球和物料之間長時間反復的相互研磨和沖擊使物料顆粒粉碎到極限尺寸。

1 高能球磨機的基本分類

高能介質磨機屬于主要的超微粉碎設備，在研磨過程中物料與介質磨球、磨球與磨球、磨球與磨罐壁之間高速沖擊、碾壓、摩擦，使處于其中的物料收到強大的沖擊力、剪切力和壓縮力等多種力的作用而發生形變斷裂，從而實現了物料的超微粉碎。根據高能球磨機的工作原理和特點不同，具體參見表1，行業上較為常用的高能球磨機一般將分為攪拌式、振動式、行星式球磨機三類[1]。

振動球磨機則是靠筒體的多維振動帶動筒內的介質運動來實現物料細碎，利用研磨介質在高頻振動下對物料進行沖擊、摩擦、剪切。振動式球磨機根據振動源不同可以分為振動電機直接作用式和利用激振器產生振動兩種類型，振動電機直驅式磨機利用振動電機設置于筒體壁上從而將筒體產生振動，而且振動電機也可以進一步通過電機內部的偏塊組件調節實現多頻、多幅的特殊振動效果從而滿足更廣的破碎需要;而激振器不同于振動電機直驅式產生振動，根據不同工作方式又可分為慣性式、電磁式、液壓式。

攪拌式球磨機是高能球磨機中應用最為廣泛的一類。攪拌式球磨機是通過筒內高速旋轉的攪拌器將強大動能直接傳遞至研磨介質和物料，使得物料和研磨介質之間相互發生激烈的碰撞、摩擦和剪切運動，從而使得物料被徹底粉碎。攪拌式球磨機根據攪拌器的不同一般可以分為棒式攪拌器、輪盤式攪拌器、螺旋攪拌器;其中輪盤式攪拌器又可以進一步細粉為圓盤式、葉輪式、偏心環式。

行星式球磨機是通過傳動系統使球磨筒體即產生公轉又繞筒體中心軸線自轉（即行星運動）帶動磨腔內的研磨介質，在這種行星運動下可產生強大的離心力從而使得筒體內部的研磨介質產生強烈的沖擊研磨作用[2]。所謂行星運動是指電機帶動公共轉盤轉動使得安裝在其上的磨筒隨之轉動（即公轉），而且磨筒還繞自身的中心軸/自轉。相較于常規球磨機中，研磨介質隨著磨筒轉速升高至一定程度，研磨介質因離心力過大會產生與筒壁貼合而無法脫離的現象，從而導致無效粉碎做工;而行星式球磨機由于兩種旋轉運動疊加可避免普通球磨機出現的臨界無效研磨的現象。根據行星式球磨機研磨筒自轉的驅動方式不同，可以分為主動式和被動式行星磨;主動式行星磨是通過皮帶或齒輪的等傳動機構實現研磨筒的自轉，而被動式是指利用研磨筒公轉時與研磨筒公轉軌道外設置的引導件產生的摩擦力實現研磨筒的被動自轉。

2 技術發展概況

本文選擇中國專利文摘數據庫以及外文數據庫德溫特世界專利數據庫作為主要檢索數據庫，通過對檢索所獲得的最終專利數據庫進行申請地域分布、重點申請人、專利技術發展演等方面的統計、分析。

2.1 專利申請地域分布

專利申請原創國的地域分布可以反映該技術在各個國家的發展情況，從而一定程度上反映了各個地域在該技術領域的研發情況。地域分布中前5位的國家或地區為中國、德國、日本、前蘇聯、美國，上述五個國家地區的專利申請量已經占據了專利申請總量的 87%，這表明上述五個國家地區是高能球磨機技術的主要技術原創市場，其主導了該技術的發展方向。而隨著我國專利制度的建立和國家政策的支持，國內相關專利申請量已經與其他四個國家地區的申請量之和相差無幾，尤其是進入21世紀以來中國相關專利申請量的提升，凸顯了中國在該技術領域的技術發展和進步。

2.2 重點申請人專利申請分析

重點申請人是指在該技術領域中擁有較多專利申請量的申請人;通過對全球申請人的申請量進行統計分析，從國外主要申請人來看包括德國NETZSCH、瑞士 BUEHLER、日本MITSUI KOZAN、德國FRITSCH等，其中，德國 NETZSCH（耐馳）公司在攪拌式球磨機領域展現出了強大的科研實力，其研發的帶有動態離心分離設備的攪拌磨引導了攪拌式球磨機的改進潮流;而德國FRITSCH（飛馳）公司的行星式球磨機也在國內科研院所中廣泛使用。反觀國內申請，國內有關高能球磨機的申請主體主要集中于高校科研院所，這一定程度上反應了中國相關企業早期研發能力的貧弱，同時也體現了國家科研政策的引導對該技術發展的重要意義，而大量高校的專利申請也反應了該技術領域存在較大的技術成果轉讓的潛力。

2.3 專利技術發展演進

高能球磨機主要分為攪拌式、振動式、行星式球磨機;攪拌式球磨機屬于最早出現的一類高能球磨機，其利用旋轉的攪拌器和研磨介質的相互作用實現物料的粉碎;攪拌器最早設計為棒式或輪盤式實現將能量傳遞至研磨介質，隨后便推出了棒式與輪盤式相結合攪拌器;而此時螺旋式攪拌器相繼問世，這極大提升了粉磨效果;進入20世紀70年代以后，有關攪拌器的溫度控制、攪拌器的形狀和安裝位置關系的研究逐步增加，德國耐馳公司所申請的中空攪拌器配合靜態分離器的攪拌式球磨機實現了連續式出料篩分，這極大提升了破碎效率;隨后動態旋轉離心式分離器配合攪拌式球磨機問世，其利用分離器旋轉產生的吸引力實現物料和研磨介質的進入分離器，且利用分離器的離心力實現了超細粉磨和研磨介質的分離。

振動式球磨機在20世紀40年代振動磨理論提出后才開始逐步研究起來，直到20世紀60年代年德國在超微粉碎領域的政策傾斜相繼推出了多款振動磨機，例如偏心體慣性式作為激振器的振動磨，極大促進了振動磨在各國的發展和延伸，在此基礎上相繼研制了偏心體立式、偏心體臥式、多筒式、雙電機驅動式等振動式磨機;而我國振動式球磨機的起步較晚，進入21世紀以來，在國外先進技術以及振動理論研究的基礎上，國內高校主體也相繼對振動方式進行逐步改進，例如電磁式激振器、液壓式激振器也逐步作為振動手段應用于振動式球磨機中，同時也利用多種輔助手段提升破碎效果，例如華南理工大學研發的等離子體輔助振動磨。近些年來，關于振動式球磨機的激振力控制的研究日益增加，如振動頻率、振動幅度等。

其中行星式球磨機在20世紀60年代問世以來經歷了1960-2000年的初步發展期和2000年以后的快速發展兩個時期，相較于同一時期攪拌式球磨機技術分支發展較為緩慢，產品結構也較為簡單僅涉及臥式和立式行星式球磨機的改進。進入21世紀以來，關于行星磨研磨效果提升的研究逐漸成為熱點，同時隨著多種破碎理論和輔助方式的出現，等離子體、超聲波、微波等輔助手段均融合至行星式球磨機中，此時關于研磨介質、球磨罐體的設計、壓力控制、濕度控制、溫度調節的研究也使得行星式球磨機的發展演進更加細節化。

3 結語

基于專利數據庫對高能球磨機技術領域的專利技術進行分析，以期為相關國內相關技術行業的發展以及專利布局提供一定參考。

【參考文獻】

[1]倪星元，姚蘭芳，沈軍，等.納米材料制備技術[M].北京：化學工業出版社，2008：62-75.

[2]鄭水林，袁繼祖.非金屬礦加工技術與應用手冊[M].北京：冶金工業出版社，2005：55-80.