砂磨機在油墨生產中的選用與發展趨勢

■ 文/天津東洋油墨有限公司 李金泉

1 概述

現在的油墨生產工藝大致分為：配料（濕法生產將配料工序改為擠水）、研磨、調整和灌裝。在研磨工序中，砂磨機起著至關重要的作用。

砂磨機屬于研磨設備，是從球磨機發展而來，廣泛應用在油墨生產過程中的顏料分散及研磨。砂磨機有不同的分類方式：根據攪拌軸的結構形狀可分為盤式，棒式，棒盤式； 根據研磨筒的布置形式可以分為立式、臥式；根據筒體容積大小可分為實驗室型、小型、中型、大型，超大型；根據介質分離方式可分為靜態砂磨機，和動態分離砂磨機。

生產不同品種的油墨，使用砂磨機的結構形式也不同。大概遵守以下規律：凹版油墨生產一般使用銷棒（5 L～50 L）或者盤式砂磨機（10 L～100 L）；輪轉膠印油墨一般使用立棒式（5 L～130 L）或臥盤式砂磨機（60 L～500 L），而高黏度單張紙油墨生產經常使用高能量密度的錐形砂磨機。

砂磨機是在球磨機的基礎上發展而來的，現在很多人至今還將砂磨機稱做球磨機，而在國外被稱作攪拌式球磨機（攪拌軸＋球磨機組合）。球磨機、攪拌磨和砂磨機三者到底有什么關聯呢？從破碎原理來理解，三者共同點是利用研磨介質之間的碰撞、擠壓、摩擦等原理破碎物料。因此，可以將三者歸類到介質磨家族。

總之，砂磨機發展大概經歷了以下幾個階段，如圖1所示。

圖1 砂磨機主要發展階段

第一階段：從球磨機到立式攪拌磨（底部篩網分離器+棒式研磨原件）。第二階段：從立式攪拌磨到立式圓盤砂磨機（盤式+頂部篩網分離器）。第三階段：從立式圓盤砂磨機到立式銷棒砂磨機（棒式+頂部縫隙分離器）。第四階段：從立式銷棒砂磨機到臥式圓盤砂磨機（盤式+動態轉子離心分離器）。第五階段：從臥式圓盤砂磨機到臥式銷棒循環砂磨機（棒式+超大過濾面積分離器）。

球磨機無論是研磨原理還是研磨細度及應用領域都與砂磨機不大相同。立式攪拌磨不借助地球重力，具有獨立能量輸入的特點，可以認為是研磨設備的一場技術革命。

攪拌磨由于轉速低，介質尺寸較大，沿銷棒徑向線速度梯度變化大，因而研磨效率較低，產品粒徑分布寬。所以，攪拌磨逐步被砂磨機擠出市場，現僅用于硬質合金、鐵氧體研磨或預研磨。

2 砂磨機的結構參數及運行參數

砂磨機的功能首先是將物料磨碎，其次是將物料與研磨介質分離。結構參數是砂磨機本身所具有的（由制造廠家確定），而其運行參數是實際生產中由操作人員（用戶）掌握。砂磨機的材質選擇對于所加工產品的質量至關重要。

2.1 砂磨機的結構參數

（1）研磨原件結構型式：盤式/ 銷棒式/ 凸塊式。

（2）研磨筒布置方式：臥式/立式。

（3）介質分離器類型：靜態/動態。

（4）攪拌軸密封形式：唇封/機械密封。

（5）筒體和磨盤材質：不銹鋼/離心澆鑄鋼/陶瓷/高分子材料（PU）。

臥盤式砂磨機研磨腔內介質分布均勻，研磨效率較高，帶載啟動容易，操作方便，可以設計成大型或超大型。但由于能量密度（單位容積裝機功率）較低，研磨細度受到一定限制。

立盤式砂磨機介質分布不均，研磨效率較低，帶載啟動困難。優點是無機械密封，結構簡單。

臥棒式砂磨機能量密度大，研磨筒短，介質分離器過濾面積大，物料停留時間短，散熱效果好，研磨效率高，產品粒徑分布窄。一般用于難研磨物料的大流量循環研磨工藝。

立棒式砂磨機不僅攪拌軸上布有銷棒，而且在筒體內壁也往往布有銷棒。能量密度大，研磨強度高。主要用于高黏度物料，如膠印油墨、UV 油墨的生產。

研磨介質既不是設計參數，也不是運行參數，但它是一個最重要傳輸能量的中介體。研磨效率是否高，產品質量是否合格，設備運行是否可靠，部件壽命是否長？都與介質的種類、尺寸、比重有關。

介質分離系統是砂磨機的一個重要組成部分，它的功能是將已磨過的物料與研磨介質分開。

常用的介質分離原理如圖2 所示，其中左上圖、左下圖、右上圖所示的分離原理為靜態分離，不能使用很小的研磨介質。

圖2 砂磨機常用介質分離器結構形式

如圖3所示，結構右下圖屬于動態離心分離原理，可以使用小的介質，可達到較高研磨效率。左上圖為靜態彈夾介質分離，出口容易堵塞，但是清洗方便（被動防守）。右上圖為旋轉分離篩筒，不易堵塞，物料從空心軸輸出，但分離筒磨損嚴重。左下圖為轉子動態分離篩筒結構，離心分離原理，設備出口不易堵塞。右下圖為轉子動態分離結構，并設置出口物料返回管道，當砂磨機出口堵塞時，壓力急劇上升。

圖3 砂磨機常用介質分離器結構形式

2.2 砂磨機的運行參數

（1）砂磨機的流量：影響產品細度，產量以及粒度分布。

（2）攪拌軸線速度：影響研磨效率，物料細度及磨損。

（3）介質尺寸：影響研磨效率，產品細度。

（4）介質填充率：影響研磨效率，產品細度。

（5）介質比重：影響研磨效率，產品細度。

（6）砂磨機流量：流量和產量是兩個不同的概念，在連續研磨工藝時兩者絕對值相等，在循環研磨時，產量是流量的1/n（n為循環次數）。

（7）砂磨機線速度：線速度大小影響研磨介質施加給物料顆粒的動能強度，一般為8 m/s～15 m/s。

（8）研磨介質尺寸：砂磨機使用的研磨介質多為圓球，直徑越小，單位體積中裝填的介質數目越多，磨球之間接觸點就越多，在研磨時間相同情況下產品細度提高，過小的研磨介質往往引起砂磨機出口分離器的堵塞。因而，砂磨機分離器的結構及縫隙寬度決定研磨介質尺寸大小，在一般情況下，研磨介質直徑為砂磨機分離器縫隙寬度的2～4倍。

（9）研磨介質的裝填率：研磨效果的所需量，臥式砂磨機的裝填率一般為80%～85%。立盤式砂磨機的裝填率一般為75%～80%。立棒式砂磨機的裝填率一般為85%～95%。總之，研磨介質裝填率過高，容易引起砂磨機溫升過高或者出口堵塞。若研磨介質裝填率過低，則研磨效率低，磨損加劇，研磨時間延長。

（10）研磨介質的比重：介質比重越大，動能越大，研磨效率越高。生產膠印油墨時一般使用直徑為1.6 mm～2.5 mm 的鋼球，而研磨噴繪油墨使用直徑0.3 mm～0.8 mm的氧化鋯珠。

3 砂磨機的研磨工藝選擇

砂磨機研磨工藝一般有下面四種：單機連續、串聯連續、組合循環和單筒循環。

（1）單機連續研磨工藝一般用于細度要求不高的產品，如金屬礦、非金屬礦、汽車底漆等。

（2）串聯研磨屬于連續研磨，且細度要求較高產品，如膠印油墨、化纖消光劑、碳酸鈣等。

（3）組合循環研磨工藝是連續研磨與循環研磨的結合，第一次小流量研磨的目的是打碎粗顆粒，從第二遍開始循環研磨，產品粒徑分布窄。一般用于汽車面漆的生產研磨。

（4）單桶循環研磨工藝前提是循環次數必須大于5，循環桶上配置有攪拌器，以保證物料充分混合，避免循環桶中出現死角。該研磨工藝的優點：操作簡單、設備投資小。一般用于噴繪油墨、陶瓷原料（如碳化硅、氮化硅、碳化硼）等的研磨。

4 砂磨機的發展趨勢

研磨介質分離系統的進步隨著對產品細度要求的不斷提高，使用研磨介質的尺寸越來越小。小尺寸研磨介質的分離是砂磨機研發中最難解決的難題之一。

傳統砂磨機使用的縫隙環（很小的過流面積）及靜態篩網很難分離小尺寸介質分離。因而越來越多地使用動態離心分離系統。分離轉子帶動介質旋轉而產生的離心力使介質被甩向轉子外周圍，而轉子中心主要是料漿，而將分離篩網布置在轉子中心，可使漿料順利地通過篩網縫隙而流出，不會發生堵塞和磨損。所以將干法氣流分級原理用于砂磨機介質分離是砂磨機發展史上的技術飛躍。

渦輪離心納米砂磨機是新一代納米超細研磨設備。該設備極為結構簡單，轉子外周邊設計成凸塊結構，具有銷棒和盤式的綜合優點，定子及轉子磨損小。篩網縫隙最小可達0.05 mm，可以使用0.2 mm 的研磨介質，產品研磨細度可達到納米級。篩網過流面積大、不堵塞。所有與物料接觸的部件可以選擇特耐磨鋼、陶瓷及高分子材料。該設備主要用于片式多層陶瓷電容器（MLCC）、化學機械拋光材料（CMP）、氧化銦錫（ITO）、噴繪油墨及納米超細材料的生產。