幾種磨料微粉的顆粒整形技術對比與分析

藺雷亭高秀艷

(1．聖戈班陶瓷材料(牡丹江)有限公司線切割部，黑龍江牡丹江157011)

(2．聖戈班陶瓷材料(牡丹江)有限公司工程設備部，黑龍江牡丹江157011)

摘要：為提高磨料微粉的振實密度，需要對粉末的顆粒形貌進行控制，使其接近於球形。本文通過分析球磨機和流化床氣流磨兩種設備的粉碎機理，調整粉碎工藝參數，減小破碎強度，增加介質與粉末之間的摩擦作用，利用研磨方式對碳化硅和碳化硼微粉分別進行顆粒整形。整形後的顆粒球形度高，產品的振實密度較之整形前有較大提高，並得到每種設備的最佳整形工藝參數。

關鍵詞：球磨機;氣流磨;顆粒整形;振實密度;碳化硼微粉

0 前言

工程上，根據不同的使用目的，對顆粒形狀有著不同的要求。如工程陶瓷和高振實密度用碳化硼和碳化硅微粉要求顆粒為等積球形，而用於研磨和線切割的碳化硅微粉要求顆粒為多棱形。國內現階段的磨料微粉的超細製備，主要是材料的超細粉碎和分級，很多微粉在顆粒細度、粒度分布上可達到國外產品的水平，但在顆粒形貌上存在明顯的差異，因而限制了產品的應用，難以替代進口產品。如果能再控制微粉的顆粒形貌，則能大大提高微粉的檔次與品質，從而滿足現代工業對磨料微粉越來越高的需求，具有廣闊的應用前景。

目前，在磨料的形貌控制方面對F砂、P砂、噴射用砂、耐火砂、工程陶瓷用砂的整形研究開展的較多，取得了較好的使用效果和經濟效益。在整形設備上有巴馬克、階梯式離心整形機、液壓輪輾機等，而對磨料微粉的顆粒形貌控制研究和專用的整形設備卻鮮有報道。本文利用現有的球磨機和流化床氣流磨兩種粉碎設備，進行了碳化硅和碳化硼兩種微粉的顆粒整形試驗。

1 整形效果表徵方法

1.1振實密度

通過測定微粉整形前後的振實密度來評價整形的效果。振實密度是指盛在容器中的粉末在規定條件下被振實後的密度。如果粉末的稜角較多，其振實密度就低;粉末的形狀越接近球形，其振實密度越高。

1.2測量方法

將一定量的粉末裝在容器中，通過振動裝置振動，直至粉末的體積不再減少，粉末的質量除以振實後的體積得到它的振實密度。

振實裝置依靠凸輪的轉動，帶動導桿上下滑動衝擊砧座，使量筒內的粉末逐漸被振實，振幅為(3±0.2)mm，振動頻率為(250±15)次/min，振實裝置示意圖見圖1。

2 球磨機顆粒整形技術

2.1 球磨機的粉碎機理

球磨機對物料的粉磨作用主要是磨球對物料的衝擊與研磨。在不同的球磨機轉速下，磨球的運動形式有所不同，如圖2所示。

(1）當球磨機的轉速很低時，由於球體受到的離心力不大，靠與筒壁的摩擦力作用，隨筒體上升至與垂線成40°~50°角後，磨球一層層向下滾動滑落，對磨球間的物料產生研磨作用，此時球磨機主要以研磨方式進行工作，稱之為瀉落式運動狀態。

(2）若球磨機的轉速較高，磨球附於筒壁上升到一定高度後，離開筒壁沿拋物線軌跡以自由落體下落，使物料受到衝擊和研磨作用而粉碎，此為拋落式運動狀態。

(3）當球磨機轉速進一步提高，磨球在離心力的作用下，貼附於筒壁一起迴轉。磨球與筒壁及磨球之間不再有相對運動，對物料無任何粉碎作用，這時稱為「離心狀態」。在離心狀態時筒體的最低轉速一般稱為臨界轉速。通常情況下，球磨機的正常工作轉速應低於臨界轉速。

2.2 球磨整形工藝

根據以上分析可知，對微粉物料能起到粉碎作用的狀態主要是瀉落式和拋落式。對於較粗物料的粉碎，磨球的衝擊及磨球間的滑動摩擦對物料能起到很好的粉碎作用，但對於微粉物料衝擊研磨作用已不明顯。要實現這一目的，關鍵在於如何提高磨球間的研磨效果。

微粉顆粒整形要儘可能減少物料的破碎強度，避免原有粒度群含量的過多損失。因此通過減小破碎強度，增加介質與粉末之間的摩擦作用，利用研磨方式來達到整形的目的。

在此基礎上，採取如下措施:

(1）使研磨介質處於瀉落狀態。降低球磨機的轉速率，轉速率為57% ～ 63%;

(2）增加磨球間相互研磨作用力。減小磨球直徑，增加磨球個數，球料比(4～5）∶1，填充率.4 ～0.45。

試驗產品的技術要求:

碳化硼微粉45～75μm，振實密度≥1.5 g /cm3

碳化硅微粉6～25μm，振實密度≥1.78 g /cm3

微粉整形後細粉和鐵含量增加，經酸洗、水洗、分級和乾燥處理後，出品率平均為75%。整形前後的產品的振實密度檢測結果見表1。

2.3 整形前後的顆粒形貌(碳化硼)

球磨料的顆粒形貌見圖3，從圖中可以清晰地看出顆粒有較尖銳的稜角，長條狀顆粒較多。

經球磨機整形後的物料的顆粒形貌見圖4，從圖中可以看出顆粒的稜角比較光滑，長條狀顆粒明顯減少，振實密度較整形前有較大提高。

3 流化床氣流磨

3.1 氣流磨的粉碎機理

氣流磨主要是通過超音速氣流使顆粒相互之間產生強烈的衝擊、碰撞、磨擦，從而實現對物料的超細粉碎。氣流粉碎的強度越高，顆粒碰撞的次數越少，球形度越差;反之則越好。此外，顆粒間也存在著摩擦力，這是由於顆粒之間的摩擦研磨運動而產生的。磨擦力能磨削掉顆粒表面的稜角，獲得較多的球形顆粒。

氣流磨是國內超細粉生產中應用最為廣泛，能夠達到的產品質量最好的設備。可以乾式加工各種物料的超細粉體，且具有加工工藝簡單，產品粒度細，粒度分布較窄，純度高，全負壓操作無鐵雜質的污染，並且對團聚的微粉有很好的解聚效果。

3.2 氣流破碎整形工藝

同球磨整形工藝一樣，控制氣流破碎的粉碎強度，通過研磨除去顆粒的稜角，提高顆粒的球形度。

(1）粉碎強度的控制:粉碎強度越高，一次粉碎至合格粒度顆粒的數量越多，產品中多棱形的顆粒越多;反之則球形度好的顆粒增多。

試驗中通過降低入口空氣的壓力為正常壓力的50% ～ 60%來控制粉碎的強度。

(2）粉碎腔的氣固濃度:當粉碎腔的氣固濃度較高時，氣流對物料的加速度能力減弱，同時顆粒碰撞時的相對速度降低(追趕碰撞變多) ，獲得的球形狀顆粒增加;當氣固濃度減少時，則多棱形顆粒增加。

調整氣固濃度為正常工作時的1.2 ～ 1.5倍。

(3）延長物料在粉碎腔的停留時間，使顆粒之間的摩擦更加充分，獲得的球形顆粒更多。

粉碎時間為正常工作時的1.5 ～ 2倍。

試驗產品的技術要求同1.2。微粉整形後細粉含量增加，經水洗、分級和乾燥處理。整形前後的產品的振實密度檢測結果見表2。

3.3 整形前後的顆粒形貌(碳化硼)

氣流磨正常工藝粉碎後的微粉顆粒形貌見圖5，從圖中可以看出長條狀顆粒較球磨料要少，形狀較規則，但有較尖銳的稜角。

氣流磨整形後的物料的顆粒形貌見圖6，從圖中可以看出顆粒的外觀很光滑，長條狀顆粒明顯減少，振實密度要高於球磨整形後的物料。

4 結論

(1）通過調整微粉的粉碎工藝，可以對磨料微粉的顆粒形貌進行控制，關鍵是控制粉碎的強度、顆粒間相互作用的機理、碰撞摩擦的次數、顆粒在粉碎區的停留時間。

(2）球磨機整形時，其轉速、研磨介質的大小、球料比、介質填充率、球磨時間等工藝參數對物料的出品率和振實密度有直接影響，合理搭配將獲得理想的結果。優點是產品的出品率高，缺點是後續處理工作較繁瑣。

(3）流化床氣流磨整形時，降低噴嘴入口空氣的壓力、加大氣固濃度、延長物料在粉碎區的停留時間，通過顆粒之間的碰撞、磨擦、磨削進行整形，去除顆粒的稜角，可獲得球形化很好的微粉。優點是產品的振實密度較高，沒有鐵污染，缺點是出品率低。

(4）生產中採用兩種整形工藝相互結合，將整形後的微粉按一定的比例混合，既保證了產品的振實密度，又保證了較高的出品率，可獲得較好的經濟效益。

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