（矿物加工工程专业论文）气流磨制备高长径比硅灰石的技术研究.pdf

东北大学硕士论文摘要 气流磨制备高长径比硅灰石的技术研究 摘要 硅灰石是一种新兴工业矿物，国岁 在工业上的开发利用始于二十世纪六，卜年 代，现在已在建材工业、冶金工业、塑料橡胶工业、油漆涂料工业、造纸工业及 石棉代用品等行业中得到广泛应用。 高长径比的超细硅灰石针状粉可以取代其它的短纤维矿物原料，用作功能性 增强材料，且由于它价格低廉，在工业应用中具有极高的应用价值和巨大的潜在 市场，因此，高长径比的超细硅灰石针状粉的加工制备成为世界各硅灰石加工企 业倍受重视的研究热点。为了获得较为理想的超细硅灰石针状粉，充分利用其固 有的优异特性，提高其附加值，超细粉碎与分级技术的研究和提高是关键。 为了制备高长径比的硅灰石产品，本实验以沈阳法库地区的硅灰石为原料， 通过气流磨粉碎设备制各高长径比的硅灰石并探讨气流磨的粉碎机理。 本论文通过对气流磨粉碎系统中分级机转数的调整，粉碎气流压力的调整， 以制各较高长径比的硅灰石产品，结果表明，分级枫转数为1 2 0 0 0 r l m i n ，气流粉 碎压力为0 4 m p a 时，硅灰石产品的长径比可到1 3 。为了保护硅灰石的长径比， 实验对原料进行了加热预处理，通过加热不同的温度和不同的时间，得到较高长 径比的硅灰石产品。结果表明，加热温度8 0 0 。c n 热时间4 h ，可制备出长径比在 1 5 左右的硅灰石产品。由于进入气流磨的物料颗粒形状差别较大，所以将物料 按照不同的粒级筛分，按各个粒级给入时，硅灰石产品粒度较为均匀，而且长径 比超过了2 0 ，达到了高长径比产品的要求。 同时，本文通过对硅灰石的晶体结构的分析，结合晶格内键能的大小，得出 了硅灰石的理想破碎模型：从气流粉碎系统气流对硅灰石晶体的作用力方向及 x 衍射结果表征等较深入探索了制备超细针状硅灰石的机理。 关键词：气流磨硅灰石长径比 i i 东北大学硕士论文 a b s t r a c t t h e s t u d y o fp r e p a r i n gt h ew o l l a t o n t i e w i t hh i g hr a t i ob yt h ef l u i d i z e dj e tm i l l a b s t r a c t w 0 l l a s t o n i t ei sam a t e d a io fan e wi n d u s t r i a lm i n e r a l ，a n di sw i d e l ya d p l i e di n b u i l d i n gm a t e r i a l s ，m e t a l l u r g y ，r u b b e r ，p l a s t i c s ，o i l - p a i n t i n g ，p a p e r m a k i n g ，a n d a s b e s t o ss u b s t i t u t e ，s e i n e ei ti sd e v e l o p e di n6 0 st w e n t yc e n t u r y w o l l a s t o n i t ew i t hh i 吐r a t i oo fl e n g t ha n dd i a m e t e ri sag o o ds u b s t i t u t eo f a s b e s t o sa n dg l a s sf i b e r ，w h i c bc a l le x t e n s i v e l yb eu s e da sf i l l e rm a t e d a lw i t b r e i n f o r c e m e n ta n di n c r e m e n te f f e c t s ，a n di tc o s tl i t t l e ，i th a sh i 2 ha p p l i c a t i o nv a l u ea n d h u g ep o t e n t i a lm a r k e t ，s op r e p a r i n gh i 曲a s p e c tr a t i ow o l l a s t o n i t ei sb e c o m i n ga l l s t u d y i n gp o i n tw i t hh i g hr e s p e c ti na l lo ft h ep l a n t sw h i c h a r ep r e p a r i n gw o l l a s t o n i t e p r o d u c t t h et e c h n i c a ls t u d ya n dd e v e l o p m e n to fp o w e rg r i n d i n ga n dc l a s s i f i c a t i o na r e t h ek e yp o i n ti no r d e rt op r e p a r i n gt h ei d e a li x i g ha s p e c tr a t i ow o l l a s t o n i t ew h e n p e o p l ew a n tt ou s e i t si n h e r e n ts p e c i a l i t ya n dh i g ha d d i n gv a l u e n et e s ti sp r e p a r i n gh i g ha s p e c tr a t i ow o u a s t o n i t ew i t ht h ef l u i d i z e da i r - c r a s h i n g j e tm i l la n ds t u d y i n gt h ec r u s h i n gp r i n c i p l e s ，a n dt h er a wm a t e r i a l si sf r o mj i n g a n gi n l i a o n i n gp r o v i n c e i nt h i s p a p c r t e s ta a j u s t s t h ec l a s s i f i c a t i o nr e v o l u t i o na n dc o n t r o l st h e a i r - c u r r e n t sp r e s s u r ea st op r e p a r i n gt h eh i g ha s p e c tr a t i ow o l l a s t o n i t e t h er e s u l t so f r e s e a r c hs h o wt h a tt h er a t i oo fl e n g t ht od i a m e t e ru di s1 3w h e nt h ec l a s s i f i c a t i o n r e v o l u t i o ni s1 2 0 0 0 r m i na n dt h ea i r - c u r r e n t sp r e s s u r ei so 4 m p a i no r d e rt op r o t e c t t h ep r o d u c t s r a t i o n ，t e s th e a t st h em a t e r i a ii na d v a n c ew i t hd i f f e r e n tc e n t i g r a d ea n d d i f f e r e n tt i m e n er e s u l t so fr e s e a r c hs h o wt h a t 也er a t i oo fl e l l g t ht od i a m e t e ru di s a b o u t1 5w h e nt h eh e a t i n gc e n t i g r a d ei s8 0 0 a n dt h eh e a t i n gt i m ei s4 h t h i n k i n go f t h ei n f l u e n c eo ft h em a t e d a l sd i f f e m n ts i z e s 。t e s ts i e v e st h em a t e r i a lt od i f f e r e n t g r a d e sb e f o r ef e e d i n gi n t ot h ea i r - c r a s h i n gm i l l 1 1 p r o d u c t s r a t i oi sb e y o n d2 0 t h e p r o d u c t s s h a p ei su n i f o r ma n dt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c tg e tt h ei n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d a tt h es a m et i m e ，g e tt h ei m a g i n a r ym o d e li na n a l y z i n gt h ec r y s t a l ss t r u c t u r e c o m b i n e dt h ec h e m i c a lb o n d s e n e r g y t h ep o w e rd i r e c t i o n f u n c t i o no i lt h e w o u a s t o n i t ec r y s t a lb yt h ef l u i d i z e d e tm i l l s y s t e m ，a n d t h ec h a r a c t e r i s t i c s e x p r e s s i v e n e s so fxr a yd i f f r a c t i o nr e s u l t sa r ea l l a l y z e d ，a tt h es a m et i m e ，t h e p r e p a r a t i o n m e c h a n i s mo ft h es u p e r f i n eg r i n d i n gh i g ha s p e c tr a t i oo fw o l l a s t o n i t ew a s a l s os t u d i e d k e yw o r d s ：w o l l a s t o n i t e ；f l u i d i z e di e tm i l l ；t h er a t i oo fl e n g t ht od i a m e t e r 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：，写7 、 卅一 目期： 7 u 落红，8v l 国 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 硅灰石的特点和性能 硅灰石( c a s i 0 3 ) 是一种变质作用成因的钙质偏硅酸盐矿物，其晶形有n 型和 1 3 型，a 晶型通常为粒状和粉状，b 晶型为针状、纤维状，硅灰石晶体主要为0 型，里纤维状、放射状、针状集合体，甚至微小颗粒也保持其针状结构，外观常 呈白或灰白色，单束纤维的长度约l 4 m m ，由于晶体中普遍存在有横向裂纹， 则完整晶体的长度均小于l m m 。硅灰石的一般晶面星玻璃光泽，解理面出现珍 珠光泽，( 1 0 0 ) 解理发育，( 0 0 1 ) 、( 1 0 2 ) 解理中等，莫氏硬度4 5 5 ，密度2 7 8 2 9 1 9 e r a 3 ，性脆，化学稳定性好吐通常，晶型的长径比为5 ：1 ，b 晶型则为 2 0 ：1 ，最高可达3 0 ：l 。 根据用途划分，硅灰石产品可分为两大类：一类是高长径比的硅灰石产品， 主要利用其针状性能，用于填料方面作为增强剂，尤其在塑料、橡胶、油漆、涂 料等方面，硅灰石可增加硬度、抗弯强度、抗冲击性，改善塑料的电学特性，提 高材料的热稳定性和尺寸稳定性1 1 1 。类是细磨硅灰石粉，主要利用其矿物化学 性质，用于陶瓷和冶金工业，硅灰石中的c a o 、s i 0 2 成分提供了低的热膨胀性 和抗冲击性。 在陶瓷工业中，硅灰石可以降低陶瓷的烧成温度和缩短点火时间，减少热 膨胀，同时提高坯体的强度和压型质量，而且能大大改善陶瓷制品的机械性能， 提高产品质量。釉料中加入硅灰石可以增加釉面表面光泽，而且在陶瓷的低温快 烧中还可以减少变形和断裂。我国在用硅灰石烧瓷板、釉面砖等方面取得了令人 瞩目的成绩。国内不少厂家在以硅灰石n k 作基料生产釉面砖的坯料中掺入 4 0 5 0 硅灰石粉，坯体素烧温度可由1 2 8 0 降至1 0 2 0 一- 1 0 8 0 ，比普通釉 面砖降低1 6 0 2 0 0 。这种硅灰石釉面砖耐急冷、急热性能良好，外观平滑光 亮，产量和质量大为提高【2 】。 硅灰石在冶金工业中钢铁浇铸和焊接方面有广泛的应用，以硅灰石作助熔剂 所得钢材表面比其它助熔剂更加精细光滑。早在2 0 世纪8 0 年代我国就研制出以 硅灰石为基料的连铸冶金保护渣。现在从普通钢、锰钢到不锈钢连铸，都广泛应 东北大学硕士论文第一章绪论 用了以硅灰石为基料的保护渣，以取代价格昂贵的进口保护渣。此外，硅灰石还 可以作为大型烧结炉制造时水泥的填料和做成熔融金属的抗渗耐火材料。硅灰石 由于具有色白、针状、低吸油率和抗紫外线等特点而被广泛应用于建材工业。针 状硅灰石可以代替石棉使制品具有良好的防火和隔音效果，而且还可用作混凝土 和水泥制品的掺和料。硅灰石作为水泥添加剂，广泛用于特种水泥、建筑绝热材 料和新型水泥制品，制作大理石色调的水泥板、无石棉水泥制品地板材料、防裂 性能的水泥制模材料、硅灰石型硅钙板、墙蕊装饰材料等p j 。 加入硅灰石的油漆和涂料可改进产品的持久性和抗气候性，减少油漆的断 裂、老化。我国大顶山纯度高的涂料级硅灰石粉，在丙一苯无光乳胶漆及纯酸底 渣中应用，可代替原配方中3 0 4 0 的钛白粉，在内墙涂料、乳胶漆中应用广 泛。硅灰石在油漆和涂料中的应用取决于油漆的主要消费工业建筑业和汽车 制造业。但在油漆和涂料中硅灰石还面临一系列其他矿物填料的竞争，如碳酸钙、 高岭土、霞石正长岩等t 4 。 其它除了上述用途外，硅灰石在摩擦材料、造纸、环保等领域也有广泛的应 用。江西新余上高硅灰石作造纸填料，仅添加适量p a m 化学助剂，手抄纸留得 率由5 9 9 2 提高到8 1 8 9 0 o ；利用硅灰石颗粒的表面性质可以除去水溶液中的有 害杂质离子以达到净化水质的目的网。如可利用硅灰石取代价格昂贵的活性炭作 为吸附剂来分别除去废水溶液中的c a 2 + 、f e 2 + 和n i 2 + 等有害杂质离子和其他有害 物质等。 我国在硅灰石作为填料应用方面与国外相比起步比较晚，而且由于技术上的 原因应用也不广泛，但随着我国科研能力的不断提高，这方面已有了大大的改善。 塑料工业是硅灰石未来最有潜力、增长最快的市场，也是硅灰石产品附加值最高 的领域。硅灰石对聚脂浇注、聚乙烯溶胶、环氧树脂等复合材料体系均有相当好 的增强效果，在许多塑料材料上都有应用，但主要增长领域是汽车工业用塑料。 用金属少的汽车相对质量轻，加工成本要低，因此汽车、卡车的制造越来越多地 采用高性能的塑料材料。在橡胶工业方面，我国已成功研制出可以代替立德粉、 钛自粉、白炭黑的硅灰石粉嘲。 2 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 2 我国硅灰石资源的分布及生产现状 我国1 9 7 5 年首次在湖北大冶发现有工业价值的硅灰石矿床，相继在吉林、 辽宁、江西、江苏、浙江、安徽、福建、青海和云南等省也有发现，其中吉林、 湖北、江西、云南硅灰石丰富，质地优越，开发前景广阔。我国现已探明硅灰石 矿石储量近1 亿吨，约占世界硅灰石总储量的4 0 ，居世界之首”3 。 硅灰石是一种新兴工业矿物，国外在工业上的开发利用始于二十世纪六十年 代，初期主要用于陶瓷工业。几十年来随着硅灰石选矿、深加工及应用技术的发 展，现在已在建材工业、冶金工业、塑料橡胶工业、油漆涂料工业、造纸工业及 石棉代用品等行业中得到广泛应用。 二十世纪七十年代末我国开始对硅灰石矿石进行开发利用，现已发展形成年 产2 5 万吨硅灰石产品的生产能力，产量已超过美国和印度，属世界第一位。中 国现已成为硅灰石资源和生产第一大国。 我国生产的硅灰石一半用于国内，其中陶瓷行业占5 0 ，涂料、塑料、橡胶 行业占3 0 ；另一半硅灰石主要出口到日本、韩国、新加坡和西欧等国，出口仍 以原矿为主，创汇效益不高“。 1 3 硅灰石针状粉及硅灰石深加工 高长径比的超细硅灰石针状粉可以取代其它的短多f 维矿物原料( 如石棉、玻 璃纤维等) 及其它合成品体，用作功能性增强材料，且由于它价格低廉，在工业 应用中具有极高的应用价值和巨大的潜在市场，因此，高长径比的超细硅灰石针 状粉的加工制备成为世界各硅灰石加工企业倍受重视的研究热点。我国硅灰石资 源丰富，硅灰石针状粉超细粉碎的研究在不断深入，其产品质量不断提高，应用 范围逐步扩大。但在追求高长径比的同时保证产品足够细度方面的研究与发达国 家还有一定的差距。而超细高长径比的硅灰石针状粉具有更大的应用价值：如作 为塑料填料，可以提高其制品的强度和尺寸稳定性；造纸填料用的硅灰石针状粉 也要求达到1i 1r n 的细度：在涂料、油漆中填加的硅灰石针状粉越细，其性能改 善越明显。为了获得较为理想的超细硅灰石针状粉，充分利用其固有的优异特性。 提高其附加值，超细粉碎与分级技术的研究和提高是关键。 东北大学硕士论文第一章绪论 硅灰石选矿和粉磨是对硅灰石的初级加工，硅灰石的精细提纯、超细粉碎、 表面改性及针状粉的加工是对硅灰石的深加工，它对提高硅灰石产品的性能，扩 大使用范围具有重要意义，它是硅灰石矿产资源开发利用的发展方向。武汉理二e 大学、陕西成阳非金属矿研究院和吉林梨树硅灰石矿业公司，对硅灰石超细粉碎 原理和设备进行了系统的开发研究，现已研制和生产出流化床气流磨、商速冲击 粉碎机和系列微细分级机等成套产品。能将硅灰石、滑石、硬质高蛉土、方解石 等非金属矿物加工成1 2 5 0 目、2 5 0 0 目的超细粉产品。设备投放市场，使用情 况良好。王丽花【2 】研究了硅灰石在搅拌磨中发生的机械与化学作用及表面改性机 理，将硅灰石的表面改住与超细粉碎有机结合。梨树硅灰石矿业公司研制成功的 改性硅灰石粉，能有效地代替钛自粉应用于油漆涂料工业【9 】。硅灰石针状粉主要 是指高长径比的硅灰石粉和超细粉。硅灰石针状粉由于对人体无毒无害，具有高 的纤维强度而且价格便宜，因而作为石棉代用品用于屋面板、硅钙板及用作工程 塑料和橡胶的增强填料，具有广阔的市场。有专家预测，二十一世纪，硅灰石钊 状粉在替代石棉利用方面将成为一个具有广阔前景的最主要领域。近年来，我国 硅灰石钟状粉加工技术的研究刚冈u 起步。彭长珙等用搅拌球磨机加工硅灰石针状 粉，对其加工原理及硅灰石发生的物性变化规律进行了研究。周立秋等i lo 】研究了 硅灰石针状粉加工方法及原理，初步探讨了提高硅灰石针状粉长径比的工艺措 施。现在湖北、江苏、吉林等地的硅灰石加工厂，利用国产纤维剥离设备，已经 生产出高长径比的硅灰石针状粉，产品除少量出口日本、韩国外，在国内已经应 用于石棉水泥瓦和汽车刹车片生产行业，用以取代石棉短纤维和玻璃纤维。另据 报道，江西、福建硅钙板厂生产中也已用硅灰石针状粉取代部分石棉纤维，使用 效果良好【1 0 l 。当然国内针状粉加工工艺移设各还有待进一步提高，但是硅灰石针 状粉替代石棉的应用前景是广阔的。近年来，酸浸硅灰石制备无定形s i 0 2 是综 合开发利用硅灰石的又一个主要发展方向，国内尚处于试验阶段1 1 “。无定形s i 0 2 广泛用作高档橡胶、密封胶、纸张、塑料、电缆中的补强剂、填充剂、遮盖剂及 涂料、油墨中的增稠荆、防沉剂，具有蜂窝状多孔结构、高比表面的s i 0 2 ，在 高科技领域中可以作为新型催化剂载体、选择性吸附剂、航空用绝缘材料等。 非金属工业矿物的深加工内容可概括为“六化”：高纯化、超细化、纤维化、 薄膜化、晶体化、复合化。硅灰石的深加工也不例外，尤其是硅灰石的高纯化、 4 东北大学硕士论文第一章绪论 超细化、纤维化和复合化。 硅灰石提纯的任务是选除有害铁矿物，降低方解石、透灰石、石榴石、石英 等限量矿物含量。常用的提纯方法有手选、筛选、磁电选、浮选和联合分选，实 际生产中根据矿物的性质采用合适的提纯方法。手选是为防止混入的废石在破碎 过程中产生更多的细小颗粒增加后续提纯的难度而在破碎前设置的一段作业。硅 灰石纤维松解，可实现与脉石矿物选择性破碎。选择性破碎后分段筛选即可实现 颗粒硅灰石与脉石矿物的较好分离。硅灰石无磁性，而铁矿物、透灰石、石榴石 等脉石矿物为磁性或弱磁性矿物，强磁选可达到硅灰石与脉石矿物的分离或部分 分离。硅灰石中的脉石矿物通过手选、筛选、磁选已大部分被选除，是否进步 进行浮选提纯，视硅灰石的应用领域而定。已有学者对硅灰石与方解石、硅灰石 与透灰石、硅灰石与石榴石以及硅灰石与石英的浮选分离进行了比较详实的研究 【1 2 】。超细加工硅灰石的结晶构造决定了即使是细小颗粒也呈纤维状或针状的性 质。在超细过程中，物料的挤压、冲击、研磨、剪切、摩擦等不同的受力方式使 产物的形貌各异。实践表明，剪切和摩擦作用始终具有使颗粒沿着与力作用方向 平行的结晶解理面剥离的趋势。因此，适当大小的剪切力和摩擦力具有将晶体束 剥离成单根纤维的作用，有利于高长径比超细硅灰不的制各。影响硅灰石针状粉 性能指标的主要因素有粉碎设备类型、分散介质、作用力特性、助磨剂种类与用 量等。硅灰石针状粉分级设备主要依赖非纤维矿物分级设备，且常与超细粉碎组 合在一个设备内，分级效果不理想，限制了高长比纤维矿物超细粉的生产。分级 作业方式有湿式和干式，一般由前段工艺特性决定。袁鹏等人研究了振动磨制备 硅灰石短纤维针状粉工艺。吴伟端等人用超音速气流使硅灰石和硬酯酸在同一粉 碎腔碰撞粉碎，制得了粒度均匀、长径比较大的针状粉。表面改性要使硅灰石填 料对树脂起到增量、增强的作用，必须对其表面进行处理常用的表面改性剂有偶 联剂、不饱和有机酸和高级脂肪酸及其盐类等。偶联剂包括硅烷类、钛酸酯类、 铝酸酪类和硅酸酯类。国内表面改性设备主要采用高速加热搅拌机，国外则多用 流态化和冲击式改性装置。表面改性的工艺主要有：干法、湿法、喷涂法和直接 共混法。改性效果通常可以用表面接触角、悬浮液粘度来评价。 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 4 硅灰石针状粉超细粉碎与分级的研究现状 ( 1 ) 硅灰石针状粉超细粉碎设备现状 目前，用于硅灰石针状粉超细粉碎加工的设备主要有机械冲击式粉碎机、气 流磨、搅拌磨、雷蒙磨、振动磨等几种形式【1 3 1 。 现有机械冲击式粉碎机主要工作部件是高速转予和定子，转予有的采用单盘 式，有的采用装在同一转轴上的两个转盘。其原理都是在高速转子的作用下，将 物料迅速分散到粉碎腔周边。同时受到冲击粉碎作用，并在定子和转子问的间隙 处受到离心惯性力和摩擦力的挤压、剪协而粉碎，缅粉被气流带出粉碎区经分级 机分级后成为产品。对于针状硅灰石的粉碎来说，冲击作用的主要目的是提供足 够的粉碎能，保持和维护其长径比则主要是靠转子和定子之间的离心挤压以及商 速气流涡旋所产生的摩擦、剪切作用。因此，该类型设备在一定程度上能达到一 定细度0 0 3 0 i lm ) 下的较大长径比( 1 0 1 2 ) 。 现今用于硅灰石针状粉超细粉碎加工的气流磨主要有扁平式气流磨、单喷式 气流磨和流化床式气流磨等几种形式。气流磨是借助于气流的高速运动使物料颗 粒之问、颗粒与器壁之间产生强烈的冲击碰撞和摩擦剪切而使物料粉碎。其中流 化床气流蘑是集最先进的多喷管技术、流化床技术与涡轮分级技术于身，实现 了流场多元化、料层流态化、分级卧式化。使用气流磨并选择合适的参数和：i = 艺 条件，目前可保持长径比为1 2 1 5 ，但其能耗太高。 搅拌磨：在考虑硅灰石超微粉碎前段提纯作业为湿式浮选，前述设备不能湿 式作业时，为了配合浮选工艺，可以采用以研磨、摩擦作用为主要粉碎机理的塔 式搅拌磨进行硅灰石的超细粉碎。利用搅拌磨湿法粉碎时其产品平均细度可达 4 5 1 x m ，平均长径比为6 8 ，最大可达1 8 2 l 。 振动磨：在简体高频振动的同时，简体内的研磨介质对物料进行剧烈的碰撞、 研磨而导致物料逐渐产生疲劳裂纹乃至碎裂，从而达到细磨的目的。利用振动磨 粉碎时，细度为9 0 小于2 0 1 u n ，其长径比大于8 ：1 的约占5 7 ，大于1 0 ：1 的约占3 0 i l 。 ( 2 ) 针状粉分级设备现状 目前硅灰石针状粉分级设备还主要依赖非纤维矿物超细分级设备【”】，并且大 部分是将超细粉碎与分级两部分组合在一个设备内，如流化床式气流磨、立式机 6 东北大学硕士论文 第一章绪论 械冲击式粉碎机，配有分级装置的超细设备可使其产品粒度纯度大大提高。从实 验室和工业实践中得出的结论来看，纤维状矿物的粉碎和分级与非纤维状矿物相 比有其特殊性：如对于冲击为主的机械冲击式粉碎机，粉碎时间越短其晶型结构 越容易保持，硅灰石粉的长径比就越大，这就同时给分级提出了更高的要求，它 必须能及时地将已经粉碎的细粉分选出来，以减少物料颗粒在机内的停留时间 【1 6 1 。其它粉碎设备也有类似的闯题存在。 就分级机的结构丽言，目前大多采用了涡轮式分级机( 无论是单机还是组合 机) ，只是相对非纤维矿物超细分级进行了部分参数的调节一如涡轮的转速、直 径、叶片角度、叶片数量、空气( 包括二次空气) 的流量等参数。从目前工业应用 来看，在固定参数的情况下，基本上是一套系统生产一个品种的粉体，个别系统 ( 采用粉碎与分级分开的系统) 可以同时生产两种产品【”l 。分级机的研制水平还远 落后于粉碎设备的技术水平。 ( 3 ) 针状超细粉粉碎分级工艺研究现状 现有硅灰石针状超细粉粉碎分级工艺系统的布置形式与非纤维矿物超细 粉碎一分级系统基本一样，所不同的是对某些工艺参数进行了调整。在作业方式 上有千法和湿法两种【1 8 】 1 9 1 ，它们可壹接与选矿工艺过程相衔接，如用湿法选电 的矿粉需要超细或在选矿过程中需要超细，则湿法超细工艺可直接与之配套进行 深加工；若是风选或其它干法选矿工艺则可采用与之相对应的干法超细工艺。到 目前为止，还没有一个规范的系统和工艺参数能适应各种粉碎工况，有关这方面 的研究也还很少唧l 。 1 5 国内外气流粉碎设备的发展现状 超细粉碎设备按不同的粉碎方式可分为：机械冲击式粉碎机、振动磨、气流 粉碎机( 又称气流磨) 、搅拌磨等。气流粉碎机，与其它粉碎机不同，它是在高速 气流作用下，物料通过本身颗粒之同的撞击，气流对物料冲击剪切作用以及物料 与其它部件的冲击、摩擦、剪切而使物料粉碎。因此，经气流粉碎后的物料平均 粒度细、粒度分布较窄、颗粒表面光滑、颗粒形状规整、纯度高、活性大、分散 性好，可粉碎低熔点和热敏性材料及生物活性制品( 因为气流粉碎机以压缩空气 为动力，压缩气体在喷嘴处的绝热膨胀会使系统温度降低) ，据统计，国际上约 7 东北大学硕士论文 第一章绪论 2 5 的气流粉碎机是用于药物的超细制备。而且若采用n 2 、c 0 2 等气体时，可进 行特殊场合下惰性气氛中的粉碎。气流粉碎可在无菌状态下操作，生产过程连续， 生产能力大，自控、自动化程度高。但是，机械冲击式粉碎机、振动磨、搅拌磨 等粉碎设备的生产周期往往较长，从而使生产效率低，物料粉碎时会产生大量的 热，致使热敏性物料变质，而且设备的磨损会污染产品。因此这些机械式粉碎机 已不能完全满足人们对超细粉体物料越来越高的要求，气流粉碎设备在生产超细 粉体方面有取代机械式粉碎机的趋势。但气流磨也存在一些不足之处：设备制造 成本高，能耗大，加工成本也较大；单机处理能力较差( 产量均小于2 t h ) ，不 适合大规模生产；产品粒度难以达到亚微米级，在1 吮m 以下时产量大幅度下降， 加工成本急剧增加【2 1 1 。气流粉碎机自2 0 世纪3 0 年代问世以来，经过许多研究者 的努力，其结构不断更新，种类不断增多，先后出现了扁平式( 或圆盘) 气流磨、 循环式气流磨、对撞式气流磨、流化床气流磨、靶式气流磨、超音速气流磨等 2 2 1 。 ( 1 )扁平( 圆盘) 式气流粉碎机 ( m i c r o j e t m i l l ) 是由美国f l u i d e n e r g y 公司1 9 3 4 年研制成功的。目前，生产 该类气流粉碎机的主要厂家有美国f l u i d e n e r g y a n d e q u i p m e n t 公司、s t u r t e v a n t m i l l 公司、j e t p u l v e r i z e r 公司，臼本n i p p o n p n e u m a t i c m f g 有限公司、清新企业( 株) ( s t j 型) 、富士产业( 株) ，中国上海化工机械三厂( q s 型) 、南京理工大学江苏省超细 粉体工程技术研究中心试验基地( s t j 型和g q f 型) 、宜兴清新公司等f 2 3 1 。其原理 是压缩空气( 空气、过热蒸汽或惰性气体) 通过加料喷射器的高速射流所产生的负 压，使物料吸入混合室，通过与粉碎室半径方向成一定角度并分布在同一水平上 的喷嘴，被高速射流喷入粉碎室，喷气流夹带着物料以极高的速度旋转，在粉碎 室半径上形成流体动力特性梯度，物料颗粒之间以巨大的动量相互碰撞( 约占粉 碎量的8 0 嘘右) ，又与粉碎室的内壁碰撞( 占2 潞左右) 而粉碎。被粉碎粒子随旋 转流高速旋转获得很大的离心力，又受到气流向粉碎室中心排出的向心力，两个 力的方向相反，颗粒在这两个力的作用下分级。因此，在圆盘式气流粉碎机内， 粉碎和分级是同时进行的口l 。与其他气流粉碎机相比，圆盘式气流粉碎机结构简 单，操作方便，而且自身具有自动分级功能。其缺点是，当被粉碎的物料( 如氧 化硅、碳化硅等) 硬度较高时，物料随气流高速运动会与磨腔内肇产生剧烈的冲 击、摩擦、剪切，导致磨腔磨损，并且对产品造成一定的污染。此类粉碎机多用 8 圭些查兰塑主煎查 笙二主壁垒 于较软、较脆的物料，如国外无机颜料t i o 。的气流粉碎，几乎都采用扁平式气流 粉碎机口甜。 ( 2 )循环式气流磨 j o m 系列循环式气流粉碎机由美国f l u i d e n e r g y 公司1 9 4 1 年研制成功。日前 国外的生产厂家有美国f l u i d e n e r g y 公司、日本清新企业，国内主要有上海化工 机械三厂研制的q o n 7 5 、q o n l 0 0 及宜兴清新粉体机械有限公司开发的j o m 系列| _ 2 6 j 。 j o m 型循环式气流磨是目前应用最广泛的气流磨。其工作原理是压缩气体通 过加料喷嘴产生高速射流，在加料混合室内形成负压，使原料自动吸入混合室， 并被射流送入下部的粉碎区，气流经过一组喷嘴进入粉碎室，并将物料颗粒加速， 使颗粒相互冲击、碰撞、摩擦而粉碎。底部的高压气体经喷嘴加速后高速射入管 道，挟带粉碎后的颗粒沿上行管向上运动进入分级区。该机的优点是0 型结构既 能加速颗粒运动，又能增强离心力场的作用，从而提高了粉碎和分级效率；分级 区的弯曲管壁设计，使磨损大大减轻。但是，与其它气流粉碎机相比，气流及物 料对管道内壁的冲刷、磨损太严重，不适用于硬度较高的材料的超细化。常用于 热敏性化学品、纤维、金属、药物、食品、颜料、填料等的粉碎，其粉碎细度可 达3 o 2 p m 2 7 。 ( 3 ) 冲击式气流磨 冲击式气流磨的粉碎动力源主要是颗粒与冲击部件( 如冲击板、冲击环等) 的冲击力，目前，常见的有靶式气流磨、超音速冲击板式气流粉碎机、冲击环式 气流粉碎机等。靶式气流磨是最早发明的气流磨之一，其靶子结构有固定和活动 的两种形式。固定靶式气流磨所示，其原理是高速气流挟带物料冲击到前方的靶 上进行冲击粉碎，粉碎后的物料随气流经出i = 1 排出，进入后序的分级器中。活动 靶式气流磨中的靶呈圆柱形，且缓慢转动，因此，物料冲击倾斜的圆柱形靶而得 到粉碎。靶式气流磨常用于处理较粗的粒子，冲击力很大，冲蚀非常严重。因此， 靶式气流磨的工业化应用受到一定的限制【2 8 1 。 ( 4 ) 撞式气流粉碎机 对撞式气流粉碎机又称对喷式气流粉碎帆。它是以两股高速气流挟带颗粒相 互对撞而粉碎，能量利用率高，避免了上面三种气流粉碎机高速气流对冲击部件 的磨损，解决了被粉碎颗粒的污染问题。美国m a j a c 公司早期研制的对撞式气流 9 东北大学硕士论文第一章绪论 粉碎机，其工作原理是两股相同压力和相同速度的压缩空气从两侧呈一直线进入 粉碎区，同时物料由螺旋加料器送入粉碎区，在混合后碰撞而粉碎，粉碎后的颗 粒随气流向低压区运动，细粉通过上部捧出，粗粉图落入粉碎区再次粉碎f 捌。 ( 5 )流化床气流粉碎机 生产此种气流粉碎机的主要厂家是德国的a l p i n e 公司( a f g 型喷嘴水平设 置，a f g - r 型喷嘴三维设置) ，日本、中国也有生产。美国m a j a c 公司研制的对 撞式气流粉碎机是流化床气流粉碎机的先导，德国a l p i n e 公司1 9 8 1 年也进行了 成功的研制p 。 其工作原理是：物料加入后利用二维( 或三维) 设置的数个喷嘴喷汇的冲击 能，以及气流膨胀呈流化床悬浮翻腾而产生的碰撞、摩擦进行粉碎，同时在交汇 点周围向上得气流，在负压气流带动下通过顶部设置的分级装置分级，细粉排出， 粗粉受重力作用而返回粉碎区继续粉碎。与对撞式气流粉碎机相比，具有分散效 果好、产品粒度可通过分级机进行调整、磨损小( 因为通过喷嘴的介质只有空气) 、 能耗小、适合于大规模工业化生产等优点。常用于医药、化妆品、高级陶瓷、磁 粉等生产。 中国的超细粉碎机厂商中，流化床气流粉碎机的生产厂家最多( 约2 0 家) ， 如上海化工机械三厂、上虞市和力粉体有限公司、昆山市超微粉碎机厂( q y f 流 化床对撞式气流粉碎机) 、西安秦岭超细粉厂等。另外，还有一些研究单位也对 此种类型粉碎机的改进做出了很大的贡献，如中国科学院化工冶金研究所研制的 f j m 型流化床对喷式气流粉碎杌、北京石油大学研制的流化床对喷式超细气流粉 碎机、河北省邢台市农药厂研制的多喷嘴流化床气流粉碎机、宜兴市凯新材料开 发研究中心研制的一种流亿床气流粉碎机等，但是型号和规格都不是很全【3 1 j 。 超细气流粉碎机的种类很多，结构各不相同，每种机型都有其优缺点。自 2 0 0 0 年以来，粉碎设备在以前的基础上有了较大改进，其结构不断完善，粉碎 性能不断提高。为了满足信息技术、生物技术和新材料技术发展对粉体产品的粒 度、纯度和粒度分布提出的更高要求，超细气流粉碎技术研究中应注重以下几个 方面的发展：在现有的基础上，完善、优化超细气流粉碎设备，开发新型设备， 并萤视粉碎、分级系统的匹配设计；大型设备不多，在上述的超细气流粉碎机中， 相比较而言，流化床对撞式气流粉碎机具有明显的优势，因此应加强理论研究， 1 0 东北大学硕士论文 第一章绪论 以指导粉碎设备的设计；由于气流粉碎机最大的缺点是能量利用率低，所以应当 寻求降低能耗、增加能量利用率的途径等p 2 1 。 1 ，6 研究目的、意义和内容 商长径比超细硅灰石的制备是硅灰石矿物深加工技术的一个重要研究内容。 虽然我国的硅灰石在世界市场起着重要的作用，但目前高长径比超细硅灰石粉体 的制备技术落后于其他国家。国内对硅灰石所开展的研究基本上都是偏重于硅灰 石超细粉体的制备工艺，硅灰石产品的粒度达到超细水平在技术上已经具备。倪 是对于硅灰石最明显的特点针状外形在粉碎过程中的保护问题，所开展的研 究有限。 本课题研究所得主要内容如下： ( 1 ) 调整气流磨粉碎系统中分级机转数制备较高长径比的硅灰石产品。 ( 2 3 调整粉碎气流压力的大小，制备较高长径比的硅灰石产品。 ( 3 ) 为了保护硅灰石的长径比，实验对原料进行了加热预处理，通过加 热不同的温度和不同的时间，得到高长经比的硅灰石产品。 ( 4 )由于进入气流磨的物料颗粒形状差别较大，所以将物料按照不同的 粒级筛分，按备个粒级绘入磨矿，以期得到离长径比的硅灰石产品。 ( s )不同的粉碎设备对硅灰石产品长径比的影响，本试验采用气流磨和 球磨机对比。 ( 6 ) 从硅灰石的晶体结构和x 射线衍射结果分析气流磨粉碎硅灰石的试 验机理。 东北大学硕士论文 第一章绪论 第二章样品选择、制备和方法研究 2 1 试验样品选择 试验样品由辽宁省法库金岗硅灰石矿业有限公司提供，矿石最大颗粒直径 为5 m m ，矿石纯度在9 0 以上，含有少量的方解石和石英。 2 2 试验样品制备及物化性能分析 2 。2 1 试验样品的制备 将原料用2 s m m 的筛子进行筛分，筛上物料进入棒磨机，研磨时间为2 m i n ， 棒磨后的物料继续用2 s m m 的筛子筛分，筛上物料重复以上试验，赢至所有物 料通过2 5 m m 筛予。 将筛下物料与研磨物料混匀，用四分法取物料，取每5 0 魄为一份作为原料。 2 2 2 试验样品的物化性能分析 ( 1 ) 试验样品化学分析 取原料l o g ，研磨至2 0 0 目做x 射线衍射。衍射图片如图2 1 所示。 1 02 0 3 0 加 o o糊 d i i f a m c t i o na n g l “2 0 ) 图2 1 硅灰石的x 射线衍射图谱 f i g 2 1t h ex - r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n so f w o u a s t o n i t e s 锄 啪 啪 一 釉 蛳 舢 。 一 3 咎 2 o ， ， - sa墨蕾罄童ul 9 i 日叠 东北夫擎硕士论文第一章绪论 与j c p d s 卡片的1 0 - 0 4 8 7 号对应，由于是天然矿物，有一些杂峰。 取原料1 0 9 ，研磨至2 0 0 目做矿物全化学分析。分析结果如表2 1 所示。 表2 1 硅灰石的化学成分 1 曲l e 2 1n 璩c h e r a i ce l e m e n t so f w 稍l a s t o n i t e s 硅灰石中的主要成分为c a s i 0 3 ，理论含量c a 0 4 8 3 和s i 0 2 5 1 7 ，由表 2 i 全化学分析结果可知，试验矿样很纯，s i o a 和c a o 含量接近矿物理论含量 含有少量m g o 、f e 2 0 3 以及其他杂质，这与x 衍射的结果是相符的。 ( 2 ) 试验样品物理性质 取原料少许，单层铺于载波片上，在偏光显微镜的图片如图2 2 所示。 图2 , 2 原料的显微照片 f i g 2 2t h ep i c t u r e so f t h ep r i m a lw o l l a s t o n i t e s 测试的原料的平均长度、壹径及计算的长径比如表2 2 所示。 袁2 2 原毒； 的平均长度、直径以及长径比 平均直径( m )平均长度( “m ) 长径比 2 1 6 4 1 1 8 9 0 6 2 4 4 l4 ，1 8 由图2 2 和测试的结果表2 2 可知，原料的颗粒形状不尽相同大部分呈现 针状，但是有少部分为块状和球状，长径比较小。 2 。3 高长径比硅灰石的制备方法 目前，植被针状硅灰石的设备主要是冲击式粉碎机、振动磨矿粉碎机、改进 型雷蒙磨、介质搅拌磨和气流粉碎枧1 3 3 1 。冲击式粉碎、振动磨矿粉碎，只能隹4 各 东北大学硕士论文 第一章绪论 出低长径比的硅灰石粉体；改进型雷蒙磨，只能使硅灰石产品细度变小，丽不适 于制备商长径比的硅灰石粉体：介质搅拌磨，在适宜的磨矿介质、物料介质比、 磨矿液固比和一定的磨矿时间条件下，可制备出长径比大于5 的硅灰石粉体，但 随磨矿时间的延长，硅灰石针状或短柱状晶体将全部成为颗粒状；气流粉碎，特 别是流化床式气流粉碎，实现了流场多元化、料层流态化和分级卧式化，在合适 的参数和工艺条件下可制各出高长径比的硅灰石粉体，其缺点是能耗相对较高， 但高长径比硅灰石粉体的产品附加值也高1 3 4j 。 制备高长径比的硅灰石，主要的是要考虑到在制备过程中硅灰石长径比的保 护问题，所以本试验选择粉磨设备为q l m - i 气流密粉碎系统。 将物料5 0 0 9 加入马佛炉加热预处理，空冷后进入气流磨给料器，调节气流 磨工艺参数，制备产品，取产品的方法采取间断取料，每l o m i n 取产品一次。将 取的产品在偏光显微镜下观察测试，记录下物料的长度和童径。 1 4 东北大学硕士论文第三章高长径比硅表石的制备 第三章高长径比硅灰石的制各 3 1 高长径比硅灰石的制备系统和产品的检测系统 3 1 1 高长径比硅灰石的制备系统 制各高长径比硅灰石的气流磨粉碎系统是由空气压缩机及气源净化系统、给 料系统、磨体、成品收集系统、电器控制柜五部分组成。制备系统如图3 。l 所示，实物图如3 2 所示。 图3 1 q l m - i 型流化床式气流磨粉碎系统 f i g 。3 1t h ec r u s h i n gs y s t e mo f q l m 一1b ya i rcu r r