砂磨机及砂磨介质简介

砂磨机及砂磨介质简介 一 砂磨机工作原理 研磨介质及物料间的作用是由高速旋转的叶片产生的 靠近叶片表面的研磨介质和物料受粘度阻力而随叶片运动 被离心力抛向砂磨机筒壁 形成双环形滚动的湍流 研磨介质间剧烈的运动产生剪切 挤压和摩擦力 使介质间的物料粒子受力变形并产生应力场 当应力达到颗粒的屈服或断裂极限时 便产生塑性变形或破碎 未被粉碎的颗粒受离心力作用被甩向砂磨机筒壁 此区研磨介质密度最大 从而强化了粉碎作用 粉碎后的微小颗粒经分离器与研磨介质分离后流出砂磨机 工作原理图示 5um 剪切破碎力 挤压破碎力 团聚大颗粒 物料原始颗粒 研磨介质 二 砂磨机的发展历史 第一阶段 球磨机第二阶段 立式搅拌磨 底部筛网分离器 棒式研磨原件 第三阶段 立式圆盘砂磨机 盘式 顶部筛网分离器 第四阶段 立式销棒砂磨机 棒式 顶部缝隙分离器 第五阶段 卧式圆盘砂磨机 盘式 动态转子离心分离器 第六阶段 卧式销棒循环砂磨机 棒式 超大过滤面积分离器 一个研磨体系 主要由几何参数 物料参数 研磨介质参数和过程参数等因素构成 其中研磨介质参数 如研磨介质的比重 球形度 光洁度 机械强度 耐磨性 化学稳定性 直径 均匀性 填充率等因素对研磨效果影响甚大 研磨介质是砂磨机不可分割的配套材料 三 砂磨机结构 主要结构参数 A 研磨分散盘结构类型 盘式 销棒式 凸块式B 研磨筒布置方式 卧式 立式C 介质分离器类型 静态 动态D 搅拌轴密封形式 唇封 机械密封E 筒体和磨盘材质 不锈钢 离心浇铸钢 陶瓷 高分子材料 PU 分散盘类型 不锈钢盘式分散盘 不锈钢盘式分散盘 不锈钢盘式分散盘 树脂盘式分散盘 凸块式分散盘 棒销式分散盘 研磨筒布置方式 卧式 立式 立式砂磨机 卧式砂磨机 立式砂磨机和卧式的区别 1 以制造的难易度和成本来比较 立式砂磨机因为避免了密封方面的问题 所以制造难度低 价格便宜 适合低要求高产能的产品 2 以研磨的细度来比较 立式砂磨机因研磨腔内研磨介质受重力影响 介质填充率较低且分布不均匀 研磨能力较差 所以一般适合研磨细度要求在20微米以上的场合 易分散的物料最细10微米可以达度 细度要求较高的物料用立式砂磨机研磨会需要很长时间 且不一定能达到需要的细度 卧式砂磨机因为研磨介质分布均匀 填充率较高 所以可以研磨细度要求10微米以下的产品 最低可达1微米 3 以使用成本来比较 立式砂磨机因停机时介质在研磨腔的底部 开机时叶片和珠子产生强力磨擦 所以珠子易碎和磨损大 4 材质方面 立式砂磨机的主要是针对低要求高产能的产品 所以价格便宜 也就造成制造商普遍都是选用比较普通的材质 而卧式砂磨机因为很多都是针对中 高档产品 所以用材比立式砂磨机要好 当然不同品牌可能又有很大的不同 分离设备国内较常用的是碳化钨金属材料 5 卧式砂磨机实际上是把立式砂磨机的筒体横过来水平放置的一种砂磨机 因为转轴是水平的 而叶轮的平面是垂直于水平面的 这样至少有个好处 就是当开动机器不会像立式砂磨机那样需要额外地克服层层压在叶轮平面上的砂子重力 故一般地说卧式砂磨机比立式的更能节约动力 介质分离器类型 静态 动态 介质分离系统是砂磨机的一个重要组成部分 它的功能是将已磨过的物料与研磨介质分开 常用的介质分离器分为静态的和动态的分离器 静态分离器不能使用很小的研磨介质 且容易磨损 物料容易堵塞 动态分离器 可以使用小的介质 研磨效率高 磨损低 不容易堵塞 左上图为静态弹夹介质分离 出口容易堵塞 但是清洗方便 被动防守 右上图为旋转分离筛筒 不易堵塞 物料从空心轴输出 但分离筒磨损严重 左下图为转子动态分离筛筒结构 离心分离原理 设备出口不易堵塞 右下图为转子动态分离结构 并设置出口物料返回管道 当砂磨机出口堵塞时 压力急剧上升 压力信号开启输送螺杆的驱动电机 将料浆送回到砂磨机入口 该原理看似很好 但实际中往往由于液体很小的不可压缩性很难实现 研磨介质分离系统的进步随着对产品细度要求的不断提高 使用研磨介质的尺寸越来越小 小尺寸研磨介质的分离是砂磨机研发中最难解决的难题之一 传统砂磨机使用的缝隙环及静态筛网很难分离小尺寸介质分离 所以越来越多的使用动态离心分离系统 分离转子带动介质旋转而产生的离心力使介质被甩向转子外周围 而转子中心主要是料浆 而将分离筛网布置在转子中心 料将可以顺利的通过筛网缝隙而流出 不会发生堵塞及磨损 所以将干法气流分级原理用于砂磨机介质分离是砂磨机发展史上的技术飞跃 筒体和磨盘材质 在砂磨机这个行业当中有很多厂家研磨桶体大多数都是用的不锈钢材质 304 在不绣钢材质当中也分很多种 比如 江苏 重庆 秦皇岛等 他们的设备主要是采用304的不锈钢来做研磨桶体 如果你是做水性的就会出现生锈 在大家的眼中认为304不绣钢一般是不会生锈的 但是 他们的设备在研磨的时候或者是等一段时间设备放在那里不工作 这个时候水在里面时间一久 就会出现生锈的痕迹 其原因是304钢里面含有一种叫镍的元素 304钢最高的镍含量是8个 这样的钢是不会生锈的 他们用的304钢主要是含4个镍 所以在研磨的时候会出现生锈的现象 四 研磨介质的介绍以及影响砂磨效率的因素分析 1 概述 这类机器之所以叫做砂磨机是因为最早使用的研磨介质是天然砂子 在国外 直到现在还有使用天然砂子的 这种天然砂子是经过筛选过的 早期的文献介绍选用20 40目的较好 国内外最近发表和推荐的砂子直径则大都在0 3 3 0mm范围内 同球磨机选用球的原则一样 研磨介质的大小须视物料及研磨要求而定 一般是研磨介质直径小一点则研磨效果好一点 但要注意这是有限度的 虽然国内设备研磨介质大小的下限为0 3mm 但在实际应用中研磨介质的直径很少使用0 6mm以下的 至于研磨介质的形状 因为是在高速下运转的 几乎都一致认为以球形或接近球形的最好 由于砂磨机的研磨作用仍然是撞击和剪切力为主 因此如果研磨介质的密度大一点 那么同一大小的研磨介质 这两个作用力就会大一些 砂磨效果也就会好一些 目前我国大都采用玻璃珠 钢珠 硅酸锆珠 氧化锆珠 作砂磨机的研磨介质 2 研磨珠化学组成 研磨介质按材料的不同可分为玻璃珠 陶瓷珠 包括硅酸锆珠 二氧化锆珠 二氧化铝珠 稀土金属稳定的二氧化锆珠等 钢珠等 研磨珠的化学组成在研磨过程中的自然磨损对浆料的性能会有一定的影响 所以除了考虑低磨损率外 顾忌的化学元素也是要考虑的因素 总之 珠子的化学组成所决定的一些物理性能 硬度 密度 耐磨性 和本身的磨耗对浆料的污染情况是选择研磨介质要考虑的因素 3 研磨珠的密度 密度在通常的文件中是以比重 真比重 和散重 假比重 来表示 各种氧化物的分子量和百分组成决定了研磨的密度 常用的研磨的密度如表一所示 表一类型玻璃珠硅酸锆珠纯锆珠氧化铝珠钢珠稀土锆珠比重2 54 35 55 77 86 1散重1 52 53 23 44 3 7通常情况下 比重越大的研磨珠 冲量越大 研磨效率越高 而对砂磨机的接触件 内缸 分散盘等 磨损相对比较大 所以浆料的粘度和流量的配合成为关健 低密度研磨珠适合低粘度的浆料 高密度的研磨珠适合高粘度的浆料 T 1 2MV2 1 2J 2式中 T 研磨介质总动能 M 研磨介质的质量 V 研磨介质的运动速度 J 转动惯量 平面运动研磨介质的角速度 4 研磨珠的硬度 硬度越大的研磨珠 珠子的磨损率理论上越低 如从研磨珠对砂磨机的接触件 分散碟 棒销和内缸等 磨损情况来看 硬度大的研磨珠对接触件的磨耗性虽大些 但可通过调节珠的填充量 浆料的粘度 流量等参数以达最佳优化点 5 研磨珠的粒径 研磨珠的大小决定了研磨珠和物料的接触点的多少 粒径小的珠子在相同的容积下接触点越多 理论上研磨效率也越高 另一方面 在研磨初试颗粒比较大的物料时 例如对于100微米的浆料 D 1mm的珠子未必胜用 原因是小珠子的冲量达不到充分研磨分散的能量 此时应采用粒径较大的珠子 研磨介质间的接触产生粉碎物料的机械力 在两研磨介质接触后形成一个区域 物料只有在这一区域的包容下才有可能粉碎 其体积为 Va 2 r2 R1 3r 式中 Va 研磨有效区域 R 研磨介质半径 r 物料半径 就单位体积而言 小研磨介质比大介质这一区域增大约1 R2 假设随机堆积因数 0 639 每个研磨介质约有4 6个接触点 在25 4mm3 1 0in3 的体积中 研磨介质直径为3 175mm 1 8in 有2900个接触点 而直径为0 794mm 1 32in 有180000个接触点 即小研磨介质直径是大研磨介质直径的1 4时 接触点增大约62倍 这是小介质提高磨效的主要原因 生产的实际情况也遵循这一规律 6 研磨介质球形度 球形研磨介质在随叶片公转的同时 还有本身的自转 其总的动能为 T 1 2MV2 1 2J 2式中 T 研磨介质总动能 M 研磨介质的质量 V 研磨介质的运动速度 J 转动惯量 平面运动研磨介质的角速度 式中的1 2J 2是研磨介质自转产生的附加能 由此产生对粒子的剪切和摩擦的粉碎作用 显然 自转角速度 越大 产生的附加能也越大 当球体不均匀时 自转运动受阻 降低了附加能 不利于研磨 7 研磨介质球形度 关于研磨介质均匀度研究者结论不一 一种说法认为研磨介质直径应一致 从动力学的角度看 当介质直径一致时 体积相同 则质量相等 即m1 m2 在运动中可获得相同的动量m1v1 m2v2 m1 m2时 m1v1 m2v2 两球相撞时大球将小球撞开 造成大球追小球的情况 磨效会降低 另一种说法与前面的结论恰好相反 从几何学的角度考虑 认为不同直径研磨介质混装 小介质填充了大介质的空隙位置 增多了介质的接触点 因而可提高磨效 8 研磨介质球光洁度 研磨介质与浆料混合装入研磨室 在研磨粉碎物料的同时 介质也会有一定的磨耗 磨耗的材料进入浆料后 用通常的方法很难分离 影响产品质量 甚至改变物料的色泽 这是生产者所不希望的 对于同一种材料 磨耗率与研磨介质表面光洁度成正比 所以要求研磨介质表面光滑 以减少磨耗率 9 首次使用研磨介质的注意事项 依物料的粘度高低选择锆珠或玻璃珠依原料颗粒大小和产品所要求的细度选择合适尺寸的珠子 检查研磨机的分离器或筛网孔径是否设定选择合适 间隙应为最小珠子直径的三分之一 尽量避免在干态下开启研磨机 造成珠子和配件的不必要损耗 不同品牌珠子不可混合使用 尽量避免大小珠子的混合使用 研磨设备的要求 1 筛网分离 珠子的最小直径 筛网的缝隙 1 5 2 环式分离 珠子的最小直径 环的缝隙 3 工艺要求 1 物料的初始直径 珠子的最小直径 珠子直径的30 50 2 物料的最终直径 珠子的直径 珠子直径1 5mm是较佳的选择 10 碎珠产生原因 就珠子本身而言 一方面是珠子的质量问题 另一方面或者是此种材料的珠子强度不能胜用某种型号的砂磨机 如瑞士的Dyno millECM卧式砂磨机和德国Drais的DCP立式砂磨机 因输入的能量密度比较高 通常建议使用纯锆珠 另外 研磨珠在砂磨机正常工作下 以受到大约1公斤的压力 相对玻璃珠能承受约5000公斤力和硅酸锆珠9000公斤而言 研磨珠在砂磨机中的受力是微不足道的 所以碎珠的原因应集中在设备上和工艺上 而采取相应的解决办法 11 碎珠解决途径 设备方面分散盘 分散盘装反 松动或裂损 分离装置 动态筛圈有缺口 筛网破损 进料泵 齿轮泵突然关掉后 砂磨机内压力将珠子反压到泵内 可以通过加装单向阀尽量避免 同时保持定期清洗进料泵 内缸 内缸有缺陷点 生产操作方面 大小珠子混合使用 此种情况刚开始有提高研磨效率的迹象 但随着研磨时间的加长 产生了大珠磨小珠的情形 最后加快小珠的变形以至破碎 解决方法是尽量使用粒径均一的珠子 不同品牌珠子的混合使用 因各种珠子的硬度 密度等不一致 容易产生硬珠子吃软珠子的情形 故应杜绝此种形式 浆料的粘度过稀或过凋 相对一定密度的研磨珠而言 如此容易造成珠子的堆积和直接接触砂磨机的磨损件而加快珠子的磨损和破碎 物料的流量过快 这样会造成珠子积压在物料出口处 而加快此处的珠子与砂磨机配件的磨损 12 研磨介质发展趋势 1 粒径愈用愈小研磨设备从全球第一台使用粒径较大研磨球的搅拌式球磨机 Attritor 诞生 发展到使用粒径较小的研磨珠的立式砂磨机 卧式砂磨机以及各种带改良功能的超细研磨新一代砂磨机 使用的研磨介质的粒径愈来愈小 其主要有两个推动原因 物料研磨最终细度微米化 由于研磨机内的物料是通过运动中的研磨介质的接触作分散和研磨 研磨介质粒径越小而接触点越多 最后达到较高的研磨效果及较小的研磨细度 例如某一品牌粒径为2mm硅酸锆珠 每升约为20 000颗 而粒径为1mm的颗粒达到约80 000 后者是前者的4倍 当使用较大粒径锆珠对某一产品进行研磨时 无论经过多少道的砂磨 物料的粒径始终未能达到要求的细度 而当改用粒径较小的研磨珠时 效果即得到明显的提高 砂磨机分离装置的改进使用超细研磨珠成为可能 允许使用的最小研磨珠粒径已成为评衡砂磨机质量档次的一重要指标 分离装置设计和制作材料的每一次革命 都带来了使用研磨珠颗粒变小的一次飞跃 分离装置从静止传统的扁平Nickel网到带三角横梁的Johnson网以及到动态的环式分离器和套筒式Cartridge网 除使用寿命延长之外 能使用研磨介质的粒径越来越小 而同时又不明显影响物料的流量 套筒式Cartridge网的代表 如美国Premier的速宝磨 所用的最小珠子达到0 2mm 环式分离器的代表 如瑞士的Dyno mill实验室型 可用珠子粒径也可达到0 2mm 而瑞士Buhler公司开始研制的离心式分离装置 使分离原理从区分珠子粒径大小转为区分珠子密度大小 而使研磨珠的最小粒径推向新的极限 2 比重愈用愈大从动力学公式P mv可知 珠子的冲量P与珠子的质量m成正比 密度越大的珠子运动能量就越大 研磨效率也相对越高 由于韧性较高的无机颜料 如碳黑 酞青蓝 氧化铁等 需要超细研磨 加之要追求更高的研磨效率和理想的光泽度 使用高密度的研磨珠业已成为一条解决途径 而砂磨机生产商又配合了这一要求 主要有以下两点原因使之成为可能 高输入能量密度砂磨机的产生 现代砂磨机的发展趋势之一是研磨缸的体积变小 而配置的马达功率变大 所输入能量密度就急剧增大 相关对照参数如下表所示 传统砂磨机品牌美国Premier瑞士型号HM 15BuhlerK60研磨缸体积15L4 8L马达功率15KW20KW能量密度1KW L4 2KW L由上表得知 现代砂磨机的能量密度为传统砂磨机的4倍甚至更多 这就使得有效带动高密度的研磨珠 如纯锆珠 成为可能 同时因研磨区域的高能量分布 只有高抗压强度和耐磨的研磨介质 如纯锆珠 才能胜用 砂磨机接触件材质质量的提高 砂磨机的接触件 如内缸 分散碟 棒销和分离装置等 采用了坚硬耐磨的硬质合金 如碳化钨 及陶瓷 如碳化硅 氧化锆等 等高性能的材料 可抵挡因如纯锆珠本身高能量和高硬度的冲击和摩擦所带来的磨损 3 珠的粒径偏差愈来愈小对于砂磨机 均匀粒径的研磨珠体现出其优越性 一方面是对物料细度的狭窄分布有一定贡献 另一面是大大减小碎珠的产生而减少砂磨机接触件的磨损和避免对产品的污染 如今市场上通用的耐诺研磨介质粒径偏差保持在0 2mm 均匀的珠子因制作工艺较复杂 所以市场价格也相对较高 综上所述 需研磨产品的多样性及生产工艺的复杂性 决定了研磨介质的多样性 多种研磨珠 如玻璃珠 石珠 硅酸锆珠 纯锆珠以及铬钢珠可和谐共存 不同的只是所占市场份额多寡而已 13 研磨介质的填充率 研磨介质的用量同物料的黏度 研磨物料的温度有关 因此确定研磨介质用量必须考虑这些因素 一般的原则是物料的黏度大时 研磨介质用量就应该少点 黏度小时则研磨介质用量可以稍多一点 对于立式砂磨机 研磨介质用量可以大到使介质堆在筒体内的表面达到刚好低于最上一层叶轮稍低一点的地方 这样可以使研磨介质有一上升的空间 但这必须同时考虑墨料泵送的速度 因为物料送入筒体的速度快 介质翻动就会高一点 这样介质以上的空间就要留出多一点 亦即研磨介质用量要适当少一点 对于卧式砂磨机 研磨介质用量可以从简体容积的80 开始 然后根据物料的出料温度或者冷却水的温度来增减研磨介质用量 一般来说 当温度超过允许范围时 就应减少研磨介质用量 温度低于允许范围时 在增加转轴速度之前 可优先考虑增加研磨介质用量 物料粘度 建议在允许情况下尽量提高物料粘度 以降低磨耗 13 研磨介质充填率对研磨效率的影响 研磨介质充填率对砂磨机的研磨效率有着直接的影响 研磨介质充填率越大 研磨介质接触频率就越大 分散研磨能力也增大 在相同研磨时间内产品粒径就越小 经反复试验 充填率在80 一85 最为理想 当充填率超过85 时 会产生 珠磨珠 的现象 磨室内的温度迅速上升 磨损急剧增加 14 冷却水温度对研磨效率的影响 冷却水温度是对砂磨机的研磨效率起重要作用的因素之一 研磨介质在剧烈运动情况下 与机器内壁及研磨介质之间在冲击力 摩擦力的作用下 机械能转化为热能 产生大量的热量 随着温度的升高 物料会发生凝集 成品粒子的质量会下降 因此 玲却水温度的高低直接影响研磨室内的工作温度 从而影响研磨效率 其影响见试验对比表l 从试验对比可发现 在其他条件相同的情况下 使用l5 冷冻水的研磨效率比使用22 循环水处理量高34 因此 冷却水温度控制在l5 左右 可大大提高研磨效率 试验条件 试验墨料为TOP红色溶剂油墨700kg 经SW30重庆砂磨机研磨 研磨介质直径0 8m 充填率80 试验砂磨机型号为FN20 每次试验重复3 5次 表中数据为平均值 15 冷却谁温度对砂磨介质磨损的影响 研磨介质磨损是任何磨机都无法避免的 湿式砂磨机研磨介质磨损量约是定子 转子等部件的l0倍左右 研磨介质磨损的最大坏处是磨损物夹杂在产品中排出 对产品带来金属污染 影响产品的质量 所以 研磨介质磨损是大家十分关心的课题 冷却水温度的高低对研磨介质磨损有着重要的影响 具体下表2 图2所示 在水温印 4o 2o 条件下 当达到一定的运转时问 磨损急速增加 而水温越高急速磨损就会在越短的时问内发生 当水温下降至l5 时 磨损就大大降低 因此 为使砂磨机控制在低温中运行 降低研磨介质磨损 冷却水温度也应控制在l5 左右 砂磨机最新发展趋势 1 研磨介质分离系统的进步随着对产品细度要求的不断提高 使用研磨介质的尺寸越来越小 小尺寸研磨介质的分离是砂磨机研发中最难解决的难题之一 传统砂磨机使用的缝隙环 很小的过流面积 及静态筛网很难分离小尺寸介质分离 所以越来越多的使用动态离心分离系统 分离转子带动介质旋转而产生的离心力使介质被甩向转子外周围 而转子中心主要是料浆 而将分离筛网布置在转子中心 料将可以顺利的通过筛网缝隙而流出 不会发生堵塞及磨损 所以将干法气流分级原理用于砂磨机介质分离是砂磨机发展史上的技术飞跃 2 院高能量密度销棒式砂磨机在过去一段时间 国内外几个主要砂磨机厂家片面的认为要提高产品细度 减小颗粒尺寸 必须提高砂磨机能量密度 以致出现了不少结构复杂的销棒式砂磨机 A 砂磨机DCP结构 1在转子和定子上密密麻麻的布置了很多硬质合金销棒 物料从上部进入 经过曲曲弯弯 碰碰撞撞的 N 字路线后从底部排出 介质对销棒 转子及定子的磨损极为严重 物料往往会受到金属污染 而且只能使用昂贵的氧化锆研磨介质 B 砂磨机DCP结构 2和结构 1基本一样 但是为了解决散热问题 在转子上又设置了冷却夹套 C 砂磨机LMZ仅在转子上布置了销棒 而在定子及半个转子上布置了冷却夹套 销棒对于对面定子内表面磨损很厉害 金属污染物料在所难免 3 卧式离心砂磨机渊高能量密度外环研磨区经过多年误入歧途人为复杂化的砂磨机设计 人们终于返璞归真了 发现物料真正的研磨仅出现在具有一定能量密度的研磨区域 而低能区仅发热而已 奏热闹而已 高能量密度区只能出现在线速度最大的外环区域 A R 砂磨机从外定子径向进料 经过外环研磨区的物料通过动态介质分离筛网轴向侧面排出 B ZR 砂磨机物料经过空心轴侧面进入转子到达外环形研磨区 该设备转鼓 定子 与内转子以不同的转速旋转 介质分离筛网 固定在转鼓上 成为真正的旋转动态分离器 结构复杂的双转子结构对各个旋转体的同轴度误差要求极高 C SC 砂磨机物料从轴向中心加入 到达外环研磨区域 研磨后的物料通过外环筛网环排出 研磨轨道也就是陶瓷分离环 虽然过滤面积增大了 但是分离环磨损严重 而且容易堵塞厉害 某公司砂磨机参数 五 操作规范 1 研磨操作 1 启动泵向研磨腔输入物料 直到砂磨机出口流出物料 泵电机与主机为联锁控制 20秒内必须启动主机 否则泵将自停 可重复启动几次泵 使研磨腔充满物料 以防止机器干磨 2 启动主机 启动泵并调节泵速至适当值 2 停机和清洗 1 检测产品细度达到要求后 准备