(中國粉體技術網/班建偉)石墨是我國一種重要的非金屬礦物,它具有導電、導熱、耐高溫、抗熱震、化學性質穩定、潤滑、可塑等性能,廣泛應用于冶金、機械制造、電氣、化工、核工業等領域。其中超細石墨主要應用于電子、航空工業,如顯像管石墨乳和石墨電極、油基膠體石墨、電池和鉛筆。
我國是世界上主要的石墨生產國和出口國,同我國其他礦種的開發狀況類似,石墨開發仍以生產原礦及低附加值的初級產品為主,尤其在國際貿易中,更是以中低檔的原料級產品作為主流,平均價格只有152.84美元/t。同時與原料生產大國不協調的是,我國還大量進口高質量、超細粒度的石墨,而且進口產品中有些是以我國石墨為原料的制品,但價格卻是我國石墨出口價格的幾倍甚至幾十倍。因此在石墨超細粉碎工業中,提高石墨的超細程度,降低生產成本是一個急待解決的問題。
石墨超細加工磨礦設備各種各樣,主要有高速機械沖擊式磨機、氣流磨、振動磨、介質攪拌磨、膠體磨五大類。石墨超細加工工藝分干法和濕法兩種,干法生產工藝不需要后續的過濾和干燥過程,所以工藝較為簡單、操作維護也比較方便。可是如果加工產品要求高的時候,干法磨礦就顯得能耗高,產品細度不易達到要求。尤其是超細產品可以以濾餅或漿體的狀態銷售的時候,濕法磨礦就顯示出其優越性。
近幾十年來國內外的科研生產研究表明,在粉碎微米—亞微米級礦物的時候,攪拌磨的磨礦效率是滾筒球磨機的1 0 倍以上,且能耗低,生產相同的產品,其電耗是氣流磨的1/13,且無震動、低噪音、濕磨無粉塵、作業環境好。因此,石墨超細粉碎試驗研究我們選用攪拌磨作為試驗設備,從磨礦濃度、球礦比、球徑配比、磨礦轉速、助磨劑用量、磨礦時間等幾個方面探索對石墨超細磨礦的相互關系及其有關規律。通過試驗,初步取得了十分有益的結果。
1 石墨礦樣的性質、試驗設備性能、測試儀器
石墨樣品采用山東平度生產的產品,粒度為-325目、品位為92.2%的鱗片石墨。該石墨屬于片狀礦物,在超細磨礦中有著不同于其他礦種的特殊特點,由于本身是典型的層狀結構和原子結構,因此它具有良好的潤滑性和天然的疏水性,使得進行超細磨礦時,磨礦介質與石墨之間容易形成水層,介質與石墨不容易直接接觸,給石墨超細磨礦帶來了很大的難度。
試驗使用的設備為ZJM-20型介質攪拌球磨機,球磨桶內徑20cm,有效容積3.6L,桶體內壁設置有樹脂內襯,外壁有水冷套冷卻裝置,磨礦過程不會對產品造成污染。
粒度檢測儀器為日本產SKC-2000型光透過式粒度分布測定儀,測量粒度范圍為0.1~800μm。
2 試驗過程及討論
2.1 超細磨礦介質的選擇
介質攪拌磨礦工藝中,磨礦介質的選擇非常重要,一般對磨礦介質的要求是比重大、污染小、磨耗值低、價格便宜。目前,磨礦介質主要有天然砂、氧化鋯球、氧化鋁球、玻璃球、鋼球、鉻球。
這幾種球中,氧化鋯球、氧化鋁球和玻璃球的污染比較小,它們的密度(g/cm3)分別是氧化鋯球5.5、氧化鋁球3.6、玻璃球2.6。就磨耗值來比較氧化鋯球最少,氧化鋁球次之,玻璃球最差。從價值上比較,這三種球的價格之比為20∶2∶0.4。綜合考慮以上各項因素,并根據以往超細磨礦介質對比試驗經驗,最終確定選用氧化鋁球作為本次超細磨礦試驗的磨礦介質。
2.2 磨礦濃度的研究
一般礦物顆粒外形基本上屬于球形,經過濕式超細磨礦后,球形超細微粒之間不容易產生靜電吸附,而且礦漿分散性好。但是,石墨礦物屬于片狀礦物,超細磨礦過程中,磨礦細度越高,石墨礦的表面能越大,不規則礦物的片狀邊緣之間容易產生靜電吸附,同時礦物微粒之間容易疊加,所以石墨超細磨礦過程中礦漿分散性比較差。根據上述情況,石墨超細磨礦試驗的磨礦濃度不宜參照常規的磨礦試驗,應根據石墨的實際情況,制定相應的磨礦濃度。磨礦試驗條件:研磨介質3mm的氧化鋁球,球礦比10∶1,攪拌器轉速600r/min,磨礦時間1h,磨礦濃度分別定為15%、20%、25%、30%,表1是不同磨礦濃度下的產品細度。
從表1 可以看出,當磨礦濃度逐漸增加,磨礦細度(-2μm含量)相應的增加,磨礦效率逐漸提高。但是,濃度增加到25%以后,磨礦細度開始下降,這是因為高濃度時石墨的分散性低,容易結成絮團,不利于超細磨礦。因此,石墨超細磨礦濃度約為25%是最佳條件。
2.3 超細磨礦球徑的探索
攪拌磨磨礦主要通過攪拌器攪拌研磨介質產生沖擊、摩擦和剪切力等作用使物料粉碎,研磨介質粒徑大小對研磨效率和產品粒徑有著直接的影響。理論研究表明,介質的粒徑越大,產品的粒徑越大,反之,介質的粒徑越小,產品愈細。為了提高磨礦效率,研磨介質的粒徑應大于1 0 倍的給礦平均粒徑。由于石墨本身潤滑性比較好,層間垂直硬度大于6,因此,研磨過程中要求沖擊力比較大。所以,磨礦介質的球徑不能太小。磨礦條件同上,表2為不同球徑研磨試驗產品的細度。
由表2 可以看到,隨著研磨介質粒徑增大,磨礦產品細度增加,這是因為介質粒徑越大,研磨時的沖擊力越大,磨礦效率提高。但是如果研磨介質球徑繼續增大,造成球與球之間的三角空隙增加,反而使得磨礦效率降低。因此,當研磨介質為2 ~0.5mm時,磨礦效率最高,產品中-2μm含量最多。
2.4 添加助磨劑的探索
超細磨礦粉碎過程中,當顆粒的粒度減小至微米級別以后,粉碎難度大大增加,顆粒的比表面積及表面能顯著增大,微細顆粒之間相互團聚的趨勢明顯增強。加入表面活性劑分子后,可以降低礦物的表面能,使顆粒之間的吸附力減弱,阻止微細顆粒的二次團聚。同時表面活性劑分子還可以減少微細顆粒在研磨介質上的粘附,提高磨機內物料的流動性,從而提高產品細度,降低粉碎極限和單位細粒產品的能耗。通過對常規助磨劑的試驗探索,沒有找到起明顯助磨作用的助磨劑,為解決此問題,本次試驗采用的是自配的有機助磨劑。試驗條件同上,表3 是不同用量助磨劑對產品細度的影響。
由表3 可以清楚地看到,添加助磨劑可明顯提高石墨超細磨礦效率,說明該助磨劑可以有效降低石墨微細顆粒表面的表面能,阻止石墨顆粒之間的團聚,大幅提高石墨超細磨礦的極限。同時也可看出助磨劑用量超過5% 以后,磨礦效率不再提高。所以,助磨劑添加量約為5% 比較合適,同時,也表明此種助磨劑對石墨超細磨礦有非常明顯的作用。
2.5 超細磨礦球礦比的探索
超細磨礦的球礦比直接影響微細產品的產率,當球礦比較小時,物料在磨機內填充量較大,此時能源利用率高,但是,產品中- 2μm 含量下降。當球礦比過大時,物料填充量小,產品的-2μm含量上升,但是磨礦介質磨損率高、能耗大。因此,適當的球礦比,既可以得到高的產品產率,又可以保持較低的能耗。該試驗的試驗條件是:2~0.5mm氧化鋁球,磨礦濃度為25%,轉速600r/min,助磨劑用量5%,磨礦時間1h,通過不同的球礦比考察-2μm含量的變化規律。表4 是各種球礦比對產品細度的影響結果。
從表4的試驗結果可以看出,過高過低的球礦比都不合適,只有當球礦比為10∶1時,產品中-2μm含量最高。
2.6 超細磨礦時間試驗
超細磨礦工藝中,需要以最短的時間獲得最大的產品產率。因此,磨礦時間的探索直接與經濟成本有關,低成本高產出一直是磨礦工藝探索的基本原則。本次試驗在其他條件不變的情況下,通過對不同磨礦時間產品細度的考察,來探索最佳的磨礦時間。表5 是不同磨礦時間的產品細度結果。表5 中的數字表明,磨礦時間達到2 h 后,磨礦產品中-2μm含量增加緩慢,從能耗、生產成本等方面考慮,磨礦時間2h 比較適宜。
3 結論
(1)攪拌磨是石墨比較有效的超細磨礦設備,磨礦效率高、工藝簡單、產品粒度細,可以有效地節省物力、財力,降低石墨超細磨礦的成本。
(2)石墨是一種片狀礦物,在超細磨礦時,磨礦濃度不能參照常規的磨礦濃度,應該考慮到石墨的疏 水性和分散性較差的特點,才能探索出最佳的礦漿濃度規律。
(3)新研制的助磨劑可以改變磨礦結構,提高磨礦極限,因此,這種新的助磨劑在石墨超細磨礦中起著非常重要的作用。
(4)球礦比、磨礦轉速、磨礦時間對磨礦效率都有很大的影響,過高過低都不適宜,最佳的磨礦條件應在有針對性和創新性的試驗中獲得。
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