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研磨分散納米粉體關鍵設備的研發與產業化 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2015-05-07 11:07:49 瀏覽次數: |
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(中國粉體技術網/班建偉)最近十幾年來臥式砂磨機得到了迅速地發展,在冶金、礦業、非金屬礦物材料、化工、陶瓷和新材料領域廣泛地應用。超細臥式砂磨機是一種高效節能的超細濕法粉碎設備.隨著臥式砂磨機設備的超大型化和技術的不斷完善。臥式砂磨機將在金屬礦山再磨或細磨作業中越來越普遍應用。
不論是傳統產業提升研磨效率求快或是高科技產業納米化材料求細需求,大批量工業化生產、耐高溫、強酸、耐磨、無污染控制都同樣重要。所以細﹑快﹑大、更少污染已成為新一代分散研磨技術最重要之課題。納米砂磨機主要用于“三超”物料(超細,超硬,超純)的加工,例如化纖新材料、鈦白生產、先進陶瓷、生物工程、細胞及疫苗制備、軍工等領域。
本文將針對納米級研磨的現況及產業化發展﹑納米級分散研磨技術的原理﹑納米級研磨機的構造﹑現有設備的來源﹑應用實例及注意事項﹑結論及建議等六大主題加以探討。
1 納米級分散研磨技術的現況與發展
隨著 3C 產品之輕、薄、短小化及納米材料應用之白熱化,如何將超微細研磨技術應用于納米材料之制作及分散研磨已成為當下重要課題。一般想得到納米粉體有2 個方法。一個為化學方法由下而上之制造方法(bottom up),如化學沈淀法,溶膠凝膠法(sol-gel),另一種方法則為物理方法,將粉體粒子由大變小(top down),如機械球磨法、化學法、物理法等。
到目前為止,化學法或Bottom up 之納米粉體制造方法大部分在學術界被研究且已有豐碩的成果,可以得到數納米粉體。唯其制造成本有時相當高,且不易放大(scale up), 同時所得到粒徑分布亦較大。所以到目前為止,企業界仍以物理機械研磨(top down)方法以得到納米級粉體為主。Top down 方法較易得到粒徑分布較小納米粉體,同時生產成本相對較低,參數容易控制,將研發實驗機臺所得到參數放大(scale up)到量產機臺。唯Top down 方法目前只能研磨到30 nm,但已能滿足業界需求。
1.1 干法研磨(Dry); 濕法研磨(Wet grinding).
對納米粉體制造廠而言,當然希望以干法研磨方法來得到最終納米粉體。但若以機械研磨方式研磨粉體時,在研磨過程中,粉體溫度將因大量能量導入而急速上升,且當顆粒微細化后,如何避免防爆問題產生等均是研磨機難以掌控的。所以一般而言,干法研磨的粒徑只能研磨到5-8μm。如果要得到5μm以下粒徑,就建議必須使用濕法式研磨。
所謂濕法研磨即先將納米粉體與適當溶劑混和,調制成適當材料。為了避免于研磨過程中發生粉體凝聚現象,所以需加入適當分散劑或助劑當助磨劑。若讀者希望最后納米級成品為粉體而非漿料,則需考量到如何先將漿料中之大顆粒粒子過濾及如何將過濾后之漿料干燥以得到納米級之粉體。所以,當讀者以濕法研磨方式得到納米級粉體時,如何選擇適當的溶劑﹑助劑﹑過濾方法及干燥方法將影響到是否能成功地得到納米級粉體關鍵技術。
1.2 研磨(Grinding)、分散(Dispersing)
顧名思義,研磨定義即是利用剪切力(shear force)﹑摩擦力或沖力(impactforce)將粉體由大顆粒研磨成小顆粒。分散定義為使納米粉體被其所添加溶劑﹑助劑﹑分散劑、樹脂等包覆住,以便達到顆粒完全被分離(separating)﹑潤濕(wetting)﹑分布(distributing)均勻及穩定(stabilization)目的。在做納米粉體分散或研磨時,因為粉體尺度由大變小的過程中,凡得瓦爾力及布朗運動現象逐漸明顯且重要。所以,如何選擇適當助劑以避免粉體再次凝聚及如何選擇適當的研磨機來控制研磨漿料溫度以降低或避免布朗運動影響,將成為濕法研磨分散方法能否成功地得到納米級粉體研磨及分散關鍵技術。
2 非金屬礦粉體之分散研磨原理
以機械方法的濕法研磨方式是得到納米級粉體最有效率且最合乎經濟效益方法。本文將針對濕法式研磨及分散方法之原理及制程做一深入探討。為了方便說明以下圖片為例做一介紹。
馬達利用齒輪箱傳動攪拌轉子將動力由鋯球運動產生剪切力(shear force),漿料因Pump 推力至研磨室移動過程中與磨球因相對運動所產生剪切力而產生分散研磨效果。其粒徑小于研磨室內分離磨球與漿料之動態大流量分離器濾網間隙大小時,漿料將被離心力擠出至出料桶槽以便得到分散研磨效果。上述過程為研磨1 個pass,若尚未達到粒徑要求,則可以重復上述動作,通常大家稱之為進行循環研磨,直到粒徑達到要求為止。
圖(一)傳統立式攪拌磨研磨工藝流程
1)漿料前處理及預攪拌(Pre-mixing)
本系統能否成功地達到研磨或分散目的,主要靠研磨介質(即鋯球)大小及材質之選擇是否得當。以筆者曾規劃及實際試車數百廠經驗,所選擇之磨球需為1.0.-1.8mm。同時,為了讓那么小的磨球能夠在研磨過程中不受漿料于X 軸方向移動之推力影響而向前堵在濾網附近而導致研磨室因壓力太高因而停機,其攪拌轉子線速度需超過16m/sec 以上。同時,漿料粘度控制調整到1000 cps 以下,以便讓磨球運動不受漿料粘度影響。同時,漿料的固體成分(solid content by weight)也需控制在65%以下,以防止研磨過程中因粉體比表面積之增加而導致粘度上升而無法繼續使用小磨球。當然,為了避1.0mm以下的磨球從動態分離器流出研磨室或卡在濾網上,所以濾網間隙需調整到0.8mm左右。
上述之關系可以整理成下列表(一)所示。
超大型砂磨機各種不同大小磨球之選擇參考法則:
(1) 先決定所欲研磨之最后粒徑需求(target fineness)。
(2) 將漿料粘度(viscosity)﹑固含量﹑研磨前細度(start fineness)、(最終要求細度)Target之粒徑做準備并滿足表(一)需求。
(3) 預攪拌或前處理系統攪拌轉子轉速需為高線速度 (High speed) 設計。建議切線速度為10-23 m/sec 以避免漿料沈淀或不均勻問題產生。
2)超大型臥式砂磨機部份
為了快速達到研磨粒徑要求且使研磨機可以正常地運轉,所需控制之法則及參數如下:
(1) 依照所需粒徑要求選擇適當的磨球。例如,若需達到超細粉體要求且避免磨球損耗,需選擇釔穩氧化鋯磨球,莫氏硬度越大越好,磨球表面需為真圓,沒有孔隙,磨球大小為1.2-1.8mm。磨球選擇適當與否將會決定能否成功地研磨到所欲達到粒徑要求。
(2) 依據磨球大小及漿料黏滯性調整適當的攪拌轉子轉速。一般冶金、礦業、非金屬礦物材料、化工、陶瓷和新材料超細粉體研磨,轉速需達13.5-23 m/sec 以上。
(3) 控制研磨漿料溫度。一般漿料之研磨溫度需控制在90℃以下。影響到漿料溫度之主要參數為控制轉子轉速﹑磨球充填率﹑研磨桶熱交換面積大小﹑冷卻水條件及流量。
(4) 依據磨球大小選擇適當動態分離系統間隙。一般間隙為磨球直徑之1/2~1/3。
(5) 調整進料泵的轉速。在研磨桶可以接受壓力范圍內,進料泵的轉速越大越好,一般選擇 HP 工業級軟管泵。
如此,可以于同一研磨時間內增加漿料經過研磨機研磨次數以得到較窄粒徑分布。
(6) 記錄研磨機所需消耗之電能kW 值。
(7) 取樣時,記錄每個樣品之比能量(specific energy)值,并于分析該粒徑大小后, 將比能量與平均粒徑關系做出,以利將來Scale up 用。
(8) 達到所需比能量值時即可停機。此時,原則上已達到所需研磨分散平均粒徑要求了。
3、展望市場,設備超大型是必經之路且需加快
在金屬礦山中,部分鐵礦需磨至一400目大于95%或更高才能單體解離,精礦品位大于65%,需要大處理量、窄粒級超細攪拌球磨機。金銀礦、鉬礦、銅礦、鎳礦、鉛鋅礦也需要磨至一400目大于90%或更高才能單體解離,需要具有細磨和擦洗作用的大型攪拌球磨機。
由于造紙行業發展迅速,將帶動CaCO3需求量增長,勢必帶動大型現代化造紙鈣生產基地的建立和完善?,F在如太陽紙業集團高旭公司、晨嗚紙業集團、岳陽林紙集團紛紛建立大型造紙鈣衛星生產基地,至少年產5~10萬t/a以上。中鋁擬向西芒杜鐵礦投資22億美元;廣西南國銅業有限責任公司年產15萬噸銅冶煉項目環境影響報告書得到了國家環境保護部正式批復;馳宏鋅鍺公告稱,公司全資子公司呼倫貝爾馳宏礦業有限公司(下稱“呼倫貝爾公司”)14萬噸鋅/年、6萬噸鉛/年冶煉項目實際投資超出計劃14.2305億元。為進一步保障項目建設資金的連續性,呼倫貝爾公司擬將總投資由原來的33.9874億增加到48.2179億元;國有企業中國有色礦業集團有限公司旗下子公司計劃通過非公開發行A股股票籌資至多人民幣17.9億元(合2.92億美元),部分所籌資金將用于在廣東省建立一個稀土工廠。這可能意味著中國再次對這種具有戰略意義的礦產提起重視。
高嶺土、膨潤土、云母等非金屬礦業也將向大型化、現代化生產發展,例如國內的中國高嶺土公司、廣西北海高嶺土公司、廣東茂名高嶺土公司和山西金洋高嶺土公司等也將步人大型化、自動化大生產。
工業礦物粉體的制備,且價格相對低廉,因此需要處理量大的加工設備。研制產品粒度細且分布均勻、處理量大的大型超細攪拌磨機對于工業礦物粉體的深加工是當務之急。在能源工業中,例如煤直接液化項目中催化劑制備技術,就需要大型超細攪拌磨機制備亞微米級
黃鐵礦油漿。
因此,不管非金屬行業,還是金屬行業或者能源行業,迫切需要一種高效、實用、能耗省且價格適中的大處理量、窄粒級超細超大型臥式砂磨機。
球磨機磨礦,因普通臥式球磨機磨礦效率低、產品粒度達不到要求、礦物沒有達到單體解離,所以鐵品位只能在53~55%之間。超大型臥式砂磨機是金銀礦、鉬礦、銅礦、鎳礦、鉛鋅礦、鐵礦再磨或細磨最具有發展前景、能量利用率高、產品粒度細的一種細磨設備,另外,由于該設備結構簡單、操作維護方便,從而被廣泛應用于黃金礦、有色金屬礦、金屬礦和磁性材料等工業生產中。
4、結論與建議
由上述可以得知”大流量﹑小磨球”為納米級粉體研磨主要依循法則。 若欲滿足細﹑快﹑更少污染﹑”納米級粉體研磨要求,需滿足下列條件:
1) 先認清研磨材料之特性要求。
2) 根據材料特性要求找到適當研磨機。
3) 搭配適當配套設備,如冰水機﹑壓縮空氣機、預攪拌機及移動物料桶等。
4) 找到合適產品的助劑。
5) 與上﹑下游有完善的溝通,以便調整最佳配方與研磨條件,提高納米粉體相容性。
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