蔡祖光 譯

摘要 通過(guò)對(duì)球石耐磨性能的系統(tǒng)性研究表明，雖然不同生產(chǎn)廠家制造的球石的耐磨性能具有很大的差異，但從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看，氧化鋁球石（氧化鋁瓷球石的簡(jiǎn)稱）對(duì)球磨工藝的作用非常重要，尤其與氧化鋁襯磚（球磨機(jī)筒體用內(nèi)襯）配套使用時(shí)，氧化鋁球石可獲得技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)的球磨工藝。總之，欲獲得技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的球磨工藝，還需細(xì)心調(diào)整球磨工藝的各相關(guān)要素。

關(guān)鍵詞 球磨機(jī)，氧化鋁，球石，球磨工藝，經(jīng)濟(jì)性能

1引 言

以前大多數(shù)球磨機(jī)幾乎都是采用燧石球石，僅某些特殊用途的球磨機(jī)才采用普通瓷球石和滑石瓷球石。隨著市場(chǎng)對(duì)陶瓷球石需求量的逐漸上升，目前氧化鋁球石已成為一種重要的球石。相對(duì)于常用球石（燧石球石）而言，氧化鋁球石具有圓度好、密度大、能獲得較高的球磨效率的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，球磨機(jī)工作時(shí)，一方面，因氧化鋁球石的圓度和密度的均勻一致性，有利于氧化鋁球石的快速運(yùn)動(dòng)，從而提高其對(duì)物料的破碎粉磨能力；另一方面，高密度的氧化鋁球石能進(jìn)一步增強(qiáng)破碎粉磨物料的能力。綜合以上兩方面的作用可知，氧化鋁球石的球磨效率高，特別適宜于縮短球磨時(shí)間，以制備高密度和高粘度的料漿。不僅因?yàn)樯鲜錾a(chǎn)過(guò)程是節(jié)能的，更重要的是利用較小的球磨空間及較小的投資便能大幅度地提高球磨機(jī)的生產(chǎn)能力。

氧化鋁球石與燧石球石、普通瓷球石和滑石瓷球石相比，其最大的優(yōu)勢(shì)是低磨損。如圖1所示為不同研磨介質(zhì)（球石）的磨損狀態(tài)示意圖，它是通過(guò)球磨機(jī)制備密度為1.5kg/L的氧化鋁陶瓷料漿時(shí)的實(shí)測(cè)結(jié)果。

2球磨工藝

為了既能節(jié)省球石等成本消耗，又能獲得最好的球磨效果，生產(chǎn)過(guò)程必須細(xì)心調(diào)整球磨工藝的各相關(guān)要素，并重點(diǎn)考慮表1所述的基本要求。氧化鋁球石與氧化鋁襯磚（球磨機(jī)筒體內(nèi)襯）配套使用時(shí)，氧化鋁球石能基本上滿足表1所述的基本要求。由此可見，球磨機(jī)的球石和筒體內(nèi)襯的選用至關(guān)重要。本文主要論述了球磨機(jī)的研磨特性，球磨機(jī)具有使用壽命長(zhǎng)、堅(jiān)固耐用、維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)便和研磨效率較高等優(yōu)點(diǎn)，并且投資小，單位體積研磨腔的功率消耗較低，約為0.001～0.05kW/L，圖2顯示的是球磨機(jī)在高效研磨助劑作用下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

許多因素都會(huì)影響球磨機(jī)高效研磨狀態(tài)的工藝參數(shù)的調(diào)整，其中最主要的因素是：(1)球磨機(jī)筒體的形狀及其規(guī)格尺寸；(2)球磨機(jī)筒體內(nèi)襯的材質(zhì)、形狀和厚度；(3)球磨機(jī)筒體的轉(zhuǎn)速；(4)球磨機(jī)的裝載量（包括：筒體的有效容積，即用于研磨物料的容積、待磨物料的容積和研磨介質(zhì)的容積）；(5)研磨介質(zhì)（空氣、水、pH值和有機(jī)質(zhì)液體）；(6)待磨物料的硬度、物理機(jī)械強(qiáng)度、可劈裂性和團(tuán)聚性等。

為了尋求最優(yōu)的球磨工藝過(guò)程，通常需要利用實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)進(jìn)行大量的試驗(yàn)，然后再應(yīng)用于球磨機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中。當(dāng)然，尋求最優(yōu)球磨工藝生產(chǎn)過(guò)程時(shí)，需要考慮球磨機(jī)筒體內(nèi)研磨體（球石）所產(chǎn)生的動(dòng)能影響球磨效率、研磨體（球石）的磨損和筒體內(nèi)襯的磨損。常用的兩種最基本的球磨工藝是濕法球磨和干法球磨。

2.1 濕法球磨

濕法球磨機(jī)通常應(yīng)用于多種物料及添加劑的混合均勻的精細(xì)粉磨和超精細(xì)粉磨。其單位研磨腔的功率消耗較低，球磨短時(shí)間即可獲得符合要求的粒度及粒度分布范圍寬的物料顆粒。陶瓷、電瓷絕緣子和某些硅酸鹽材料的生產(chǎn)制造過(guò)程中，通常需要粒度分布范圍寬的物料顆粒。通過(guò)后續(xù)的分級(jí)工藝（如：水力旋流器或傾注式壓力沉降器）或使用其它磨機(jī)組（如：攪拌磨機(jī)或環(huán)隙磨機(jī)）就能粗略地調(diào)整其粒度分布曲線。濕法球磨不僅能使團(tuán)聚物球磨成細(xì)顆粒（很少是劈裂的顆粒），而且還能迫使瘠性物料與塑性物料攪拌混合均勻。雖然濕法球磨時(shí)間較短，但它仍能獲得成分均勻一致的料漿，并且料漿的顆粒主要是圓形顆粒，而不是片狀顆粒。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，球磨機(jī)的裝載量大于筒體有效容積的50%時(shí)，能獲得良好的球磨效率，實(shí)際球磨機(jī)的裝載量應(yīng)大于筒體有效容積的2/3～3/4。為了獲得最好的球磨生產(chǎn)效率，可以從不同方面進(jìn)行考慮。一種觀點(diǎn)認(rèn)為：剛開始加料時(shí)，球石的規(guī)格尺寸應(yīng)具有一定的組成，并且假定球石磨損后，僅補(bǔ)充單一規(guī)格尺寸的球石。生產(chǎn)中最有效的措施是裝料時(shí)，采用大、中、小三種不同規(guī)格尺寸的球石，但球石的最大規(guī)格自然取決于球磨機(jī)筒體的內(nèi)襯。若已知球石的磨損率，那么通過(guò)連續(xù)不斷地向球磨機(jī)筒體內(nèi)添加最大尺寸的球石就能補(bǔ)償球石的磨損，顯然采取這一措施便可獲得成分均勻一致的料漿。

另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，球磨機(jī)最高轉(zhuǎn)速的選擇非常重要。因?yàn)榍蚰C(jī)具有一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，此時(shí)顆粒料（球石和待磨物料等顆粒）緊貼球磨機(jī)筒體內(nèi)襯旋轉(zhuǎn)，顆粒料（球石和待磨物料等顆粒）通過(guò)上升曲線（圓弧軌跡）的最高點(diǎn)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)而不跌落下來(lái)，這是由于其離心力與重力平衡的緣故。球磨機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）可采用下列公式計(jì)算：

式中：

D——球磨機(jī)筒體（安裝內(nèi)襯后）的凈空直徑，m

濕法球磨機(jī)通常以60%的臨界轉(zhuǎn)速（nk）運(yùn)轉(zhuǎn)，在特殊情況下，以80%的臨界轉(zhuǎn)速（nk）運(yùn)轉(zhuǎn)可獲得較高的球磨效率。但大多數(shù)濕法球磨機(jī)通常以40%的臨界轉(zhuǎn)速（nk）運(yùn)轉(zhuǎn)，雖然其球磨效率不是很高，但物料攪拌混合均勻。若在球石和物料不致撞擊損壞筒體內(nèi)襯的情況下，球磨機(jī)也可以以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。由于濕法球磨時(shí)，料漿吸收了球石的能量，減弱了球石的運(yùn)動(dòng)速度，因此球石對(duì)筒體內(nèi)襯的沖擊碰撞等損壞非常小。

2.2 干法球磨

干法球磨應(yīng)用于許多行業(yè)，如：石英、長(zhǎng)石、白云石、方解石等礦石以及氧化鋁、尖晶石、耐火材料、莫來(lái)石和水泥等復(fù)合材料。與濕法球磨相比，干法球磨主要具備以下兩方面的優(yōu)勢(shì)：⑴球磨工藝流程長(zhǎng)；⑵工藝流程不需昂貴的干燥工序，只需經(jīng)篩分分級(jí)后便可獲得粒度分布范圍窄的能直接使用的粉料。

濕法球磨主要應(yīng)用于球磨破碎團(tuán)聚物并使之?dāng)嚢杌旌暇鶆?。而干法球磨則主要應(yīng)用于球磨破碎原始的顆粒物，因此，干法球磨時(shí)，物料通常表現(xiàn)為劈裂的破碎特征。通過(guò)篩分分級(jí)后能可靠地分離出滿足細(xì)度要求的粉料，再將未達(dá)到細(xì)度要求的篩上料重新返回干法球磨生產(chǎn)工藝流程中，這樣的操作通常能提高干法球磨效率。

事實(shí)上，干法球磨工藝參數(shù)的調(diào)整比濕法球磨工藝參數(shù)的調(diào)整更為重要，尤其是球磨機(jī)的適宜裝載量及球石物料比。實(shí)踐證明，當(dāng)球磨機(jī)筒體的裝載量為其有效容積的50%時(shí)，非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用；球磨機(jī)筒體內(nèi)最上一層（球磨機(jī)靜止時(shí)）球石上面遮蓋大約10cm厚的物料也是非常重要的。另外，球石的規(guī)格尺寸不必過(guò)大，并且球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速也不能高于0.6nk，這樣才有利于保護(hù)筒體內(nèi)襯免遭損壞，從而延長(zhǎng)氧化鋁襯磚的使用壽命及減少球石的磨損量。

為了優(yōu)化干法球磨的工藝參數(shù)，必須考察干法球磨過(guò)程中球石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，考慮到球磨機(jī)筒體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)迫使球石沿兩段曲線組成的封閉軌跡運(yùn)動(dòng)，首先是沿圓弧軌跡的上升運(yùn)動(dòng)，然后是沿拋物線軌跡的降落運(yùn)動(dòng)，球石降落后又轉(zhuǎn)入圓弧軌跡。如圖3所示，依球磨機(jī)筒體的轉(zhuǎn)速大小，球石有兩種最基本的研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即“瀉落”研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和“瀑落”研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而介于兩者之間的研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為混合研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)“瀉落”研磨運(yùn)動(dòng)和“瀑落”研磨運(yùn)動(dòng)同時(shí)產(chǎn)生作用。

實(shí)踐生產(chǎn)中，球磨機(jī)的裝載量通常為筒體有效容積的30%和50%，并以55%、60%和70%的臨界轉(zhuǎn)速（nk）旋轉(zhuǎn)，其筒體內(nèi)球石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖如圖4所示。球磨機(jī)慢速旋轉(zhuǎn)時(shí)（例如：筒體轉(zhuǎn)速n=23/=0.55nk），球石沿圓弧軌跡上升，在上升的過(guò)程中球石也沿其自身的重心旋轉(zhuǎn)，理論上，到達(dá)圓弧軌跡的最高點(diǎn)后球石應(yīng)當(dāng)沿拋物線軌跡降落。但由于此時(shí)球石的動(dòng)能太小以致立即跌入處于上升運(yùn)動(dòng)的球石群中，所以說(shuō)，處于“瀉落”研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的球石最終將滾落下來(lái)。顯然它們對(duì)物料的沖擊碰撞作用差，主要是通過(guò)球石的上升運(yùn)動(dòng)和滾落運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的擠壓力和摩擦力實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的球磨破碎作用。對(duì)減小球石和球磨機(jī)筒體內(nèi)襯的磨損來(lái)說(shuō)，尤其是球磨機(jī)的裝載量適宜時(shí)，球石的“瀉落”研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是最好的工作方式。然而，因球磨機(jī)的裝載量不足以及球石具有過(guò)大的起拋角（球石進(jìn)入拋物線軌跡時(shí)的初速度與水平方向的夾角）的“瀉落”研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，增強(qiáng)了處于跌落運(yùn)動(dòng)的球石對(duì)球磨機(jī)筒體內(nèi)襯的沖擊碰撞作用，卻減弱了對(duì)物料的擠壓和研磨等作用，因此，在這種情況下，“瀉落”研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)造成球石和球磨機(jī)筒體內(nèi)襯的磨損。但最優(yōu)的“瀉落”研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是裝載量為球磨機(jī)筒體有效容積的50%，球石起拋角為45°的狀態(tài)（如圖4c所示）。

球磨機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)（球石處于“瀑落”研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，筒體轉(zhuǎn)速n＞0.7nk）時(shí)，球石首先也是沿圓弧軌跡上升，通過(guò)較高的圓弧軌跡脫離點(diǎn)后自由進(jìn)入拋物線軌跡，在降落過(guò)程中沖擊碰撞筒體底部的物料。顯然“瀑落”研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的球石之所以能研磨破碎物料，主要是通過(guò)沖擊碰撞作用，很少是擠壓力和剪切力的作用。由此可見，球磨機(jī)的裝載量是球石處于“瀑落”研磨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的決定性因素（如圖5所示）。為了避免處于降落運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的球石沖擊碰撞等作用損壞球磨機(jī)筒體內(nèi)壁，必須經(jīng)常維修和保養(yǎng)球磨機(jī)筒體的陶瓷內(nèi)襯。若球磨機(jī)筒體采用石材內(nèi)襯時(shí)，球石降落運(yùn)動(dòng)的高能量將砸裂損壞石材內(nèi)襯，尤其是石料的邊緣部分。隨著球磨機(jī)筒體內(nèi)襯磨損的加劇，自然會(huì)造成出現(xiàn)筒體內(nèi)襯穿孔的危險(xiǎn)，并嚴(yán)重縮短筒體內(nèi)襯的使用壽命。但可通過(guò)增大裝載量、降低球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速和至少采用部分小規(guī)格尺寸的球石等措施來(lái)解決。

3氧化鋁球石

目前，不同的球石生產(chǎn)制造廠家都能提供許多種類的氧化鋁球石，如：氧化鋁含量為86～92%（質(zhì)量比）的氧化鋁球石以及特殊應(yīng)用的氧化鋁含量為96～99.5%（質(zhì)量比）的高檔氧化鋁球石。但這些氧化鋁球石的耐磨性能卻有很大的區(qū)別，筆者認(rèn)為可利用DIN50332爆破測(cè)試法進(jìn)行檢測(cè)。

表2是建立在圖6基礎(chǔ)上的，是不同生產(chǎn)廠家制造的氧化鋁球石的體積磨損率的對(duì)照表。優(yōu)質(zhì)氧化鋁球石的體積磨損率大約0.8cm3，最劣質(zhì)氧化鋁球石的體積磨損率大約3.0cm3。爆破測(cè)試時(shí)氧化鋁球石呈現(xiàn)侵蝕失效的特征，而在實(shí)際球磨生產(chǎn)過(guò)程中氧化鋁球石則呈現(xiàn)磨損失效的特征。ETEC多年的球石磨損研究經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，不同的測(cè)試方法能提供許多非常有益的數(shù)據(jù)。某些復(fù)雜和耗費(fèi)時(shí)間的球磨實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，它是采用有效凈空直徑為0.8m的筒體以0.6nk的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在未添加物料的干法球磨機(jī)中的實(shí)測(cè)結(jié)果，所測(cè)的質(zhì)量磨損率是球磨機(jī)工作25h后，通過(guò)稱重法計(jì)算的結(jié)果。幾乎所有氧化鋁球石與球磨時(shí)間的磨損曲線都是直線，僅質(zhì)量等級(jí)為H的氧化鋁球石隨球磨時(shí)間的增長(zhǎng)而超比例地增加其磨損量。雖然單獨(dú)測(cè)試時(shí)，磨損量的變化很大，但仍可假定質(zhì)量等級(jí)為C的氧化鋁球石的磨損量是球磨時(shí)間的線性函數(shù)。同時(shí)，質(zhì)量等級(jí)為H的氧化鋁球石隨球磨時(shí)間的增長(zhǎng)而大幅度增加其磨損量的原因是氧化鋁球石的致密度從外表到球心逐漸減弱的緣故；此外，質(zhì)量等級(jí)為C的氧化鋁球石的異常磨損也可歸咎于其自身的碎裂原因等。

下面討論不同種類的Al2O3球石球磨時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。為此必須考慮以下幾方面（如表2所示），當(dāng)然它不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用于所有的球磨工藝過(guò)程中，因?yàn)樗俣ǖ难趸X球石的磨損率是某一特定球磨工藝所特有的，并且球磨工藝過(guò)程中球石的實(shí)際磨損率通常比實(shí)驗(yàn)測(cè)試值還要低很多。若假定球磨機(jī)的裝載量為筒體有效容積的50%時(shí)，氧化鋁球石的磨損率最低，即使是價(jià)格昂貴的氧化鋁球石也比其它兩種氧化鋁球石具有球磨運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)（如表2所示），這里還未考慮大量小規(guī)格尺寸氧化鋁球石碎裂時(shí)所產(chǎn)生的較低的研磨功效。

生產(chǎn)方面還需考慮球磨工藝的重復(fù)再現(xiàn)性。將氧化鋁球石系列產(chǎn)品分成6個(gè)批次進(jìn)行爆破測(cè)試后的磨損對(duì)比結(jié)果是，ETEC公司制造的氧化鋁球石磨損量的偏差較小，質(zhì)量等級(jí)為E的氧化鋁球石在同一批次不同個(gè)體及不同批次的磨損量具有很大的波動(dòng)性。氧化鋁球石穩(wěn)定的質(zhì)量是球磨工藝過(guò)程重復(fù)再現(xiàn)性的最重要的因素。

顯然氧化鋁含量為86～90%的氧化鋁球石的耐磨性比含量為92%的氧化鋁球石差，然而氧化鋁含量并不是提高氧化鋁球石耐磨性能的唯一決定性因素，過(guò)去的氧化鋁球石磨損研究經(jīng)驗(yàn)也表明，較多氧化鋁含量并不會(huì)大幅度提高氧化鋁球石的耐磨性。事實(shí)上，影響氧化鋁球石耐磨性的決定性因素是如何有效地控制氧化鋁球石的整個(gè)生產(chǎn)工藝流程，使之生產(chǎn)出高質(zhì)量的氧化鋁球石，包括原料配方的選用、粉料顆粒的級(jí)別及其級(jí)配比例（通過(guò)篩分控制）、噴霧干燥制粉、模壓成形及燒結(jié)等工序。為了提高氧化鋁球石的耐磨性，制備具有一定顯微結(jié)構(gòu)的粉料也是至關(guān)重要的。

4結(jié) 束 語(yǔ)

控制球磨機(jī)工藝過(guò)程的關(guān)鍵是保持裝入物（物料、球石、水和添加劑）的組成、品質(zhì)等恒定不變性及控制成本。為了提高老式球磨機(jī)的生產(chǎn)能力，經(jīng)常采用減少球石的加入量和提高球磨機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，這是本質(zhì)上的錯(cuò)誤；另一常見的錯(cuò)誤做法就是采用的球石規(guī)格尺寸與球磨機(jī)筒體的直徑相比過(guò)大，還有一錯(cuò)誤做法就是球磨機(jī)的裝載量不足，并且很少處于受控狀態(tài)，尤其是連續(xù)式球磨機(jī)這種情況就更加明顯。

理論上，球磨機(jī)的裝載量為筒體有效容積的65%時(shí)，球磨機(jī)的球磨效率最高。但實(shí)踐生產(chǎn)中很少采用這一裝載量，通常采用的裝載量為筒體有效容積的40%和50%的標(biāo)準(zhǔn)裝載量。至于采用筒體有效容積的30%以下的裝載量，這樣的錯(cuò)誤做法不僅導(dǎo)致球磨機(jī)產(chǎn)量的降低，而且還易造成球石和球磨機(jī)筒體內(nèi)襯的過(guò)早磨損。有時(shí)為了提高球磨機(jī)的產(chǎn)量，還隨意提高球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣的操作大約僅適用于鋼質(zhì)球石和鋼質(zhì)內(nèi)襯的球磨機(jī)采用，但對(duì)于球磨陶瓷原料來(lái)說(shuō)，無(wú)論是從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上來(lái)考慮都將得不償失。

總之，從產(chǎn)品質(zhì)量方面來(lái)看，氧化鋁球石和氧化鋁內(nèi)襯在球磨機(jī)中的配套使用能給用戶提供最經(jīng)濟(jì)和最先進(jìn)的球磨工藝過(guò)程，當(dāng)然，這還是需要一定的條件。球磨工藝效果不良很少是由于原料的低劣引起的，而是由于球磨工藝各參數(shù)的不協(xié)調(diào)造成的。只有通過(guò)系統(tǒng)分析，認(rèn)識(shí)和修改錯(cuò)誤操作，才能獲得工藝先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的球磨效果。