鄭水林1 郭力2
（1.中國礦業大學，北京 100083；中材國際鹹陽非金屬礦研究設計院，陜西鹹陽 712021）
摘要 進入21 世紀以來，伴隨造紙、塑料、橡膠、塗料、陶瓷等相關工業部門產品產量的迅速增長和產品質量要求的提高，中國內地非金屬礦物超細粉體的產量以年均10%以上的速度增長，2006年各種超細粉體的總產量已超過500×104t。在強勁市場需求的拉動下，非金屬礦物超細粉體加工技術與設備也取得了顯著進步。本文綜述了中國非金屬礦超細粉碎、精細分級技術與設備發展現狀以及最新進展［1～13］。
關鍵詞 非金屬礦；超細粉碎；精細分級。
作者簡介：鄭水林，男，生於1956年，中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院教授，博士生導師，長期從事非金屬礦物選礦和深加工的教學與研究。Email：shuilinzh@yahoo.com.cn。
郭力，男，生於1955年，高級工程師，現任中材集團西安工程公司總工程師，《中國寶玉石》雜誌總編，自1982年以來壹直從事非金屬礦選礦和超細深加工技術方面的研究開發工作。
中國工業化超細粉體加工、超細粉碎與精細分級設備的制造始於20世紀70年代末和80年代初。迄今為止，中國超細粉碎技術與設備的發展大體上經過三個階段。從20世紀80年代初至80年代中期以引進國外技術和設備為主，期間國內的超細粉碎技術、設備制造和工藝剛剛起步，許多方面還基本上是空白。20世紀80年代中期至90年代中期是引進國外技術、設備與國內仿制、開發同步進行的時期，中國的超細粉碎設備體系和超細粉碎技術大體上是在這壹階段形成和發展起來的，現今主要的超細粉碎設備制造廠商也基本上是在這壹時期建立起來的。20 世紀90年代中期以後，進入了自主開發和制造為主、引進為輔的階段，這期間建立的超細粉體加工廠大多采用國產技術和設備。從1996年至今，具有自主知識產權或發明專利的超細粉碎技術和設備的數量較前10年顯著增加，設備的處理能力、單位產品能耗、耐磨性、工藝配套和自動控制等綜合性能顯著提高，與國外先進技術和設備綜合性能的差距逐漸縮小。
壹、超細粉碎
目前工業上所用的超細粉碎方法主要是機械力方法。主要設備類型有氣流磨、高速機械沖擊磨、攪拌球磨機、研磨剝片機、砂磨機、振動球磨機、旋轉筒式球磨機、行星式球磨機、塔式磨、旋風自磨機、高壓輥（滾）磨機、高壓水射流磨機、膠體磨等。其中氣流磨、高速機械沖擊磨、旋風自磨機、高壓輥（滾）磨機等為幹式超細粉碎設備，研磨剝片機、砂磨機、高壓水射流磨機、膠體磨等為濕式粉碎機，攪拌球磨機、振動球磨機、旋轉筒式球磨機、行星式球磨機、塔式磨等既可以用於幹式也可以用於濕式超細粉碎。表1所示為上述各類超細粉碎設備的粉碎原理、給料粒度、產品細度及應用範圍。
氣流磨機主要有扁平（圓盤）式、循環管式、流化床逆向對噴式、旋噴式或氣旋式等幾種機型和數十余種規格（圖1）。這些氣流磨主要用於滑石、石墨、矽灰石等非金屬礦物的超細粉碎加工。
機械沖擊或旋擊式超細粉碎機是國內非金屬礦行業應用較多的超細粉碎設備，廣泛應用於煤系高嶺土、方解石、大理石、白堊、滑石、葉蠟石等中等硬度以下非金屬礦物的超細粉碎加工。圖2所示為用於非金屬礦物填料和顏料超細粉碎的機械沖擊式磨機。
表1 超細粉碎設備類型及其應用
圖1 氣流粉碎機
（a）水平圓盤式氣流磨粉碎機；（b）循環管氣流粉碎機；（c）流化床逆向噴射氣流磨的結構；（d） LHY型氣旋式氣流粉碎機；（e） JFC射（氣）流粉碎機
介質超細研磨機包括攪拌球磨機、振動球磨機、旋轉筒式球磨機、行星式球磨機和研磨剝片機、塔式磨、砂磨機等幾種類型。依攪拌機構的不同，攪拌球磨機有軸棒式、圓盤式、螺旋式及棒盤復合式等幾種機型（圖3）。這種攪拌球磨機已用於高嶺土、重質碳酸鈣、雲母、滑石等的超細研磨。超細振動球磨機有單筒、雙筒式等機型（圖4），已應用於石墨、石英、方解石等非金屬礦的細磨和超細磨。用於超細粉碎的旋轉筒式球磨機的結構特點是磨機的徑長比較大（圖5），使用球或鋼段作研磨介質，在生產中常與分級機構成閉路粉碎作業，這種球磨機—分級機幹式閉路作業廣泛應用於超細重質碳酸鈣的生產。研磨剝片機主要有20 L、80 L、300 L和500 L等幾種機型（圖6），采用多級串聯配置、連續濕法研磨方式，自1994年以來已在煤系高嶺土和重質碳酸鈣的濕法超細粉碎生產線中使用。砂磨機主要有臥式和立式兩種機型（圖7），主要用於顏料、重質碳酸鈣、高嶺土等的超細粉碎和分散。
圖2 機械沖（旋）擊式超細粉碎機
（a） LHJ型機械粉碎機；（b） CM51A型超細粉磨機；（c） JCF1000型沖擊磨
圖3 攪拌球磨機
（a） CYM型連續攪拌磨；（b） LXJM超細攪拌磨機；（c）立式螺旋攪拌磨（塔式磨）
圖4 超細振動球磨機
（a）MZD單筒式振動磨機；（b）MZ型雙筒超細振動磨
圖5 球磨機
圖6 BP 型研磨剝片機（300 L，500 L）
圖7 砂磨機
（a）SEM型臥式砂磨機；（b）FSW-40型臥式棒銷砂磨機
輥磨機和滾輪磨是利用碾（擠）壓作用和摩擦作用使物料粉碎，再配置精細分級設備生產超細填料和顏料的設備，目前的機型主要有VRM型滾輪磨、輥磨機和環輥磨（圖8）。
圖8 滾輪磨和輥磨機
（a） VRM型滾輪磨；（b）輥磨機；（c） HLM內分級離心環輥磨
高壓射流式粉碎機或超細剝片均化機是壹種利用高壓（20～60MPa）射流的強大沖擊力和壓力突然降低的穴蝕效應使物料因沖擊和爆裂作用而被粉碎的壹類濕法粉碎設備（圖9）。這種設備已在雲母和高嶺土的細粉碎和超細粉碎，以及二氧化鈦顏料的分散解聚等中得到應用。
圖9 CYB 型高壓均漿機
（a）外形圖；（b）工作原理
圖10 JM 系列膠體磨
膠體磨是利用壹對固定磨體（定子）和高速旋轉磨體（轉子）的相對運動產生強烈的剪切、摩擦、沖擊等作用力，使被處理的物料通過二磨體之間的間隙，在上述諸力及高頻振動的作用下，被有效地粉碎和分散的設備。國產膠體磨主要有JTM、JM、DJM三種型號，直立式，傍立式和臥式三種機型（圖10）。目前主要用於膠體石墨的加工和塗料顏料的分散。
二、精細分級設備
在非金屬礦物的超細粉碎工藝中，除了超細粉碎作業之外，還須配置精細分級作業。
根據分級介質的不同，精細分級機可分為兩大類：壹是以空氣為介質的幹法分級機，主要是轉子（渦輪）式氣流分級機；二是以水為介質的濕法分級機，主要有超細水力旋流器、臥式螺旋離心機的沈降式離心機等。表2列出了國產主要精細分級機的性能及應用。
表2 各主要精細分級機的性能及應用
圖11所示為目前國內工業上主要的幹式精細分級機。這些幹式精細分級機基本上都與相應的機械沖擊式超細粉磨機或氣流磨配套使用，其分級粒徑可以在d973～20μm的範圍內進行調節。依分級機規格或尺寸的不同，單機生產能力從數十千克/時到7000 kg/h左右不等。
圖11 主要的幹式精細分級機
（a） QF 5A型微細分級機；（b） FQZ型超細分級機；（c） MSS型精細分級機；（d） ATP單輪分級機；（e） ATP多輪分級機；（f） LHB型渦輪式精細分級機組；（g） FJW500×6超細分級機
濕式分級機主要有兩種類型：壹是基於重力沈降原理的水力分級機；二是基於離心力沈降原理的旋流式分級機，這類分級機包括沈降離心機，如臥式螺旋離心分離（級）機、小直徑水力旋流器、LS離旋器、GSDF型超細水力旋分機等機型（圖12），分級粒徑可達到1～5μm。
圖12 主要的濕式精細分級機
（a） LW（WL）型螺旋卸料沈降離心機；（b） D型螺旋卸料沈降離心機；（c）沈降離心分級機；（d）碟片式離心分級機；（e）超細水力旋分機；（f）旋流器組
三、技術進展
（壹）非金屬礦超細粉體幹法加工技術
1.精細分級技術
自1985年以來，幹法分級技術取得了顯著進展。1985年最先進的精細分級機的產品細度d97＜10μm；1992年d97≤6μm；2000年d97≤3.5μm；2002年d97≤2.5μm。生產能力（d97≤10μm，GCC）：1985年500 kg/h；1990年1000 kg/h；1995年2000 kg/h；2000年4000 kg/h；2005年7000 kg/h。
2.機械沖擊式超細粉碎機
高速機械沖擊式粉碎機是主要的幹法超細粉碎設備，常與精細分級機構成閉路作業，具有粉碎比大，工藝簡單的特點。但是，早期的高速機械沖擊式超細粉碎機生產能力較小，近年來開發的機械沖擊式超細粉碎機在提高其生產能力方面有較大的進展。如LHJ-260型機械式超細粉碎機［圖2-（a）］，在給料粒度≤30mm，產品細度d97＝10μm時，超細粉碎硬質高嶺石，裝機195 kW，產量850～1400 kg/h；滑石，裝機195 kW，產量1200 kg/h；重晶石，裝機202 kW，產量2000 kg/h；矽灰石，裝機195 kW，產量1300 kg/h；膨潤土，裝機202 kW，產量3000 kg/h。
3.環輥磨和滾輪磨
環輥磨［圖8（b）、圖8（c）］是近兩年在方解石超細粉碎領域廣泛應用的壹種中小型超細粉碎設備。其特點是工藝簡單，粉碎比大，單位產品能耗較低。給料粒度20mm，內設分級裝置，產品細度可以在d978～20μm之間調節；單機產量600～1800 t/h；能耗（d97＝10μm）100 kW·h/t。
滾輪磨［圖8（a）］也是近年來幹法超細粉碎技術的主要進展之壹，這種粉碎設備的特點是單機生產能力大，用方解石生產GCC產量可達5～10 t/h；而且內置分級機，產品細度可以在d976～20μm之間調節。
（二）超細碳酸鈣漿料生產技術
國內造紙工業的迅速發展和現代化造紙技術的應用，使超細碳酸鈣漿料的需求量以每年兩位數以上的速度快速增長，由此推動了超細碳酸鈣漿料生產技術的快速進步。攪拌磨規格：1995年300 L攪拌磨；2000年前後500 L攪拌磨；2003年3000 L立式攪拌磨；2005年3500～5000 L攪拌磨。單機生產能力（d90≤2μm折幹量）：1995年300 kg/h，2000年500 kg/h，2003年1000 kg/h，2005年2000 kg/h；能耗：1995年250 kW·h/t，2000年180 kW·h/t，2003年120 kW·h/t，2005年90 kW·h/t。
超細碳酸鈣漿料加工技術方面的重要進展還體現在產品細度和黏度方面：生產的高品質專用面塗級GCC：漿料固含量75%～78%；黏度＜350MPa·s；最大粒度3～5μm，-2μm含量≥97%，1μm含量≥75%；平均粒徑0.3～0.5μm。
（三）超細煆燒高嶺土原料超細研磨技術
超細研磨是超細煆燒高嶺土生產的關鍵技術之壹。中國硬質高嶺巖的超細研磨設備由1995年的BP80研磨剝片機發展到1999年的BP300 研磨剝片機，再到2000年的BP500 研磨剝片機；2001年和2005年CYM3000和CYM5000大型攪拌磨相繼問世。年產萬噸生產線的超細研磨技術進展情況列於表3。
表3 年產萬噸生產線的超細研磨技術進展
（四）高長徑比針狀矽灰石粉體加工技術
高長徑比針狀矽灰石粉體的加工是矽灰石礦物重要的深加工技術之壹，近年來山西泰華公司開發的TH1200礦物纖維制粉系統和南方矽灰石礦業公司的ACM-700E型沖擊式粉碎機能夠加工長徑比12以上的高長比超細矽灰石粉體。這兩種設備的粉碎比較大，單位產品能耗較低。
四、結語
進入21世紀以來，伴隨造紙、塑料、橡膠、塗料、陶瓷等相關工業部門產品產量的迅速增長和產品質量要求的提高，中國內地非金屬礦物超細粉體的產量以年均10%以上的速度增長，2006年各種超細粉體的總產量已超過500×104t。在強勁市場需求的拉動下，非金屬礦物超細粉體加工技術與設備也取得了顯著進步。未來的發展趨勢是提高產品細度（降低粉碎極限）、提高單機產量（設備大型化）、降低（單位產品）能耗和磨耗，穩定產品質量；同時發展高效低耗和大處理量的分級技術和設備；並在現有設備和工藝基礎上發展人工智能技術，根據原料特點和產品細度要求自動優化生產工藝配置和操作參數，達到高效、低耗、穩定產品質量的目的。
參考文獻
［1］鄭水林.中國非金屬礦物粉體工業發展現狀與趨勢.中國粉體工業通鑒第二卷.北京：中國建材工業出版社，2006，88-93
［2］鄭水林.非金屬礦加工業發展現狀.中國非金屬礦工業導刊，2006（3）：3-8
［3］鄭水林，祖占良.非金屬礦物粉碎加工技術現狀.中國非金屬礦工業導刊，2006（增刊）：3-8
［4］張國旺，黃聖生，李自強等.國內外超細攪拌磨機的研究現狀和發展.中國非金屬礦工業導刊，2006（增刊）：119-123
［5］李三華，張甲寶.CYM-5000L立式攪拌磨在非金屬礦超細粉碎中的應用.中國非金屬礦工業導刊，2007（1）：50-51
［6］劉榮貴，張誌聰，郭彬仁等.再論新型離心環輥磨研制與應用.中國非金屬礦工業導刊，2006（增刊）：124-126
［7］孫成林，連欽明，王清發.CYM系列超微億豐磨的研制及在非金屬加工中的應用.中國非金屬礦工業導刊，2006（增刊）：131-133
［8］王燕民，潘誌東，謝平波等.超細碳酸鈣顆粒的離心分級（英） .矽酸鹽學報，2006，34（8）：927-931
［9］馮建明，閻國東.煤系煆燒高嶺土生產集成新技術.中國非金屬礦工業導刊，2006（增刊）：97-99
［10］張夢顯.中國矽灰石深加工現狀及應用.中國非金屬礦工業導刊，2005（5）：14-16
［11］孫成林，謝文海.超細粉碎機發展的市場空間.中國非金屬礦工業導刊，2007（2）：44-46
The Current Situation and Development of Ultra-fine Grinding and Fine Classification Technology for Non-metallic Minerals in China
Zheng Shuilin1Guo Li2
（1School of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing Compus），Beijing 100083，China；2Xiangyang Research＆Design Institute of Non-metallic Minerals，Xiangyang Shanxi 712021，China）
Abstract：The paper summarizes the current situation and latest developments of ultra-fine grinding and fine classification technology and equipments for non-metallic minerals in China.
Key words：non-metallic mineral，ultra-fine grinding，fine classification.