國家經(jīng)貿(mào)委在制定建材工業(yè)“十五”規(guī)劃中，非金屬礦行業(yè)的發(fā)展方針和主要目標(biāo)是發(fā)展非金屬礦深加工產(chǎn)品，發(fā)展超細(xì)粉碎、精細(xì)提純、表面改性、超微細(xì)和微孔技術(shù)。當(dāng)前國際上非金屬礦工業(yè)礦物的超細(xì)粉碎及精細(xì)分級技術(shù)是最主要的深加工技術(shù)之一，而影響深加工技術(shù)的關(guān)鍵又在于設(shè)備。由咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院粉體中心參照國外機(jī)型研制的CM51A型及系列沖擊式超細(xì)粉碎設(shè)備，自1993年投放市場以來，經(jīng)過不斷地改進(jìn)、完善和創(chuàng)新，現(xiàn)已有100余臺應(yīng)用于非金屬礦等物料的超細(xì)粉碎生產(chǎn)中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。現(xiàn)對其工作原理及影響粉碎性能的因素做進(jìn)一步的研究與探討。
1、沖擊式粉碎機(jī)理及CM51A型超細(xì)粉碎機(jī)工作原理分析
    對于粉碎理論的研究迄今為止還不能直接應(yīng)用于實(shí)際的粉碎機(jī)設(shè)計(jì)或確定粉碎作業(yè)參數(shù)。由于沒有具體的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料，理論研究的結(jié)果只能作為大體上的參考。就高速沖擊式超細(xì)粉碎而言，1959年，H．Rumpf的研究認(rèn)為：沖擊粉碎能與沖擊碰撞的速度成正比，顆粒的第一次碰撞只導(dǎo)致顆粒的疲勞，只有連續(xù)碰撞，顆粒才能粉碎。從能量利用的角度來說，并非沖擊或碰撞速度越高越好。不同種類和不同粒度的物料都有一個(gè)最佳的沖擊速度，此時(shí)能量的利用率或粉碎效率最高。目前在工程實(shí)際應(yīng)用中仍然采用實(shí)際經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
    CM51A型沖擊式超細(xì)粉碎機(jī)的工作原理如圖1所示。小于8～10 mm的物料由給料斗經(jīng)雙螺旋給料器給入，給料速度的快慢根據(jù)粉碎機(jī)的實(shí)際負(fù)荷自動調(diào)節(jié)，并可控制給料粒度。兩個(gè)粉碎室互相直列配置，直徑分別為400 mm和440mm，中間由可調(diào)換的圓形擋料環(huán)隔開。在第二粉碎室的排出口，也裝有形狀相同的擋料環(huán)與風(fēng)扇隔開。每一粉碎室均設(shè)有兩列轉(zhuǎn)子（其中，第一室為⑥、⑦，第二室⑧、⑨），⑥與⑧葉片的結(jié)構(gòu)相同，但尺寸大小不同，均為與水平主軸的垂直方向成100傾角的6塊放射狀葉片，旋轉(zhuǎn)時(shí)有助于在粉碎室形成風(fēng)壓；⑦與⑨葉片的結(jié)構(gòu)相同，但尺寸大小不同，它們的8塊放射狀葉片均無傾角，旋轉(zhuǎn)時(shí)在粉碎室易形成氣流阻力。在所有轉(zhuǎn)子頂部，均裝有高硬度耐磨合金鋼制成的可替換錘頭，與其平行相對的是鑲在殼體內(nèi)側(cè)經(jīng)特殊處理的高耐磨襯板，其間留有2~3 mm間隙。物料在粉碎室隨著旋轉(zhuǎn)的氣流顆粒間相互沖擊、碰撞、摩擦、剪切；同時(shí)受旋轉(zhuǎn)體離心力的作用，顆粒受到粉碎室內(nèi)壁的撞擊、摩擦、剪切等作用被連續(xù)粉碎。粉碎室具有沖擊兼氣流顫震粉碎作用，最有效的粉碎區(qū)間發(fā)生在每個(gè)粉碎室的兩排轉(zhuǎn)子間。由于第一粉碎室轉(zhuǎn)子的線速度為50 m/s，顆粒在此即被粉碎成數(shù)百微米大小的粉體，而第二粉碎室轉(zhuǎn)子的線速度為55m/s，經(jīng)過該區(qū)間的粉體受到?jīng)_擊粉碎作用更強(qiáng)，由于第二粉碎室的直徑增大，此時(shí)粉體的粉碎時(shí)間延長，而且該粉碎室的轉(zhuǎn)子還具有分級功能，通過這里的粉體顆粒，經(jīng)回轉(zhuǎn)卸料器返回粉碎機(jī)再粉碎。物料中的難磨礫子和殘留雜質(zhì)，可通過機(jī)內(nèi)特設(shè)的排渣裝置自動排出機(jī)外。通過分級機(jī)的微細(xì)顆粒，進(jìn)入微粉收集系統(tǒng)而成為最終產(chǎn)品。
2、影響粉碎設(shè)備性能因素分析
    機(jī)械沖擊式超細(xì)粉碎設(shè)備要獲得合格的微米級產(chǎn)品必需配備高效的分級設(shè)備，影響其微細(xì)粉產(chǎn)品的粒度和產(chǎn)率的因素很多，單就CM51A型超細(xì)粉碎機(jī)而言主要包括：(1)粉碎室圓形擋料環(huán)內(nèi)徑的大小。它影響物料在粉碎室內(nèi)滯留時(shí)間的長短，擋料環(huán)內(nèi)徑變大，物料滯留時(shí)間變短，粉碎產(chǎn)品粒度變粗，造成物料在粉碎機(jī)內(nèi)循環(huán)往復(fù)，不僅影響其產(chǎn)品產(chǎn)量而且生產(chǎn)不出合格產(chǎn)品；反之，擋料環(huán)內(nèi)徑變小，物料滯留時(shí)間變長，粉碎產(chǎn)品粒度變細(xì)，但產(chǎn)量變小。通常應(yīng)根據(jù)不同的材料、不同的細(xì)度要求，選擇不同的擋料環(huán)調(diào)配使用。(2)粉碎室內(nèi)排渣口大小。排渣口主要是排除粉碎機(jī)內(nèi)物料中難磨的礫子和雜質(zhì)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和純度。排渣口變大，物料的處理量增大，部分原料也隨之排出，造成浪費(fèi)；反之，排渣口變小，粉碎機(jī)中的難磨的礫子和雜質(zhì)不能及時(shí)排出，產(chǎn)品產(chǎn)量降低。一般情況下按物料處理量的8%~10%比例調(diào)節(jié)。對于高純度的物料，排渣口可關(guān)閉。(3)粉碎機(jī)錘頭與襯板間隙的大小。間隙過大或過小均會使產(chǎn)品的產(chǎn)量降低，通常間隙控制在2—3mm為宜，間隙過大，錘頭與襯板間的物料層太厚；間隙過小，錘頭與襯板間的物料層太薄，都影響其粉碎效率，降低使用效果。
    另外與粉碎機(jī)配套的分級機(jī)轉(zhuǎn)速的高低，分級葉片直徑的大小、厚薄，葉片的角度、間距和數(shù)量的多少，分級機(jī)內(nèi)筒高度，二次進(jìn)風(fēng)空氣的流量以及系統(tǒng)配置風(fēng)量的大小都影響粉碎設(shè)備的性能。在此不再贅述。
3、應(yīng)用研究
    超細(xì)粉碎中以機(jī)械粉碎機(jī)最為廉價(jià)，加工成本低，使用范圍廣并能大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。國內(nèi)最早用于加工微米級物料的沖擊式超細(xì)粉碎設(shè)備，是由滑石行業(yè)于20世紀(jì)80年代初通過補(bǔ)償貿(mào)易從日本細(xì)川株式會社引進(jìn)的M502NC型超細(xì)粉碎機(jī)和MS - 3H型微細(xì)分級機(jī)，其配套的超細(xì)粉碎工藝在給料粒度≤8mm時(shí)，經(jīng)過一次粉碎就能生產(chǎn)出10μm通過率90%以上的超細(xì)粉，不僅有高的粉碎比，而且具有難磨礫子連續(xù)自動排出功能，適用范圍廣的特性。在國際上具有一定的先進(jìn)性和代表性。鑒于此，我院在承擔(dān)國家科技攻關(guān)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，于1993年研制成CM51型沖擊式超細(xì)粉碎機(jī)和QF5型空氣分級機(jī)填補(bǔ)了國內(nèi)多項(xiàng)空白。經(jīng)過幾年不斷改進(jìn)更新，其性能指標(biāo)在某些方面已超過國外引進(jìn)設(shè)備的水平。
3.1  多種非金屬礦物及其他物料的超細(xì)粉碎
    (1)煤系高嶺土礦物的超細(xì)粉碎研究。我國的煤系高嶺土的開發(fā)研究從20世紀(jì)80年代末開始，為我國獨(dú)具開采價(jià)值的礦物。經(jīng)過我國廣大科技人員的多年研究，煤系高嶺土超細(xì)產(chǎn)品現(xiàn)已廣泛用于造紙、橡膠、塑料、油漆、陶瓷等許多方面。超細(xì)產(chǎn)品按白度分為煅燒土和非煅燒土；按粒度分為填料級（<10 μm）產(chǎn)品和涂料級（<2μm）產(chǎn)品。其中加工填料級的煤系煅燒高嶺土產(chǎn)品國內(nèi)許多資料公認(rèn)推薦的生產(chǎn)工藝及設(shè)備通常為：原礦一粗碎一超細(xì)-粉碎、分級（咸陽磨）一煅燒一解聚、打散一產(chǎn)品包裝。其中咸陽磨特指咸陽非金屬礦研究設(shè)計(jì)院粉體中心生產(chǎn)的CM51A型超細(xì)粉碎機(jī)及QF5A型空氣分級機(jī)，它是將小于10 mm的原礦經(jīng)CM51A型超細(xì)粉碎機(jī)超細(xì)粉碎和QF5A型空氣分級機(jī)分級后，即得<10μm通過率≥90%的煅燒原料。該技術(shù)設(shè)備現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在內(nèi)蒙古烏海、寧夏石嘴山、山西大同、太原、朔州、忻州、河北邯鄲、高碑店、湖北恩施、宜昌、安徽淮北、遼寧沈陽、陜西韓城、榆林、蒲白等地的煤系、非煤系高嶺土超細(xì)深加工產(chǎn)品中。其中部分地區(qū)的生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果見表1。
    (2)碳酸鈣礦物的超細(xì)粉碎研究。碳酸鈣類礦物主要包括方解石、白堊、大理石、白云石等，根據(jù)超細(xì)產(chǎn)品的加工方式不同，分為重質(zhì)碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣，其中重質(zhì)碳酸鈣因價(jià)格低廉、色澤白、硬度低、化學(xué)穩(wěn)定性好等許多優(yōu)點(diǎn)，而成為使用最為廣泛、用量最大的填充材料，僅在塑料所用填料中就占70%以上，年總消耗量已超過100萬t。在填料級的用量中以800。1500目的重質(zhì)碳酸鈣需求量增長最快。目前國內(nèi)對該粒級產(chǎn)品的加工以干法為主，由CM51A型超細(xì)粉碎機(jī)及QF5A型分級機(jī)組成的工藝技術(shù)及設(shè)備現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在四川雅安、青海西寧、云南昆明、廣東佛山、廣西南寧、賀州、江蘇蘇州、浙江建德、吉林通化、遼寧阜新、河北承德、上海、北京等地的重質(zhì)碳酸鈣超細(xì)深加工產(chǎn)品中。其中部分地區(qū)的生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果見表2。
    (3)其他礦物的超細(xì)粉碎研究。CM51A型超細(xì)粉碎機(jī)和QF5A型空氣分級機(jī)組成的超細(xì)粉碎工藝流程還根據(jù)用戶的不同需求，對其他多種物料進(jìn)行了超細(xì)粉碎研究，均取得了良好的效果，涉及的物料有：滑石（山東青島、廣西桂林）、晶質(zhì)石墨（內(nèi)蒙包頭）、半軟質(zhì)高嶺土（陜西涇陽）、伊利石（河南嵩縣）、碎云母（河北靈壽）、重晶石（陜西榨水、廣西桂林）、硅灰石（遼寧法庫）、水鎂石（山東濟(jì)寧、遼寧東港）、沸石（廣西靈州）、葉臘石（浙江）、透閃石（陜西）、白云母（安徽潛山）、絹云母（安徽滁州）、氧化鐵紅（黑龍江大興安嶺）、煤（陜西銅川）、天然瀝青（甘肅蘭州）、對苯二胺（陜西西安）等多種物料。其中部分物料應(yīng)用的牛產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果，見表3。
3.2  其它應(yīng)用研究
    (1)產(chǎn)品純度的研究。這也包括物料經(jīng)過超細(xì)粉碎后自身純度的提高和高純度物料經(jīng)過超細(xì)粉碎后純度的變化。非金屬礦物中超細(xì)滑石粉是較早使用的，它也是我國主要的非金屬礦資源，其加工和利用的水平相對于其他礦物都高。我們采用由CM51A型超細(xì)粉碎機(jī)組成的工藝，對山東某地產(chǎn)出的50t二級滑石進(jìn)行了超細(xì)粉碎試驗(yàn)生產(chǎn)，在原礦Fe含量為1. 37%時(shí)，經(jīng)超細(xì)粉碎后，小于10μm通過率85. 5%的產(chǎn)品中Fe含量為1.27%，排渣中Fe含量為1. 43%時(shí)，說明原礦部分鐵質(zhì)通過粉碎機(jī)特設(shè)的排渣裝置排出，滑石經(jīng)過超細(xì)粉碎后自身純度得到了進(jìn)一步提高。而對于高純度石墨的超細(xì)粉碎，我們選用的原料為內(nèi)蒙石某廠高碳石墨，規(guī)格為LG100 - 96．C含量96. 28%，灰分3.08%，揮發(fā)分1.  14%，水分0.57%。在不同分級機(jī)轉(zhuǎn)速條件下的超細(xì)粉碎產(chǎn)品經(jīng)日本黑理株式會社對試驗(yàn)產(chǎn)品的檢測結(jié)果（3個(gè)樣品）知：產(chǎn)品小于500目通過率97. 93qo~ 99. 90qc．Fe含量均小于10，C含量96. 88%。97. 68%，灰分1.67%一2.05qo，揮發(fā)分0. 65%~1.16%，水分0.3%~0.6qo。本試驗(yàn)研究結(jié)果完全滿足了外商的要求，產(chǎn)品現(xiàn)已批量出口日本、韓國、瑞士、臺灣等國和地區(qū)。由此可見，高碳石墨經(jīng)過CM51A型超細(xì)粉碎機(jī)粉碎后，產(chǎn)品的純度沒有發(fā)生明顯變化，僅僅是細(xì)度變得更細(xì)了。
    (2)解聚、打散功能研究。CM51A型超細(xì)粉碎機(jī)還具有解聚、打散的功能。對于輕質(zhì)碳酸鈣來說，由于輕質(zhì)碳酸鈣采用化學(xué)法生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中往往有部分條件發(fā)生變化，造成產(chǎn)品諸如炭化不完全、部分顆粒過大，另有部分超細(xì)顆粒團(tuán)聚，導(dǎo)致其最終產(chǎn)品不穩(wěn)定的現(xiàn)象。而對于煅燒高嶺土而言，產(chǎn)品經(jīng)過煅燒后，形成團(tuán)聚現(xiàn)象，影響其使用效果。鑒于此類問題，我們通過改進(jìn)CM51A型超細(xì)粉碎機(jī)及工況參數(shù)，完全解決了輕鈣產(chǎn)品的不穩(wěn)定性和煅燒高嶺土超細(xì)粉的團(tuán)聚現(xiàn)象。現(xiàn)已成功地用于上海某輕質(zhì)碳酸鈣企業(yè)和國內(nèi)煅燒高嶺土企業(yè)中的解聚打散工藝?yán)铩?br />     (3)被粉碎物料的性質(zhì)的研究。被粉碎物料的性質(zhì)對超細(xì)粉碎后產(chǎn)品的產(chǎn)量和細(xì)度影響很大。不同的物料其可碎性、莫氏硬度、水分含量、粒度組成均有差別。水分含量應(yīng)在2%以下；物料的莫氏硬度應(yīng)小于6，此時(shí)對超細(xì)粉碎機(jī)的錘頭、襯板等磨損小；片狀具有韌性的物料（如云母、品質(zhì)石墨）超細(xì)粉碎效果沒有脆性物料（如重晶石）效果好；小于10 mm且以自然粒度組成的物料其粉碎效果最佳。
    (4)各種超細(xì)粉碎設(shè)備比較研究。目前，國內(nèi)對
于生產(chǎn)1 500目以下超細(xì)粉產(chǎn)品主要以干法為主，采用的粉碎設(shè)備主要包括：球磨機(jī)、立式磨、氣流磨、攪拌磨、沖擊式超細(xì)磨、振動磨、膠體磨等等。各種設(shè)備都有其使用范圍。對年生產(chǎn)規(guī)模在萬噸以上的產(chǎn)品來說，主要選用球磨機(jī)、立式磨配分級機(jī)。而氣流磨相對于一般干法機(jī)械粉碎機(jī)械利用率很低，其能量多次轉(zhuǎn)換才能作用到被粉碎的物料上，本身生產(chǎn)成本高，不宜生產(chǎn)低附加值的產(chǎn)品。干式攪拌磨超細(xì)研磨設(shè)備介質(zhì)磨損較大，產(chǎn)品磨耗值較高，往往采用濕法設(shè)備較多。CM51A型沖擊式超細(xì)磨由于構(gòu)造簡單，作容易，單位能耗低，粉碎能力大，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，產(chǎn)品粒度易調(diào)節(jié)，粉碎機(jī)內(nèi)設(shè)有難磨粒子自動排除裝置等，主要適用于生產(chǎn)規(guī)模和投資規(guī)模不大，莫氏硬度小于6的低附加值物料超細(xì)粉碎中。
4、結(jié)  語
    CM51A型沖擊式超細(xì)粉碎機(jī)及QF5A型空氣分級機(jī)等是該院在20世紀(jì)90年代初研制出的一種新型的超細(xì)粉碎設(shè)備，經(jīng)過這些年的市場應(yīng)用，應(yīng)該說是一種成熟的，且得到大家公認(rèn)的干法超細(xì)粉碎設(shè)備。但它也存在一些不足之處，通常情況下一條加工1250目的超細(xì)粉碎生產(chǎn)線年產(chǎn)量僅有15001左右，不能適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，今后還需更進(jìn)一步研究。可喜的是，該院新研制的CM61型沖擊式超細(xì)粉碎機(jī)及QF6型空氣分級機(jī)即將投入試運(yùn)行，其理想狀況應(yīng)該是比CM51A型產(chǎn)量翻一番。
    從目前的機(jī)械制造角度來看，沖擊式超細(xì)粉碎機(jī)械的發(fā)展，由于受到金屬材料機(jī)械強(qiáng)度的限制和耐磨材料及加工工藝的限制，粉碎機(jī)錘頭的線速度不能無限增大，一般不超過110 m/s。而從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來看，它又受沖擊粉碎理論研究水平的制約，其發(fā)展受到限制。目前，國內(nèi)一些權(quán)威資料介紹有關(guān)CM型沖擊式超細(xì)粉碎、分級設(shè)備的技術(shù)資料均來源于該院，當(dāng)然也包括國內(nèi)仿造該型設(shè)備的一些企業(yè)，希望大家共同努力，為我國的粉體工程深加工作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。