研磨分散纳米材料关键设备的研发与产业化实施论文

1、研磨分散纳米材料关键设备的研发与产业化实施作者：雷立猛1.2.张克武31、广州派勒机械设备有限公司；Puhler GmbH. 22393 Hamburg德国；2、广州中国科学院工业技术研究院3、长沙矿冶研究所，长沙410012 ; 4、中金岭南丹霞冶炼厂，韶关512 322摘要：纳米科技是本世纪科技发展的重要技术领域，纳米科技将创造另一波技术创新及产业革命。 卧式砂磨机是一种高效率的超细湿法研磨设备。本文介绍了新型卧式砂磨机设备结构，工艺及其在工业 矿物中的应用情况。不论其应用领域为何，所需要用的材料均为次微米或纳米级尺度之材料。如何得到 纳米级粉体及如何将纳米级材料分散到其最终产品已成为目前

2、产、经及学术界共同之研究课题。本文将 针对如何得到纳米粉体研磨及如何将纳米材料分散到其最终产品技术加以详加探讨。系统介绍卧式砂磨 机在金属矿山的应用情况和最新研究进展，及对金属矿山资源综合利用和节能降耗的贡献。并进行了综 合评述和发展展望。Puhler wet grinding Nano Powder of Puhler Nano grdi ngin Tech CommunionPen ster: Dennis Lei(P uhler Group GmbH. 22393 Hamburg 德国，-Puhler (Guangzhou) Machinery & Equipment Co., Ltd.

3、 - Sales Director of Asia )Abstract:Fine grinding mills have improved in design and efficiency in recent years, allowingmajor opport un ities for treatme nt of materials where liberati on to grind sizes below fiftee n microns are required. The successful developme nt of the Puhler PHE SuperMaxFlow M

4、ill, a horiz on tal stirred mill, has produced equipment capable of grinding the larger tonnages which exist in mineral processing operatio ns, to product sizes below ten micro ns. In itially developed for use with base metal flotati on circuits, sig ni fica nt test work con ducted in 1998 shows tha

5、t major econo mic gains can be achieved by producing finely ground material for leaching.Puhler PHE SuperMaxFlow Mill development and operation is reviewed. Results from test work to produce a feed stock for both straight cyani dati on and sulphide leach ing are discussed, with emphasis on energy co

6、nsumption, product size and leachability. A number of options for ultrafine grinding and leach ing are also discussed.关键词：研磨(grinding)、分散(dispersing)、金属矿山(Metal mine )、比能量(specific energy)、研磨介 质(grinding media)、派勒 PHE SuperMaxFlow全球最大的卧式砂磨机 (high speed agitated beads mill)引言笔者从事德国公司卧式砂磨机销售业务数十余 年，且已

7、曾受邀在国内大专院校、工研院、中科院 及国内外企业针对”新一代高效率纳米研磨的现况 及发展”主题演讲，并已规划过数百多个案子，在 国内已销售数百厂实绩。其主要应用领域可以 1998年为区分点。1998年以前，企业界所面临的 问题为如何提高分散研磨效率以降低劳力成本， 如 染料、涂料、油墨、 等产业。而1998年以后， 产业技术瓶颈则为如何得到微细化 （纳米化）材料 及如何将纳米化材料分散到最终产品里，如光电业TFTLCD、Jet ink、电子、磁性材料、医药、生 物制药和细胞破碎、氧化物、食品、等行业。最近十几年来卧式砂磨机得到了迅速地发展， 在冶金、矿业、非金属矿物材料、化工、陶瓷和 新材料

8、领域广泛地应用。超细卧式砂磨机是一种高 效节能的超细湿法粉碎设备.随着卧式砂磨机设备 的超大型化和技术的不断完善。卧式砂磨机将在金 属矿山再磨或细磨作业中越来越普遍应用。不论是传统产业提升研磨效率求快或是高科 技产业纳米化材料求细需求，大批量工业化生产、 耐高温、强酸、耐磨、无污染控制都同样重要。所 以细、快、大、更少污染已成为新一代分散研磨技术最重要之课题。纳米砂磨机主要用于“三超”物料（超细，超硬，超纯）的加工，例如化纤新材料、 钛白生产、先进陶瓷、生物工程、细胞及疫苗制备、 军工等领域。具体来讲， 在涂料领域，我们的设备 主要应用于一些军工涂料项目，喷绘油墨，电路板油墨（PCB ）,飞机

9、隐性涂料，防辐射涂料及防弹 衣；在疫苗制备领域，不管是研制SARS、艾滋疫苗，还是制作狂犬疫苗， 超细研磨设备都能派上用 场，此类纳米砂磨机进入的都是一些门槛较高的领 域。本文将针对纳米级研磨的现况及产业化发展、纳米级分散研磨技术的原理、纳米级研磨机的 构造、现有设备的来源、应用实例及注意事项、 结论及建议等六大主题加以探讨。1. 纳米级分散研磨技术的现况与发展1） Bottom up ; Top dow n随着3C产品之轻、薄、短小化及纳米材料 应用之白热化，如何将超微细研磨技术应用于纳米 材料之制作及分散研磨已成为当下重要课题。一般想得到纳米粉体有2个方法。一个为化学方法由下 而上之制造方

10、法（bottom up），如化学沈淀法，溶胶 凝胶法（sol-gel）,。另一种方法则为物理方法， 将粉体粒子由大变小(top down)，如机械球磨法、 化学法、物理法等。到目前为止，化学法或Bottom up之纳米粉体制造方法大部分在学术界被研究且已有丰硕的 成果，可以得到数纳米粉体。唯其制造成本有时相 当高，且不易放大(scale up),同时所得到粒径分 布亦较大。所以到目前为止，企业界仍以物理机械 研磨(top down)方法以得到纳米级粉体为主。Topdown方法较易得到粒径分布较小纳米粉体，同时生产成本相对较低，参数容易控制，将研发实验机台所得到参数放大(scale up)到量产

11、机台。唯 Top down方法目前只能研磨到30 nm，但已能满足业 界需求。2 )干法研磨(Dry);湿法研磨(Wet grinding). 对纳米粉体制造厂而言，当然希望以干法研磨方法来得到最终纳米粉体。但若以机械研磨方式研磨粉 体时，在研磨过程中，粉体温度将因大量能量导入 而急速上升，且当颗粒微细化后，如何避免防爆问 题产生等均是研磨机难以掌控的。所以一般而言， 干法研磨的粒径只能研磨到5-8 ym。如果要得到5 ym以下粒径，就建议必须使用湿法式研磨。所谓湿法研磨即先将纳米粉体与适当溶剂混 和，调制成适当材料。为了避免于研磨过程中发生 粉体凝聚现象，所以需加入适当分散剂或助剂当助 磨剂

12、。若读者希望最后纳米级成品为粉体而非浆 料，则需考量到如何先将浆料中之大颗粒粒子过滤 及如何将过滤后之浆料干燥以得到纳米级之粉体。 所以，当读者以湿法研磨方式得到纳米级粉体时， 如何选择适当的溶剂、助剂、过滤方法及干燥方 法将影响到是否能成功地得到纳米级粉体关键技 术。3) 研磨(Grinding)、分散(Dispersing)顾名思义，研磨定义即是利用剪切力(shearforce)、摩擦力或冲力(impactforce)将粉体由大颗 粒研磨成小颗粒。分散定义为使纳米粉体被其所添 加溶剂、助剂、分散剂、树脂、等包覆住，以便达到颗粒完全被分离(separating)、润湿(wetting)、分布

13、(distributing)均匀及 稳定(stabilization)目 的。在做纳米粉体分散或研磨时，因为粉体尺度由大变小的过程中，凡得瓦尔力及布朗运动现象逐渐 明显且重要。所以，如何选择适当助剂以避免粉体 再次凝聚及如何选择适当的研磨机来控制研磨浆 料温度以降低或避免布朗运动影响，将成为湿法研磨分散方法能否成功地得到纳米级粉体研磨及分 散关键技术。2. 有色金属矿及非金属矿粉体之分散研磨原理承接上文，以机械方法的湿法研磨方式是得到 纳米级粉体最有效率且最合乎经济效益方法。本文将针对湿法式研磨及分散方法之原理及制程做一 深入探讨。为了方便说明以下图片为例做一介绍。图(一)PHE SuperM

14、axFIow 10000L超大型卧式砂磨机结构。图(二)PHE SuperMaxFlow 10000L 砂磨机工作原理图(三)PHE SuperMaxFlow 1200超大型卧式砂磨机动态转子置于其内的超大过流面积专利分离器(新型超耐磨、耐高温、 耐酸碱材质研磨盘和转子)。马达利用齿轮箱传动搅拌转子将动力由锆球运动产生剪切力(shear force)，浆料因Pump推力 至研磨室移动过程中与磨球因相对运动所产生剪 切力而产生分散研磨效果。其粒径小于研磨室内分离磨球与浆料之动态大流量分离器滤网间隙大小 时，浆料将被离心力挤出至出料桶槽以便得到分散 研磨效果。上述过程为研磨1个pass，若尚未达到

15、粒径要求，则可以重复上述动作，通常大家称之为进行循环研磨，直到粒径达到要求为止。上述流程可以下列图(三)之有色金属矿选矿、研 磨、分选流程图表示并加以探讨说明如下： Concen trator Flow Sheet :LaboratoryVSMProduct tankFeed tankHYiLaborat0n,Peristaltic prniip图(四)传统立式搅拌磨研磨工艺流程Product Tajik图(五)超大型卧式砂磨机之研磨操控流程1)浆料前处理及预搅拌(Pre-mixi ng)本系统能否成功地达到研磨或分散目的，主要 靠研磨介质(即锆球)大小及材质之选择是否得当。 以笔者曾规划及实

16、际试车数百厂经验，所选择之磨球需为1.0.-1.8mm 。同时，为了让那么小的磨球能 够在研磨过程中不受浆料于X轴方向移动之推力影响而向前堵在滤网附近而导致研磨室因压力太 高因而停机，其搅拌转子线速度需超过 16m/sec 以上。同时，浆料粘度控制调整到1000 cps以下, 以便让磨球运动不受浆料粘度影响。 同时，浆料的 固体成分 (solid content by weight)也需控制在 65 %以下，以防止研磨过程中因粉体比表面积之增 加而导致粘度上升而无法继续使用小磨球。当然， 为了避1.0mm以下的磨球从动态分离器流出研磨 室或卡在滤网上，所以滤网间隙需调整到0.8mm左右。上述之

17、关系可以整理成下列表(一)所示。HO盅蔚制網RocorItflMiS ACCLOSmm*G_513*1202 mmFl11DJ4M mm1450 4-Ofl mmJ|D*1DQOMGIL7-DJ-mm*2cSKiOf 1 mm101 75-2.5 iw*EJ超大型砂磨机各种不同大小磨球之选择参考法则： 为了达到上述表(一)要求，于前处理或预搅 拌时，需依下列法则准备研磨前之浆料，整理如下：(1) 先决定所欲研磨之最后粒径需求(target fineness)。(2) 将浆料粘度(viscosity)、固含量、研磨前细度 (start fineness)、(最终要求细度)Target之粒径做 准

18、备并满足表(一)需求。(3) 预搅拌或前处理系统搅拌转子转速需为高线速度(High speed)设计。建议切线速度为 10-23 m/sec以避免浆料沈淀或不均匀问题产生。2) 超大型卧式砂磨机部份为了快速达到研磨粒径要求且使研磨机可以正常地运转，所需控制之法则及参数如下：(1) 依照所需粒径要求选择适当的磨球。例如，若 需达到超细粉体要求且避免磨球损耗，需选择钇稳氧化锆磨球，莫氏硬度越大越好，磨球表面需为真圆，没有孔隙，磨球大小为 1.2-1.8mm。磨球选择 适当与否将会决定能否成功地研磨到所欲达到粒 径要求。(2) 依据磨球大小及浆料黏滞性调整适当的 搅拌转子转速。一般冶金、矿业、非金属

19、矿物材料、 化工、陶瓷和新材料超细粉体研磨，转速需达 13.5-23 m/sec 以上。(3) 控制研磨浆料温度。一般浆料之研磨温度需控 制在90 C以下。影响到浆料温度之主要参数为控制 转子转速、磨球充填率、研磨桶热交换面积大小、冷却水条件及流量。(4) 依据磨球大小选择适当动态分离系统间隙。一 般间隙为磨球直径之 1/21/3。(5) 调整进料泵的转速。在研磨桶可以接受压力范围内，进料泵的转速越大越好，一般选择HP工业级软管泵。如此，可以于同一研磨时间内增加浆料经过研磨机研磨次数以得到较窄粒径分布。(6) 记录研磨机所需消耗之电能kW 值。（7）取样时，记录每个样品之比能量（specifi

20、c energy）值，并于分析该粒径大小后，将比能量与平均粒径关系做出，以利将来Scale up用。（8）达到所需比能量值时即可停机。此时，原则上 已达到所需研磨分散平均粒径要求了。3）循环桶部分一般要得到超细粉体，均需利用卧式砂磨机研 磨数次，为了节省人力及有利于自动化、无人化操 作，笔者极力推荐使用循环式操作模式 （recirculati onoperati on mode）做纳米级粉体研磨。决定平均粒径（D 50）之方法若浆料配方固定，研 磨机操作条件亦固定条件下，平均粒径将决定于 比能量（specific energy）值，比能量E值定义如下：E :比能量，单位为 kWh/tP :消耗

21、电力，单位为 kWP0 :无效的消耗电力，尚未加入磨球时，启动研 磨机消耗电力，单位为kWm:流量，单位为ton/hrCm :固成分，单位为由上可知，比能量之物理意义为每吨粉体每小 时所消耗的电力。如图（四）所示，以研磨碳酸钙为例，笔者改变了 6种不同的研磨机搅拌转子的速度为（12-18.5m/sec） , 7种不同流量，以X轴为比能量， Y轴为平均粒径，由此图可以得知，不论流量或搅 拌轴速度在允许范围内如何改变，只要比能量值固 定，其研磨所得平均粒径都将固定。所以，想让产品品质重现，只要控制相同的比能量值，即可得到 相同的平均粒径值。10也 .4 ms-1 : o Vy a.o ms-1 ;

22、 寓j B.6 ms-1 1 说.11.2 ms-1 J- ms 一1口 Vu： = 14.4 ms -1 =m艮jriji良d mk =const0,11 101001OD0mass specific energy input E m /kWn/t图（四）研磨机消耗比能量与研磨所得浆料平均粒径关系5）磨球大小对研磨结果之影响如图（五）所示，不同磨球大小将影响所需 之比能量值。由图（五）可得知，当使用1.0-1.4 mm 磨球研磨碳酸钙时，需 320 kWh/t，才可达到粒径 D80 2艸。但当比能量 E值达到96 kWh/t后， 改用0.6-0.8 mm 磨球继续研磨，则只需要比能量180

23、kWh/t，即可达到相同粒径D80 2 艸。若浆料起始粒径可以先处理的更小，例如20 ym以下，则可以改用0.2-0.6 mm 磨球研磨，相信达到 D80 2ym所需之比能量值将再大大地缩小。由上述之 研究及说明可以得知，磨球越小，则研磨效果越好， 所需比能量值越小。re circulation grindingFUHLER PHN MXHtfMILL SrsrEM10 Qi 厂 s mas &pecHlo anorgy input Ew / kWti/t 图（五）研磨得到相同浆料粒径要求时，使用不同磨球大小与其消耗比能量与关系6）展望市场，设备超大型是必经之路且需加快在金属矿山中，部分铁矿需

24、磨至一400目大于95 %或更高才能单体解离，精矿品位大于65 %,需要大处理量、窄粒级超细搅拌球磨机。金银矿、 钼矿、铜矿、镍矿、铅锌矿也需要磨至一400目大于90 %或更高才能单体解离，需要具有细磨和擦洗 作用的大型搅拌球磨机。由于造纸行业发展迅速，将带动CaC03需求量 增长，势必带动大型现代化造纸钙生产基地的建立 和完善。现在如太阳纸业集团高旭公司、晨呜纸业集团、岳阳林纸集团纷纷建立大型造纸钙卫星生产 基地，至少年产510万t/a以上。中铝拟向西芒 杜铁矿投资22亿美元；广西南国铜业有限责任公司 年产15万吨铜冶炼项目环境影响报告书得到了国 家环境保护部正式批复；驰宏锌锗公告称，公司全

25、资子公司呼伦贝尔驰宏矿业有限公司（下称“呼伦贝尔公司”）14万吨锌/年、6万吨铅/年冶炼项目实 际投资超出计划14.2305亿元。为进一步保障项目 建设资金的连续性，呼伦贝尔公司拟将总投资由原 来的33.9874亿增加到48.2179亿元；国有企业中 国有色矿业集团有限公司旗下子公司计划通过非 公开发行 A股股票筹资至多人民币17.9亿元（合2.92亿美元），部分所筹资金将用于在广东省建立 一个稀土工厂。这可能意味着中国再次对这种具有 战略意义的矿产提起重视。高岭土、膨润土、云母等非金属矿业也将向大 型化、现代化生产发展，例如国内的中国高岭土公 司、广西北海高岭土公司、广东茂名高岭土公司和 山

26、西金洋高岭土公司等也将步人大型化、自动化大生产。工业矿物粉体的制备，且价格相对低廉，因此需要 处理量大的加工设备。研制产品粒度细且分布均 匀、处理量大的大型超细搅拌磨机对于工业矿物粉 体的深加工是当务之急。在能源工业中，例如煤直接液化项目中催化剂制备 技术，就需要大型超细搅拌磨机制备亚微米级 黄铁矿油浆。因此，不管非金属行业，还是金属行业或者能源 行业，迫切需要一种高效、实用、能耗省且价格适中的大处理量、窄粒级超细超大型卧式砂磨机。我国许多矿山工业生产铁精矿都使用普通卧式 球磨机磨矿，因普通卧式球磨机磨矿效率低、产品粒度达不到要求、矿物没有达到单体解离，所以铁 品位只能在5355%之间。超大型

27、卧式砂磨机是金 银矿、钼矿、铜矿、镍矿、铅锌矿、铁矿再磨或细 磨最具有发展前景、能量利用率高、产品粒度细的 一种细磨设备，另外，由于该设备结构简 单、操作维护方便，从而被广泛应用于黄金矿、有 色金属矿、金属矿和磁性材料等工业生产中。柿竹园有色金属矿铁精矿磨多年来都是采用 卧式球磨机，磨矿粒度一直都是-43占60%，铁品位在5355%之间，磨矿细度达不到，铁精矿品位 不能提高。所以换用派勒超大型卧式超细砂磨机是 唯一选择。3. 派勒新一代超大型卧式超细砂磨机之构造 由前一章节可以得到，若想有效率地完成纳 米级粉体的分散研磨，大流量、小磨球已成为不可 或缺之法则。因此，新一代纳米级研磨机构造需能

28、满足”大流量、小磨球”设计法则。图（九）派勒超大型卧式超细砂磨机PHE 10000L现场案例示意图以图（九）示意图为例，将重点报告如下：图（十）派勒超大型卧式超细砂磨机PHE 1200L现场案例示意图1）原则上当研磨室之桶体直径越大，且产能越高时，就称为较好砂磨机。因可以降低浆料残余量以方便设备清洗。2）分离机构（即专利动态大流量分离器）间隙根据不同磨球大小而任意调整。不需卸下磨球及打开 研磨机即可完成。同时，滤网面积越大则研磨机所 能使用流量将越大，更能满足 ”大流量、小磨球”原 则。如图（十）所示，滤网间隙需为磨球大小1/2 1/3。图（十）派勒PHE 10000L超大型卧式超细砂磨 机整

29、体外观图，其主要用于金矿、银矿、钼矿、铜 矿、镍矿、铅锌矿、铁矿、 硫酸法钛白粉、氯化法 钛白粉、GCC咼岭土、滑石粉等有色金属矿和非金属矿业领域的超细研磨和提纯工艺流程。3）研磨桶需有大面积热夹套层设计，以利于将热 量带走并控制良好研磨浆料温度。4）研磨桶内，所有与浆料接触部分材质需适当地 选择以避免污染问题产生。如金属离子析出等问 题，派勒PHE 10000超大型卧式超细砂磨机 在金 银矿再磨中的应用通过与长沙矿冶研究院张国立 先生、中金岭南、驰宏锌锗等公司的技术交流和尝 试性合作工作即将展开。金被黄铁矿包裹，以显微 金、次显微金或固熔体存在的含金矿石，是难溶浸提金的一类金矿石。超大型卧式

30、超细砂磨机在边磨边浸过程中，磨矿 介质与矿料之间强烈的剥磨作用.破坏了物料颗粒表面的扩散界面层. 从而加快化学反应速度. 提高 了浸出率。已在与福建紫金矿业殷份公司、安徽省锕陵朝山金矿、山东乳山金矿、湖南辰州矿业（原湘西金矿）、河南虎沟金矿、陕西中矿生物工程公 司、中国黄金夹皮沟金矿、招远黄金金翅岭盘矿、 云南华西黄金、云南元宝铂钯矿、陕西宝鸡地质从、 广西福斯银银矿、广西责港冶炼厂和云南大理黄金 冶炼厂等黄金企业讨论合作。M Gao and K R Weller, K R, 1993. Review ofAlter native Tech no logies For Fine Grindin

31、g,AMIRA ProjectJuhasz and Opoczky,Mecha ni calActivati onofMinerals by Grinding, Ellis Horwood Limited,19904. 结论与建议由上述可以得知”大流量、小磨球”为纳米级粉 体研磨主要依循法则。若欲满足细、快、更少污染、”纳米级粉体研磨要求，需满足下列条件：1）先认清研磨材料之特性要求。2）根据材料特性要求找到适当研磨机。3）搭配适当配套设备，如冰水机、压缩空气机、预搅拌机及移动物料桶、等。4）找到合适产品的助剂。5）与上、下游有完善的沟通，以便调整最佳配方 与研磨条件，提高纳米粉体相容性。（1）派勒超大型卧式