球石的耐磨性能及其對球磨工藝技術和經濟性能的影響

蔡祖光 譯

摘要 通過對球石耐磨性能的系統性研究表明，雖然不同生產廠家制造的球石的耐磨性能具有很大的差異，但從經濟的觀點來看，氧化鋁球石（氧化鋁瓷球石的簡稱）對球磨工藝的作用非常重要，尤其與氧化鋁襯磚（球磨機筒體用內襯）配套使用時，氧化鋁球石可獲得技術經濟性能最優的球磨工藝。總之，欲獲得技術和經濟性最優的球磨工藝，還需細心調整球磨工藝的各相關要素。

關鍵詞 球磨機，氧化鋁，球石，球磨工藝，經濟性能

1引 言

以前大多數球磨機幾乎都是采用燧石球石，僅某些特殊用途的球磨機才采用普通瓷球石和滑石瓷球石。隨著市場對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點。同時，球磨機工作時，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動，從而提高其對物料的破碎粉磨能力；另一方面，高密度的氧化鋁球石能進一步增強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間，以制備高密度和高粘度的料漿。不僅因為上述生產過程是節能的，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的生產能力。

氧化鋁球石與燧石球石、普通瓷球石和滑石瓷球石相比，其最大的優勢是低磨損。如圖1所示為不同研磨介質（球石）的磨損狀態示意圖，它是通過球磨機制備密度為1.5kg/L的氧化鋁陶瓷料漿時的實測結果。

2球磨工藝

為了既能節省球石等成本消耗，又能獲得最好的球磨效果，生產過程必須細心調整球磨工藝的各相關要素，并重點考慮表1所述的基本要求。氧化鋁球石與氧化鋁襯磚（球磨機筒體內襯）配套使用時，氧化鋁球石能基本上滿足表1所述的基本要求。由此可見，球磨機的球石和筒體內襯的選用至關重要。本文主要論述了球磨機的研磨特性，球磨機具有使用壽命長、堅固耐用、維護保養簡便和研磨效率較高等優點，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顯示的是球磨機在高效研磨助劑作用下的實測數據。

許多因素都會影響球磨機高效研磨狀態的工藝參數的調整，其中最主要的因素是：(1)球磨機筒體的形狀及其規格尺寸；(2)球磨機筒體內襯的材質、形狀和厚度；(3)球磨機筒體的轉速；(4)球磨機的裝載量（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的容積）；(5)研磨介質（空氣、水、pH值和有機質液體）；(6)待磨物料的硬度、物理機械強度、可劈裂性和團聚性等。

為了尋求最優的球磨工藝過程，通常需要利用實驗室球磨機進行大量的試驗，然后再應用于球磨機的實際生產過程中。當然，尋求最優球磨工藝生產過程時，需要考慮球磨機筒體內研磨體（球石）所產生的動能影響球磨效率、研磨體（球石）的磨損和筒體內襯的磨損。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

濕法球磨機通常應用于多種物料及添加劑的混合均勻的精細粉磨和超精細粉磨。其單位研磨腔的功率消耗較低，球磨短時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制造過程中，通常需要粒度分布范圍寬的物料顆粒。通過后續的分級工藝（如：水力旋流器或傾注式壓力沉降器）或使用其它磨機組（如：攪拌磨機或環隙磨機）就能粗略地調整其粒度分布曲線。濕法球磨不僅能使團聚物球磨成細顆粒（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。

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

另一種觀點認為，球磨機最高轉速的選擇非常重要。因為球磨機具有一個臨界轉速，此時顆粒料（球石和待磨物料等顆粒）緊貼球磨機筒體內襯旋轉，顆粒料（球石和待磨物料等顆粒）通過上升曲線（圓弧軌跡）的最高點繼續旋轉而不跌落下來，這是由于其離心力與重力平衡的緣故。球磨機的臨界轉速（轉/分）可采用下列公式計算：

式中：

D——球磨機筒體（安裝內襯后）的凈空直徑，m

濕法球磨機通常以60%的臨界轉速（nk）運轉，在特殊情況下，以80%的臨界轉速（nk）運轉可獲得較高的球磨效率。但大多數濕法球磨機通常以40%的臨界轉速（nk）運轉，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襯的情況下，球磨機也可以以較高的轉速運行。由于濕法球磨時，料漿吸收了球石的能量，減弱了球石的運動速度，因此球石對筒體內襯的沖擊碰撞等損壞非常小。

2.2 干法球磨

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

濕法球磨主要應用于球磨破碎團聚物并使之攪拌混合均勻。而干法球磨則主要應用于球磨破碎原始的顆粒物，因此，干法球磨時，物料通常表現為劈裂的破碎特征。通過篩分分級后能可靠地分離出滿足細度要求的粉料，再將未達到細度要求的篩上料重新返回干法球磨生產工藝流程中，這樣的操作通常能提高干法球磨效率。

事實上，干法球磨工藝參數的調整比濕法球磨工藝參數的調整更為重要，尤其是球磨機的適宜裝載量及球石物料比。實踐證明，當球磨機筒體的裝載量為其有效容積的50%時，非常經濟實用；球磨機筒體內最上一層（球磨機靜止時）球石上面遮蓋大約10cm厚的物料也是非常重要的。另外，球石的規格尺寸不必過大，并且球磨機的轉速也不能高于0.6nk，這樣才有利于保護筒體內襯免遭損壞，從而延長氧化鋁襯磚的使用壽命及減少球石的磨損量。

為了優化干法球磨的工藝參數，必須考察干法球磨過程中球石的運動狀態，考慮到球磨機筒體的旋轉運動迫使球石沿兩段曲線組成的封閉軌跡運動，首先是沿圓弧軌跡的上升運動，然后是沿拋物線軌跡的降落運動，球石降落后又轉入圓弧軌跡。如圖3所示，依球磨機筒體的轉速大小，球石有兩種最基本的研磨運動狀態，即“瀉落”研磨運動狀態和“瀑落”研磨運動狀態，而介于兩者之間的研磨運動狀態稱為混合研磨運動狀態，此時“瀉落”研磨運動和“瀑落”研磨運動同時產生作用。

實踐生產中，球磨機的裝載量通常為筒體有效容積的30%和50%，并以55%、60%和70%的臨界轉速（nk）旋轉，其筒體內球石的運動狀態示意圖如圖4所示。球磨機慢速旋轉時（例如：筒體轉速n=23/=0.55nk），球石沿圓弧軌跡上升，在上升的過程中球石也沿其自身的重心旋轉，理論上，到達圓弧軌跡的最高點后球石應當沿拋物線軌跡降落。但由于此時球石的動能太小以致立即跌入處于上升運動的球石群中，所以說，處于“瀉落”研磨運動狀態的球石最終將滾落下來。顯然它們對物料的沖擊碰撞作用差，主要是通過球石的上升運動和滾落運動所產生的擠壓力和摩擦力實現對物料的球磨破碎作用。對減小球石和球磨機筒體內襯的磨損來說，尤其是球磨機的裝載量適宜時，球石的“瀉落”研磨運動狀態是最好的工作方式。然而，因球磨機的裝載量不足以及球石具有過大的起拋角（球石進入拋物線軌跡時的初速度與水平方向的夾角）的“瀉落”研磨運動狀態，增強了處于跌落運動的球石對球磨機筒體內襯的沖擊碰撞作用，卻減弱了對物料的擠壓和研磨等作用，因此，在這種情況下，“瀉落”研磨運動狀態也會造成球石和球磨機筒體內襯的磨損。但最優的“瀉落”研磨運動狀態是裝載量為球磨機筒體有效容積的50%，球石起拋角為45°的狀態（如圖4c所示）。

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

3氧化鋁球石

目前，不同的球石生產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%（質量比）的氧化鋁球石以及特殊應用的氧化鋁含量為96～99.5%（質量比）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別，筆者認為可利用DIN50332爆破測試法進行檢測。

表2是建立在圖6基礎上的，是不同生產廠家制造的氧化鋁球石的體積磨損率的對照表。優質氧化鋁球石的體積磨損率大約0.8cm3，最劣質氧化鋁球石的體積磨損率大約3.0cm3。爆破測試時氧化鋁球石呈現侵蝕失效的特征，而在實際球磨生產過程中氧化鋁球石則呈現磨損失效的特征。ETEC多年的球石磨損研究經驗證實，不同的測試方法能提供許多非常有益的數據。某些復雜和耗費時間的球磨實驗結果如圖7所示，它是采用有效凈空直徑為0.8m的筒體以0.6nk的轉速旋轉，在未添加物料的干法球磨機中的實測結果，所測的質量磨損率是球磨機工作25h后，通過稱重法計算的結果。幾乎所有氧化鋁球石與球磨時間的磨損曲線都是直線，僅質量等級為H的氧化鋁球石隨球磨時間的增長而超比例地增加其磨損量。雖然單獨測試時，磨損量的變化很大，但仍可假定質量等級為C的氧化鋁球石的磨損量是球磨時間的線性函數。同時，質量等級為H的氧化鋁球石隨球磨時間的增長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，質量等級為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球石球磨時的經濟性。為此必須考慮以下幾方面（如表2所示），當然它不能簡單地應用于所有的球磨工藝過程中，因為所假定的氧化鋁球石的磨損率是某一特定球磨工藝所特有的，并且球磨工藝過程中球石的實際磨損率通常比實驗測試值還要低很多。若假定球磨機的裝載量為筒體有效容積的50%時，氧化鋁球石的磨損率最低，即使是價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行費用低的優勢（如表2所示），這里還未考慮大量小規格尺寸氧化鋁球石碎裂時所產生的較低的研磨功效。

生產方面還需考慮球磨工藝的重復再現性。將氧化鋁球石系列產品分成6個批次進行爆破測試后的磨損對比結果是，ETEC公司制造的氧化鋁球石磨損量的偏差較小，質量等級為E的氧化鋁球石在同一批次不同個體及不同批次的磨損量具有很大的波動性。氧化鋁球石穩定的質量是球磨工藝過程重復再現性的最重要的因素。

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，過去的氧化鋁球石磨損研究經驗也表明，較多氧化鋁含量并不會大幅度提高氧化鋁球石的耐磨性。事實上，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生產工藝流程，使之生產出高質量的氧化鋁球石，包括原料配方的選用、粉料顆粒的級別及其級配比例（通過篩分控制）、噴霧干燥制粉、模壓成形及燒結等工序。為了提高氧化鋁球石的耐磨性，制備具有一定顯微結構的粉料也是至關重要的。

4結 束 語

控制球磨機工藝過程的關鍵是保持裝入物（物料、球石、水和添加劑）的組成、品質等恒定不變性及控制成本。為了提高老式球磨機的生產能力，經常采用減少球石的加入量和提高球磨機轉速的方法，這是本質上的錯誤；另一常見的錯誤做法就是采用的球石規格尺寸與球磨機筒體的直徑相比過大，還有一錯誤做法就是球磨機的裝載量不足，并且很少處于受控狀態，尤其是連續式球磨機這種情況就更加明顯。

理論上，球磨機的裝載量為筒體有效容積的65%時，球磨機的球磨效率最高。但實踐生產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%的標準裝載量。至于采用筒體有效容積的30%以下的裝載量，這樣的錯誤做法不僅導致球磨機產量的降低，而且還易造成球石和球磨機筒體內襯的過早磨損。有時為了提高球磨機的產量，還隨意提高球磨機的轉速，這樣的操作大約僅適用于鋼質球石和鋼質內襯的球磨機采用，但對于球磨陶瓷原料來說，無論是從技術上還是從經濟上來考慮都將得不償失。

總之，從產品質量方面來看，氧化鋁球石和氧化鋁內襯在球磨機中的配套使用能給用戶提供最經濟和最先進的球磨工藝過程，當然，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的不協調造成的。只有通過系統分析，認識和修改錯誤操作，才能獲得工藝先進和經濟實用的球磨效果。