超大型超細臥式砂磨機的突破創新及其在礦山之應用

摘 要：納米科技是本世紀科技發展的重要技術領域，勢必創造另一波技術創新及產業革命。臥式砂磨機是一種高效率的超細濕法研磨設備。本文介紹了新型臥式砂磨機設備結構、工藝及其在工業礦物中的應用情況。不論其應用領域為何，所需要用的材料均為次微米或納米級尺度之材料。如何得到納米級粉體及如何將納米級材料分散到其最終產品已成為目前產﹑經及學術界共同之研究課題。本文將針對納米粉體研磨及納米材料分散到其最終產品技術加以詳加探討，系統介紹臥式砂磨機在金屬礦山的應用情況和最新研究進展，及對金屬礦山資源綜合利用和節能降耗的貢獻，并對此進行了綜合評述和發展展望。

關鍵詞：研磨；分散；金屬礦山；比能量；研磨介質

1 引言

筆者從事德國公司臥式砂磨機銷售業務數十余年，且已曾受邀在國內大專院校﹑工研院﹑中科院及國內外企業針對“新一代高效率納米研磨的現況及發展”主題演講，并已規劃過數百個案子，在國內已銷售數百廠實績。其主要應用領域可以1998年為區分點。1998年以前，企業界所面臨的問題為如何提高分散研磨效率以降低勞力成本，如染料﹑涂料﹑油墨等產業。而1998年以后，產業技術瓶頸則為如何得到微細化（納米化）材料及如何將納米化材料分散到最終產品里，如光電業TFTLCD﹑Jet ink﹑電子﹑磁性材料﹑醫藥﹑生物制藥和細胞破碎﹑氧化物﹑食品等行業。

最近十幾年來臥式砂磨機得到了迅速的發展，在冶金、礦業、非金屬礦物材料、化工、陶瓷和新材料領域得以廣泛應用。超細臥式砂磨機是一種高效節能的超細濕法粉碎設備，隨著臥式砂磨機設備的超大型化和技術的不斷完善。臥式砂磨機將在金屬礦山再磨或細磨作業中得到普遍應用。

不論是傳統產業提升研磨效率求快或是高科技產業納米化材料求細需求，對大批量工業化生產來說，耐高溫、耐強酸、耐磨、無污染控制都同樣重要。所以細﹑快﹑大、更少污染已成為新一代分散研磨技術最重要的課題。

本文將針對納米級研磨的現狀及發展﹑納米級分散研磨技術的原理﹑納米級研磨機的構造﹑現有設備的來源﹑應用實例及注意事項﹑結論及建議等六大主題展開討論。

2 納米級分散研磨技術的現狀與發展

（1） 化學方法和物理方法

隨著 3C 產品之輕、薄、短小化及納米材料應用白熱化，如何將超微細研磨技術應用于納米材料的制作及分散研磨已成為當下重要課題。一般想得到納米粉體有兩種方法。一種是化學方法，由下而上之制造方法（bottom up），如化學沉淀法，溶膠凝膠法（sol-gel）。另一種方法則為物理方法，將粉體粒子由大變小（top down），如機械球磨法、化學法、物理法等。

到目前為止，大部分化學法或由下而上之納米粉體制造方法被學術界研究且已有豐碩的成果，可以得到數納米級粉體。唯其制造成本有時相當高，且不易放大, 同時所得到粒徑分布亦較大。所以到目前為止，企業界仍主要以物理機械研磨方法得到納米級粉體。物理方法較易得到粒徑分布較小的納米級粉體，同時生產成本相對較低，參數容易控制，將研發實驗機臺所得參數放大到量產機臺。只是物理方法目前只能研磨到30 nm，但已能滿足業界需求。

（2） 干法研磨和濕法研磨

對納米粉體制造廠而言，一般希望以干法研磨方法來得到最終粉體。但若以機械研磨方式研磨粉體，在研磨過程中，粉體溫度將因大量能量導入而急速上升，且當顆粒微細化后，如何避免防爆等問題產生也是研磨機難以掌控的因素。所以一般而言，干法研磨的粒徑只能研磨到5~8 μm。如果要得到5 μm以下粒徑，建議必須使用濕法式研磨。

所謂濕法研磨即先將納米粉體與適當溶劑混和調制成適當材料。為了避免研磨過程中發生粉體凝聚現象，需加入適當分散劑或助劑充當助磨劑。若需制備納米級粉體，則需選擇適當的溶劑﹑助劑﹑過濾方法及干燥方法。

（3） 研磨和分散

研磨是利用剪切力﹑摩擦力或沖力將粉體由大顆粒研磨成小顆粒。分散是使納米粉體被其所添加溶劑﹑助劑﹑分散劑、樹脂等包覆住，以便達到顆粒完全分離﹑潤濕﹑分布均勻及穩定的目的。在納米粉體分散或研磨時，因為粉體尺度處于由大變小的過程中，范德瓦爾力及布朗運動現象逐漸明顯。所以，選擇適當助劑以避免粉體再次凝聚，利用研磨機來控制研磨漿料溫度以降低或避免布朗運動影響，將是納米級粉體研磨及分散的關鍵技術。

3 有色金屬礦及非金屬礦粉體的分散研磨原理

濕法研磨方式是得到納米級粉體最有效且最經濟的方法。圖1和圖2分別是砂磨機的結構圖和工作原理圖。圖3是砂磨機動態轉子置于其內的超大過流面積分離器。

結合圖1、圖2和圖3來看，馬達利用齒輪箱傳動攪拌轉子，利用動力使鋯球運動產生剪切力，漿料通過泵的推力到達研磨室，移動過程中因與磨球有相對運動而產生剪切力，進而產生分散研磨效果。漿料粒徑小于研磨室內分離磨球與漿料之動態大流量分離器濾網間隙大小時，漿料將被離心力擠出至出料桶槽以便得到分散研磨效果。上述過程為研磨1個周期，若尚未達到粒徑要求，則可以重復上述動作，稱為循環研磨，直到粒徑達到要求為止。

上述流程可用有色金屬礦選礦、研磨、分選流程圖（見圖4）表示。漿料粒徑未達要求，將回送至研磨室繼續研磨，直到符合要求。

4 研磨操作流程及技術控制

圖5和圖6分別是傳統立式攪拌磨與超大型臥式砂磨機的研磨操控流程圖。兩者的區別主要在于砂磨機的結構與研磨方式。研磨操作流程及相應的技術控制主要分為以下幾方面。

（1） 漿料前處理及預攪拌

本系統能否成功達到研磨或分散目的，主要在于研磨介質（即鋯球）大小及材質的選擇。以筆者經驗，所選擇磨球需為1.0~1.8 mm。同時，為了讓小磨球能夠在研磨過程中不受漿料X軸方向移動的推力影響，而堵在濾網附近，導致研磨室因壓力太高而停機，其攪拌轉子線速度需超過16 m/s。同時，漿料粘度控制在1000 cps以下，以便讓磨球運動不受漿料粘度影響。同時，漿料的固含量也需控制在65%以下，以防止研磨過程中因粉體比表面積增加而導致粘度上升，無法繼續使用小磨球。同時，為避免1.0 mm以下的磨球從動態分離器流出研磨室或卡在濾網上，濾網間隙需調整到0.8 mm左右。

前處理或預攪拌時，需依下列原則準備研磨前的漿料，整理如下：

1)先決定所欲研磨的漿料最后粒徑需求。

2)將漿料粘度﹑固含量﹑研磨前細度、最終要求細度做準備，并滿足預定需求。

3)預攪拌或前處理系統攪拌轉子轉速需為高線速度設計。建議線速度為10~23 m/s以避免產生漿料沉淀或不均勻問題。

（2） 超大型臥式砂磨機

為了同時保證研磨高效化和研磨機的正常運轉，所需控制原則及參數如下：

1)依照所需粒徑要求選擇適當的磨球。例如，若需達到超細粉體要求且避免磨球損耗，需選擇釔穩氧化鋯磨球，莫氏硬度越大越好，磨球需為規則球形，沒有孔隙，大小為1.2~1.8 mm。磨球的選擇會顯著影響研磨所欲達到的粒徑尺度。

2)依據磨球大小及漿料粘度，適當調整攪拌轉子轉速。一般冶金、礦業、非金屬礦物材料、化工、陶瓷和新材料超細粉體研磨，轉速需達13.5~23 m/s以上。

3)控制研磨漿料溫度。一般漿料研磨溫度需控制在90 ℃以下。對漿料溫度影響較大的主要有轉子轉速﹑磨球充填率﹑研磨桶熱交換面積大小﹑冷卻水條件及流量。

4)依據磨球大小選擇適當動態分離系統間隙。一般間隙為磨球直徑的1/2~1/3。

5)調整進料泵的轉速。在研磨桶允許壓力范圍內，進料泵的轉速越大越好，一般選擇HP工業級軟管泵。

如此，可以于同一研磨時間內增加漿料經過研磨機研磨次數以得到較窄粒徑分布。

6)記錄研磨機所需消耗的電能。

7)取樣時，記錄每個樣品的比能量值，并于分析該粒徑大小后，探索出比能量與平均粒徑關系，以利將來放大試驗用。

8)達到所需比能量值時即可停機。此時，按預定要求應該已達到所需研磨分散的平均粒徑。

（3） 循環桶

一般要得到超細粉體，均需利用臥式砂磨機研磨數次，為了節省人力及利于自動化﹑無人化操作，可使用循環式操作模式用于納米級粉體研磨。

決定平均粒徑（D50）之方法，若漿料配方固定，研磨機操作條件亦固定，平均粒徑將決定于比能量值。比能量E值定義如下：

E=(P-P0)/m·Cm（1）

其中，E-比能量，單位為kW·h/t

P-消耗電力，單位為kW

P0-無效的消耗電力，尚未加入磨球時，啟動研磨機消耗電力，單位為kW

m-流量，單位為t/hr

Cm-固成分，單位為%

由上可知，比能量指每噸粉體單位小時所消耗的電力。

如圖7所示，以研磨碳酸鈣為例，通過改變研磨機攪拌轉子的速度(12~18.5 m/s)和流量，以X軸為比能量，Y軸為平均粒徑作圖。由圖7可以得知，在允許范圍內，不論流量或攪拌軸速度如何改變，只要比能量值固定，其研磨所得平均粒徑都能得到控制。所以，只要控制相同的比能量值，即可得到相同的平均粒徑值。

（4） 磨球大小對研磨結果的影響

如圖8所示，不同磨球大小將影響所需的比能量值。當使用1.0~1.4 mm磨球研磨碳酸鈣時，需320 kW·h/t，才可達到D80小于2 μm的粒徑。但當比能量E值達到96 kW·h/t后，改用0.6~0.8 mm磨球繼續研磨，則只需要比能量180 kW·h/t，即可達到相同D80小于2μm的粒徑。若漿料起始粒徑可以先處理的更小，例如20 μm以下，則可以改用0.2~0.6 mm磨球研磨，則達到D80小于2 μm粒徑所需的比能量值將再度縮小。由此得知，磨球越小，則研磨效果越好，所需比能量值越小。

（5） 展望市場，設備超大型是必經之路

在金屬礦山中，部分鐵礦需磨至400目通過95%或更高才能單體解離，精礦品位通過65%，需要大處理量、窄粒徑的超細攪拌球磨機。金銀礦、鉬礦、銅礦、鎳礦、鉛鋅礦也需要磨至400目通過90%或更高才能單體解離，需要具有細磨和擦洗作用的大型攪拌球磨機。

由于造紙行業發展迅速，將帶動CaCO3需求量增長，勢必帶動大型現代化造紙鈣生產基地的建立和完善。 現在如太陽紙業集團高旭公司、晨嗚紙業集團、岳陽林紙集團紛紛建立大型造紙鈣衛星生產基地，至少年產5~10萬t/a以上。中鋁擬向西芒杜鐵礦投資22億美元。廣西南國銅業有限責任公司年產15萬t銅冶煉項目環境影響報告書得到了國家環境保護部正式批復。馳宏鋅鍺公告稱，公司全資子公司呼倫貝爾馳宏礦業有限公司（下稱“呼倫貝爾公司”）14萬t鋅/年、6萬t鉛/年冶煉項目實際投資超出計劃14.2305億元。為進一步保障項目建設資金的連續性，呼倫貝爾公司擬將總投資由原來的33.9874億增加到48.2179億元。國有企業中國有色礦業集團有限公司旗下子公司計劃通過非公開發行A股股票籌資至多人民幣17.9億元(合2.92億美元)，部分所籌資金將用于在廣東省建立的一個稀土工廠。這可能意味著中國再次對這種具有戰略意義的礦產提起重視。高嶺土、膨潤土、云母等非金屬礦業也將向大型化、現代化生產發展，例如國內的中國高嶺土公司、廣西北海高嶺土公司、廣東茂名高嶺土公司和山西金洋高嶺土公司等也將步入大型化、自動化大生產。

工業礦物粉體的制備，價格相對低廉，因此需要處理量大的加工設備。研制產品粒度細且分布均勻、處理量大的大型超細攪拌磨機是工業礦物粉體深加工的當務之急。在能源工業中，例如，煤直接液化項目中催化劑制備技術，就需要大型超細攪拌磨機制備亞微米級黃鐵礦油漿。

因此，非金屬行業、金屬行業亦或能源行業，迫切需要一種高效、實用、能耗低且價格適中的大處理量、窄粒徑的超細超大型臥式砂磨機。

我國許多礦山工業生產鐵精礦都使用普通臥式球磨機磨礦，因普通臥式球磨機磨礦效率低，產品粒度達不到要求，礦物沒有達到單體解離，所以鐵品位只能在53%~55%之間。超大型臥式砂磨機是金銀礦、鉬礦、銅礦、鎳礦、鉛鋅礦、鐵礦再磨或細磨最具有發展前景、能量利用率高、產品粒度細的一種細磨設備。另外，由于該設備結構簡單、操作維護方便，從而被廣泛應用于黃金礦、有色金屬礦、金屬礦和磁性材料等工業生產中。

柿竹園有色金屬礦鐵精礦磨多年來都是采用臥式球磨機，磨礦粒度一直都是43 μm占到60%，鐵品位在53%~55%之間，磨礦細度達不到，鐵精礦品位不能提高。所以換用派勒超大型臥式超細砂磨機是唯一選擇。

5 派勒新一代超大型臥式超細砂磨機結構

若想有效完成納米級粉體的分散研磨，大流量﹑小磨球已成為必然趨勢。因此，新一代納米級研磨機構造需能滿足“大流量﹑小磨球”設計原則。

以圖9和圖10為例，圖9是派勒超大型臥式超細砂磨機PHE 10000L現場案例示意圖，圖10是其研磨盤和轉子。

新型超耐磨、耐高溫、耐酸堿材質研磨盤和轉子

結合圖9來看，研磨室桶體直徑較大，且產能較高時，可稱得上較好的砂磨機。因可以降低漿料殘余量以方便設備清洗。如圖10所示，分離機構（即專利動態大流量分離器）間隙根據不同磨球大小可任意調整，不需卸下磨球及打開研磨機即可完成。同時，濾網面積越大則研磨機所能使用流量將越大，更能滿足“大流量﹑小磨球”原則，濾網間隙需為磨球大小1/2~1/3。

研磨桶需有大面積熱夾套層設計，以利于將熱量帶走并控制良好研磨漿料溫度。研磨桶內，所有與漿料接觸部分材質需慎重選擇以避免金屬離子析出等污染問題產生。

圖11是派勒PHE 10000L超大型臥式超細砂磨機整體外觀圖，該砂磨機主要用于金銀礦、鉬礦、銅礦、鎳礦、鉛鋅礦、鐵礦、硫酸法鈦白粉、GCC高嶺土等有色金屬礦和非金屬礦業領域的超細研磨。

通過與長沙礦冶研究院、中金嶺南、馳宏鋅鍺等公司的技術交流合作，即將開展對派勒PHE 10000超大型臥式超細砂磨機在金銀礦再磨中的應用工作。金被黃鐵礦包裹，以顯微金、次顯微金或固熔體存在的含金礦石，是難溶浸提金的一類金礦石。

超大型臥式超細砂磨機在邊磨邊浸過程中，磨礦介質與礦料之間強烈的剝磨作用，破壞了物料顆粒表面的擴散界面層，從而加快化學反應速度，提高了浸出率。已在與福建紫金礦業殷份公司、安徽省錒陵朝山金礦、山東乳山金礦等黃金企業討論合作。

6 結論與建議

綜上所述，“大流量﹑小磨球”為納米級粉體研磨主要依循原則。 若欲滿足細﹑快﹑更少污染"的納米級粉體研磨要求，需具備下列條件：

（1） 先認清研磨材料的特性要求。

（2） 根據材料特性要求匹配適宜的研磨機。

（3） 搭配適當配套設備，如冰水機﹑壓縮空氣機、預攪拌機及移動物料桶等。

（4） 找到適合產品的助劑。

（5） 與上﹑下游有完善的溝通，以便調整最佳配方與研磨條件，提高納米粉體相容性。

超大型臥式超細砂磨機已在金屬礦山、非金屬礦應用超過180多臺，對金屬礦山、非金屬礦資源綜合利用和節能降耗做出了應有的貢獻。

超大型臥式超細砂磨機將會引起金屬礦山礦物加工領域更多的關注和重視，應用愈加普及化。這都需要設備研制者和工藝人員密切配合，共同攻關，進行大型攪拌球磨機研制及其在金屬礦山的應用。細磨技術和裝備在金屬礦山資源綜合利用和節能降耗中大有用武之地。

參考文獻

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[7] M Gao,K R Weller,K R. Review of Alternative Technologies For

Fine Grinding[J].AMIRA Project,1993.

[8] Juhasz,Opoczky.Mechanical Activation of Minerals by Grinding

[J].Ellis Horwood Limited,1990.

作者簡介：雷立猛（1978年~），工學博士，主要研究方向：納米粉體分散、研磨技術及應用。

Puhler Wet Grinding Nano Powder of Puhler Nano Grinding Tech Communion

LEI Li-meng1,2,3

(1.Puhler Machinery & Equipment Co., Ltd.,Guangzhou 511495; 2.Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy,Changsha 410012; 3.Lingnan Danxia Smelter,Shaoguan 512322)

Abstract: Fine grinding mills have improved in design and efficiency in recent years, allowing major opportunities for treatment of materials where liberation to grind sizes below fifteen microns are required. The successful development of the Puhler PHE Super Max Flow Mill, a horizontal stirred mill, has produced equipment capable of grinding the larger tonnages which exist in mineral processing operations, to product sizes below ten microns. Initially developed for use with base metal flotation circuits, significant test work conducted in 1998 shows that major economic gains can be achieved by producing finely ground material for leaching. Puhler PHE Super Max Flow Mill development and operation is reviewed. Results from test work to produce a feed stock for both straight cyanidation and sulphide leaching are discussed, with emphasis on energy consumption, product size and leachability. A number of options for ultrafine grinding and leaching are also discussed.

Key words: grinding; dispersing; metal mine; specific energy; grinding media

（4） 找到適合產品的助劑。

（5） 與上﹑下游有完善的溝通，以便調整最佳配方與研磨條件，提高納米粉體相容性。

超大型臥式超細砂磨機已在金屬礦山、非金屬礦應用超過180多臺，對金屬礦山、非金屬礦資源綜合利用和節能降耗做出了應有的貢獻。

超大型臥式超細砂磨機將會引起金屬礦山礦物加工領域更多的關注和重視，應用愈加普及化。這都需要設備研制者和工藝人員密切配合，共同攻關，進行大型攪拌球磨機研制及其在金屬礦山的應用。細磨技術和裝備在金屬礦山資源綜合利用和節能降耗中大有用武之地。

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作者簡介：雷立猛（1978年~），工學博士，主要研究方向：納米粉體分散、研磨技術及應用。

Puhler Wet Grinding Nano Powder of Puhler Nano Grinding Tech Communion

LEI Li-meng1,2,3

(1.Puhler Machinery & Equipment Co., Ltd.,Guangzhou 511495; 2.Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy,Changsha 410012; 3.Lingnan Danxia Smelter,Shaoguan 512322)

Abstract: Fine grinding mills have improved in design and efficiency in recent years, allowing major opportunities for treatment of materials where liberation to grind sizes below fifteen microns are required. The successful development of the Puhler PHE Super Max Flow Mill, a horizontal stirred mill, has produced equipment capable of grinding the larger tonnages which exist in mineral processing operations, to product sizes below ten microns. Initially developed for use with base metal flotation circuits, significant test work conducted in 1998 shows that major economic gains can be achieved by producing finely ground material for leaching. Puhler PHE Super Max Flow Mill development and operation is reviewed. Results from test work to produce a feed stock for both straight cyanidation and sulphide leaching are discussed, with emphasis on energy consumption, product size and leachability. A number of options for ultrafine grinding and leaching are also discussed.

Key words: grinding; dispersing; metal mine; specific energy; grinding media

（4） 找到適合產品的助劑。

（5） 與上﹑下游有完善的溝通，以便調整最佳配方與研磨條件，提高納米粉體相容性。

超大型臥式超細砂磨機已在金屬礦山、非金屬礦應用超過180多臺，對金屬礦山、非金屬礦資源綜合利用和節能降耗做出了應有的貢獻。

超大型臥式超細砂磨機將會引起金屬礦山礦物加工領域更多的關注和重視，應用愈加普及化。這都需要設備研制者和工藝人員密切配合，共同攻關，進行大型攪拌球磨機研制及其在金屬礦山的應用。細磨技術和裝備在金屬礦山資源綜合利用和節能降耗中大有用武之地。

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作者簡介：雷立猛（1978年~），工學博士，主要研究方向：納米粉體分散、研磨技術及應用。

Puhler Wet Grinding Nano Powder of Puhler Nano Grinding Tech Communion

LEI Li-meng1,2,3

(1.Puhler Machinery & Equipment Co., Ltd.,Guangzhou 511495; 2.Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy,Changsha 410012; 3.Lingnan Danxia Smelter,Shaoguan 512322)

Abstract: Fine grinding mills have improved in design and efficiency in recent years, allowing major opportunities for treatment of materials where liberation to grind sizes below fifteen microns are required. The successful development of the Puhler PHE Super Max Flow Mill, a horizontal stirred mill, has produced equipment capable of grinding the larger tonnages which exist in mineral processing operations, to product sizes below ten microns. Initially developed for use with base metal flotation circuits, significant test work conducted in 1998 shows that major economic gains can be achieved by producing finely ground material for leaching. Puhler PHE Super Max Flow Mill development and operation is reviewed. Results from test work to produce a feed stock for both straight cyanidation and sulphide leaching are discussed, with emphasis on energy consumption, product size and leachability. A number of options for ultrafine grinding and leaching are also discussed.

Key words: grinding; dispersing; metal mine; specific energy; grinding media