汪光辉 沈进杰 刘亚辉

（中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）

超细粉体尚无统一定义，国外一般视粒径小于3 μm的为超细粉体，国内普遍视粒径小于30μm的为超细粉体，并进一步细分为微米级（1～30μm）、亚微米级（1～0.1μm）和纳米级（0.001～0.1μm）。由于超细粉体颗粒体积变小而引起的体积效应和表面原子数目比例增加，进而引起表面效应，使其光学、磁学、声学、电学和力学等性质与常态有很大差异，因此被广泛应用于医药、化工、电子、能源和建筑装修等领域［1-4］。

超细粉体制备从原理上主要分为化学合成法和物理粉碎法2种［5］，其中物理粉碎法是目前主要的制备方法，具有工艺简单、产量大、成本低等优点。相关设备主要有搅拌球磨机、振动球磨机、行星式球磨机、雷蒙磨、胶体磨、气流粉碎机等［6-13］。因此，系统了解超细粉体加工设备的现状，有利于加深行业技术人员对设备性能及相关技术的认知，促进粉体加工行业的进步。

1 搅拌磨机

普通卧式球磨机筒体旋转消耗能量大，磨矿效率低的问题较突出［14-15］，而搅拌磨机的筒体静止，能量利用率高，同时研磨介质直径更小，产品粒度更细，搅拌线速度高，单位容积能量密度高，当待磨物料粒度小于100μm时，细磨效率远高于普通球磨机，相同处理量下其规格更小，且更节能。不同磨矿阶段球磨机和搅拌磨机的能耗对比见图1［16-18］。

搅拌磨机中搅拌装置主要有螺旋式、棒式、盘式3种。螺旋式、棒式搅拌磨机主要为立式，盘式搅拌磨机有立式和卧式2种［19］。

1.1 立式搅拌磨机

立式搅拌磨机的代表为立式螺旋搅拌磨机，搅拌器是最核心的部分，衬板为最主要的耐磨件，主要靠研磨介质（直径12～30 mm高铬球或陶瓷球等）重力和螺旋搅拌器带来的摩擦力实现细磨，工作时搅拌装置的线速度较低，在2.5～4.0 m/s，产品粒度可达到20μm左右［20］。

目前，世界上最大的VTM-4500-C型立式搅拌磨机筒体直径为5.9 m，有效容积达145 m³，电机功率达3 356 kW［21］。

1.2 卧式搅拌磨机

卧式搅拌磨机的典型代表为Isa磨机，主要由8个安装在轴上的磨盘组成，形成8个单独的磨矿腔室，工作时磨盘线速度在21～23 m/s，能量输入密度可达300 kW/m3［22］，主要利用极高的研剥力和能量密度实现超细磨，大大增加了磨矿效率。两磨盘之间的磨矿介质由于沿盘面向外的径向加速度不同从而形成内循环，因此物料在磨机内不可能形成短路。

Isa磨机排矿端安装的产品分离器具有分级功能，将粒度合格的磨矿产品排出磨机，而将介质和粗颗粒留在磨机中。MT1系列磨矿介质的直径一般在2～6 mm，主要成分为氧化铝，密度为3.7 kg/m3左右，堆密度22.54～23.52 N/dm3，维氏硬度HV为1 300～1 400，同时采用可转动的筒体内衬，一体式的、用后可弃的橡胶衬里有效降低了磨损，检修简单，适用于矿物（有色或非金属）、化工、颜料行业的超细磨，适宜给矿粒度F80=38μm左右，产品粒度一般P80=10μm或更细［23-25］。

2 气流粉碎机

气流粉碎机的原理是利用高速气流使物料与冲击部件发生碰撞、冲击、剪切等作用而粉碎。气流粉碎产品粒度细、分布窄，颗粒表面整洁光滑、粒形规整、分散性好、活性高［26］。气流粉碎机广泛用于加工硬度不大的非金属矿物，如化工原料、食品、药材等［27］。根据气流粉碎机的结构或工作方式的不同可划分为扁平式、循环管式、对撞式、靶式、流化床式［28］。

2.1 对撞式气流粉碎机

对撞式气流粉碎机又称对喷式气流磨、逆向喷射磨，以Majac型（图2）为典型代表。设备工作时，两股经过加速的物料与高速气流一起在水平直线上的某点相遇并发生对撞完成粉碎，随气流进入分级室的固体颗粒在分级转子的作用下，粗颗粒留在外缘并返回至粉碎室再粉碎，满足粒度要求的细颗粒继续上升，流出后经气固分离成为产品。由于破碎过程主要依靠颗粒间的高速碰撞，撞击力强，粉碎速度快，能量利用率高，产品粒度也较细，可有效减轻部件的磨损及产品被污染，缺点是设备安装所需场地面积较大，产品能耗高，且粒度分布范围较宽［26，28］。对撞式气流粉碎机适用于粉碎硬度较大，具有脆性或粘性的物料。

2.2 扁平式气流粉碎机

扁平式气流粉碎机（图3）又称水平圆盘式气流磨。设备工作时，高压气流以超高速从喷嘴喷出，物料经文丘里喷嘴加速后送至粉碎室作高速循环运动，通过冲击、碰撞、摩擦而粉碎。在离心力作用下，粗颗粒被甩向粉碎室内壁作循环粉碎，细颗粒随气流溢出被收集。

该设备的优点为结构简单、操作方便。缺点是粉碎硬度较大物料时会造成磨腔受损，产品受污染。能耗随产品粒度变小而成倍提高，能量大部分为无用功，物料一般只加工到D50=1μm左右。

2.3 流化床气流粉碎机

流化床气流粉碎机（图4）常用于陶瓷、化工原料、耐火材料、电池材料、制药等行业的物料超细粉碎、打散及整形。设备工作时，高压空气通过若干个喷嘴高速喷入粉碎室，给入的物料被粉碎室内的高压气流加速，在各喷嘴交汇点处通过碰撞、摩擦完成粉碎，并随气流进入分级室完成分级，粗物料沉降返回至粉碎区继续粉碎，合格产品溢出由旋风分离器收集。

流化床气流粉碎机具有效率高、产品粒度分布窄、适合大规模生产等优点，但价格较高，要求被粉碎的物料足够细且密度不宜过大。

3 其他粉体加工设备

3.1 雷蒙磨

雷蒙磨的产品粒度上限一般在325～400目［29］，若配套分级系统，可连续生产粒度上限在800～1250目的微粉［30］。在离心力的作用下，磨辊被紧紧压在磨环上，物料被铲子送到磨环和磨辊之间，在研磨压力的作用下，材料破碎成粉末。然后在风机的作用下，粉状物料被吹起，符合细度要求的物料被收集，不符合要求的物料返回研磨室继续研磨。

雷蒙磨由主机、风机、分析仪、管道除尘系统组成，还可配置破碎机、提升机、料仓、电磁振动给料机、电气控制柜等，具有占地面积小、成套性强、处理量大、能耗低、产品细度好等优点，但噪音大，振动比较厉害［31］。雷蒙磨广泛应用于冶金、建材、化工等领域非金属矿物的磨碎，适合加工莫氏硬度七级以下、湿度6%以下的各种非易燃易爆矿物。

3.2 胶体磨

胶体磨分为立式、卧式、管道式等，是一种离心式设备，其线速度一般为13～40 m/s［32］。胶体磨工作时，转齿（转子）与定齿（定子）相对高速旋转，物料向下透过两齿时受到强大的剪切、摩擦、振动等作用，从而达到超细粉碎效果。胶体磨主要用于食品、涂料、化妆品、医药、日用化工等行业。主要优点是结构简单、保养维修方便，适用于较高粘度、较大颗粒的物料粉碎，但其中不允许混有石英砂、碎玻璃、金属屑等硬物质，所加工的产品粒径可达几微米甚至1μm以下。主要缺点是作离心运动的流量不恒定，且随物料粘性变化显著；转、定子和物料间的高速摩擦产生的较大热量使物料变性，表面较易磨损，导致细化效果显著下降。

3.3 行星式球磨机

行星式球磨机由于筒体既产生公转又产生自转，物料受球磨介质产生的强烈冲击、摩擦、碾压等作用被粉碎。行星式球磨机可分为立式、卧式2种，可干式或湿式研磨和混合物料，研磨产品粒径最小可至0.1μm。优点是质量轻，制造、安装容易且费用低，单位电耗低，磨球规格仅为管式球磨机磨球的1/4等。缺点是结构复杂，衬板和研磨体磨损快，连续加料或卸料装置有待改进。行星式球磨机特别适用于制备高硬度、低密度、超细粉体以及大批量生产粉体［33］，广泛应用于冶金、化工、医药、美容、环保等行业。

3.4 振动磨

振动磨工作时作高频振动的研磨介质对物料产生冲击、剪切、研磨等作用，进而被迅速粉碎，产品粒度可达几微米。振动磨具有结构紧凑、维修方便、产品粒度均匀等优点，但是其能量利用率低、噪音大，对相关零件技术要求高，磨筒直径一般限制在650 mm。在磨制细粉和超细粉时比传统磨机效率高2～5倍，节能70%～80%，工艺配置及流程灵活多变［34］。振动磨可广泛应用于建材、化工、陶瓷、玻璃、耐火材料等行业。

4 结 语

超细粉体因具有优异的性能而备受相关科研工作者或企业重视。我国超细粉体加工设备种类多，通过搅拌磨湿法制备超细粉体处理量大、能耗低，但需另行配置过滤、烘干等设备。气流粉碎技术已成为研制各种高性能微粉材料的首选，但在某些领域由于其单机处理量低、能耗高而限制了该技术的发展。试验及生产实践中具体选择何种技术及装备，需要综合考虑原料的物理化学性质、应用环境及后续加工工艺特征等因素。