蔡祖光

摘要：本文通過研究和探討陶瓷原料的球磨細(xì)碎的影響因素，能最大限度地提高陶瓷原料的球磨細(xì)碎效率，節(jié)約能源，對提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及陶瓷工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等具有深遠(yuǎn)而重要的意義。

關(guān)鍵詞：陶瓷原料；球磨機(jī)；影響因素

1 前言

陶瓷原料經(jīng)球磨機(jī)粉碎后，增大了陶瓷原料的接觸面積，促使陶瓷原料混合更均勻，物理機(jī)械性能趨于一致，所以說球磨機(jī)是陶瓷工業(yè)原料粉碎及混合（坯料及釉料等）的重要設(shè)備。事實(shí)上，陶瓷原料的球磨細(xì)碎過程是一個(gè)復(fù)雜的物料尺寸的變化過程，它與許多因素有關(guān)，主要影響因素大致是：物料強(qiáng)度、硬度、韌性、形狀、尺寸、濕度、溫度、密度、均質(zhì)性和可聚集性以及外部環(huán)境條件，如作用力的方式、物料塊群在破碎瞬間作用力的大小及分布狀態(tài)等。因此，積極研究和探討陶瓷原料的球磨細(xì)碎的影響因素，能最大限度地提高陶瓷原料的球磨細(xì)碎效率，節(jié)約能源，對提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及陶瓷工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等具有深遠(yuǎn)而重要的意義。

2 陶瓷原料球磨細(xì)碎的影響因素

理論分析及實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，影響陶瓷原料球磨細(xì)碎的影響因素很多，但其中最主要的因素有：

（1） 球磨機(jī)筒體的形狀及其規(guī)格尺寸；

（2） 球磨機(jī)筒體的轉(zhuǎn)速；

（3） 球磨機(jī)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(zhì)的容積）；

（4） 研磨方式；

（5） 研磨體（球石）的材質(zhì)、形狀和規(guī)格尺寸及其級配比例；

（6） 入磨物料的粒度和易磨性等；

（7） 助磨劑；

（8） 研磨細(xì)度；

（9） 球磨機(jī)筒體內(nèi)襯的材質(zhì)、形狀和厚度等。

2.1球磨機(jī)筒體的形狀及其規(guī)格尺寸

理論上，球磨細(xì)碎陶瓷原料所需球磨機(jī)的筒體可以是任意形狀的，但考慮到便于設(shè)計(jì)制造及降低生產(chǎn)成本等因素。因此可供陶瓷工業(yè)球磨機(jī)采用的筒體主要是圓柱筒體、圓錐筒體、圓錐—圓柱組合筒體、棱柱筒體、棱錐筒體、棱錐—棱柱組合筒體及球狀筒體。同時(shí)又必須考慮到球磨機(jī)的功率消耗、裝載量、物料的球磨細(xì)碎效率、筒體的強(qiáng)度及鋼材的消耗量等因素的影響。

2.1.1球磨機(jī)的功率消耗

為了簡化設(shè)計(jì)計(jì)算，可假設(shè)球磨機(jī)裝載后可近似地認(rèn)為是一個(gè)勻質(zhì)筒體，那么球磨機(jī)筒體由靜止達(dá)到額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)需克服筒體慣性（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）所消耗的功率為[1]：

N1=■·■2

式中：n—筒體的轉(zhuǎn)速，r/min；

J—筒體（裝載后）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，N·m；

π—圓周率，常取π=3.1416；

t—球磨機(jī)的起動(dòng)時(shí)間，即球磨機(jī)裝載后，筒體由靜止達(dá)到額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間，通常由實(shí)驗(yàn)確定。

由于球磨機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及規(guī)格尺寸（如：裝載量、轉(zhuǎn)速等）選定后，球磨機(jī)的起動(dòng)時(shí)間基本上是一個(gè)常數(shù)。由此可見，欲降低球磨機(jī)的功率消耗，唯一的途徑就是減少筒體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是幾何體的固有特性，我們知道在所有的幾何體中，以勻質(zhì)球體繞其球心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為最小。根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可以求得直徑為D、重為G的勻質(zhì)球體繞其球心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=■·■·■2（g—重力加速度，常取g =9.81m2/s），而在相同條件下，即直徑為D、重為G的勻質(zhì)圓柱體繞其軸心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=■·■·■2。因此，當(dāng)其他條件相同時(shí)，若采用球狀筒體球磨機(jī)，它與圓柱狀筒體球磨機(jī)的功率消耗之比近似為■=■=80%。也就是說，球狀筒體球磨機(jī)比圓柱狀筒體球磨機(jī)約節(jié)能20%。

2.1.2球磨機(jī)筒體的強(qiáng)度

球磨機(jī)正常工作時(shí)，通?？山普J(rèn)為球磨機(jī)筒體是一個(gè)承受內(nèi)壓力作用的薄壁筒體。圓柱筒體的受力分析如圖1所示.圓柱筒體的軸向拉應(yīng)力σ2通過靜力平衡原理得：σ2·π·D1·t1=■，得：σ2=■

圓柱筒體的徑向拉應(yīng)力σ1通過靜力平衡原理得：

2·L·t1·σ1=■p·L·■·sin?準(zhǔn)·d?準(zhǔn)

求得：σ1=■

同時(shí)考慮到球磨機(jī)筒體所承受的內(nèi)壓均布載荷p與軸向拉應(yīng)力σ2及徑向拉應(yīng)力σ1相比極小，為了簡化設(shè)計(jì)計(jì)算，我們可近似地認(rèn)為球磨機(jī)筒體處于兩向應(yīng)力狀態(tài)?？紤]到球磨機(jī)筒體通常是由塑性較好的碳素結(jié)構(gòu)鋼板（如：Q235A鋼板）或優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼板（如：20鋼板）滾彎成形及焊接等制成的薄壁筒體，因此，我們可采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算或強(qiáng)度校核。

即：σxd1=■

將σ1=■，σ2=■及σ3=0代入上式后得：

σxd1=■

球狀筒體的受力分析如圖2所示，由球狀筒體的對稱性可知，球狀筒體的軸向拉應(yīng)力σ2與徑向拉應(yīng)力σ1相等，并且σ1=σ2=σ，由靜力平衡原理得：

σ·π·D2·t2=■，即：σ=■

同理，與圓柱狀筒體一樣，球狀筒體也可近似地認(rèn)為處于兩向應(yīng)力狀態(tài)，同樣球狀筒體也是由塑性較好的碳素結(jié)構(gòu)鋼板或優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼板沖壓成形及焊接等制成的薄壁筒體，仍然可以采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算或強(qiáng)度校核。

將σ1=σ2=σ=■及σ3=0代入第四強(qiáng)度理論的表達(dá)式后得：

σxd2= ■=■

若要使圓柱狀筒體與球狀筒體具有相同的機(jī)械強(qiáng)度，即σxd1=σxd2，D1=D2，也就是說：

■=■，求得:t1=■·t2

由此可見，當(dāng)其它條件相同時(shí)，欲使圓柱狀筒體與球狀筒體具有相同的機(jī)械強(qiáng)度，那么圓柱狀筒體的壁厚應(yīng)是球狀筒體壁厚的■倍。若它們采用相同壁厚的筒體材料，那么球狀筒體球磨機(jī)的裝載量應(yīng)是圓柱狀筒體球磨機(jī)裝載量的■倍，也就是說在相同的條件下，球狀筒體的機(jī)械強(qiáng)度是圓柱狀筒體機(jī)械強(qiáng)度的■倍。

2.1.3球磨機(jī)筒體的鋼材消耗

在筒體材料消耗量相同的條件下，為了獲得較大的筒體有效容積（裝載量）及較低的單位產(chǎn)量功率消耗，陶瓷工業(yè)球磨機(jī)通常采用凈空長度L與凈空直徑D1之比略大于1的圓柱筒體。為了描述方便，筆者選取L= D1，那么圓柱筒體的表面積A1為：

A1=2π·■2+π·D1·L=■·π·D12，圓柱筒體的容積V1為：V1=π·■2·L=■·π·D13

同樣，采用凈空直徑D2的球狀筒體球磨機(jī)，其表面積A2為：

A2=4π·■2=π·D22，其容積V2為：

V2=■·π·■3=■·π·D23

當(dāng)它們裝載量相同時(shí)，即：V1=V2，即：■·π·D13=■·π·D23，求得：D1=■·D2，因此，■=■·■2=■■2=■≈1.15

由此可見，當(dāng)球磨機(jī)的裝載量相同時(shí)，圓柱筒體球磨機(jī)比球狀筒體球磨機(jī)的鋼材消耗約多15%。

2.1.4球磨機(jī)筒體的裝載量

若圓柱筒體球磨機(jī)與球狀筒體球磨機(jī)的鋼材消耗量相同，即A1= A2 ，也就是說：■·π·D12=π·D22，求得：D1=■·D2。因此，■=■·■3=■■3=■≈0.8165

由此可見，當(dāng)球磨機(jī)筒體的鋼材消耗相同時(shí)，圓柱筒體球磨機(jī)是球狀筒體球磨機(jī)的裝載量0.8165倍，約少18.35%。

2.1.5球磨機(jī)筒體對物料的球磨細(xì)碎及攪拌混合作用

選用球磨機(jī)的目的是使其球磨細(xì)碎陶瓷原料，并使之?dāng)嚢杌旌暇鶆?。因而不管選用什么形狀筒體的球磨機(jī)，其關(guān)鍵是在功率消耗一定的范圍內(nèi)，看它能否最大限度地球磨細(xì)碎陶瓷原料并使之?dāng)嚢杌旌细鶆?。由于球狀筒體的特殊性，促使球狀筒體內(nèi)的陶瓷原料、研磨體（球石）產(chǎn)生劇烈的三維運(yùn)動(dòng)，迫使陶瓷原料與研磨體、陶瓷原料與陶瓷原料之間產(chǎn)生劇烈地沖擊碰撞、擠壓及研磨等作用。由此可見，球狀筒體球磨機(jī)較其它形狀筒體球磨機(jī)更利于陶瓷原料的球磨細(xì)碎及攪拌混合更均勻，更易于獲得物理化學(xué)性能趨于均勻一致的陶瓷漿料或釉料，有利于獲得高質(zhì)量的陶瓷制品。