李 濤

(惠達(dá)衛(wèi)浴股份有限公司 河北 唐山 063307)

1 球磨機(jī)的構(gòu)造及工作原理

球磨機(jī)主要由圓柱形筒體、端蓋、軸承和轉(zhuǎn)動(dòng)大齒輪圈或高強(qiáng)三角皮等組成(本文僅介紹齒輪傳動(dòng)球磨機(jī))，筒體內(nèi)壁鑲嵌一定厚度的球磨磨襯，球磨磨體內(nèi)裝入一定數(shù)量的研磨介質(zhì)，球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加入適量的被研磨物質(zhì)。筒體兩端有端蓋，端蓋利用螺釘與筒體端部法蘭相連接，端蓋的中部有孔，稱為中空軸徑。中空軸徑支撐在軸承上，筒體可以轉(zhuǎn)動(dòng)，筒體上還固定有大齒輪圈。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器、減速器和小齒輪帶動(dòng)大齒輪圈和筒體，緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，研磨介質(zhì)隨筒體轉(zhuǎn)到一定的高度后呈拋物線落下或?yàn)a落下(筒體的上方有裝磨料的入口)，當(dāng)筒體按規(guī)定的轉(zhuǎn)速繞水平軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，筒體的研磨介質(zhì)及原料在離心力及摩擦力的作用下，被筒體的磨襯提升到一定的高度，然后脫離筒壁自由瀉落或拋落，使原料受到撞擊或摩擦作用而粉碎[1]，具體示意圖如圖1所示。

圖1 球磨機(jī)外形圖

間歇式球磨機(jī)一般是濕法操作。球磨機(jī)筒體內(nèi)裝有很多稱為研磨體的礫石或瓷球。被磨物料和適量的水從加料口加入。筒體旋轉(zhuǎn)時(shí)，研磨體在離心力等外縮空氣，使料漿在壓縮空氣的壓力作用下流出。

2 研磨體的運(yùn)動(dòng)分析

力作用下貼在筒體內(nèi)壁與筒體內(nèi)壁一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)研磨體被帶到一定的高度時(shí)，由于重力的作用而被拋出，以一定的速度自由下落，研磨體下落時(shí)筒體中的物料受到研磨體的撞擊和研磨作用而被粉粹，具體情況如圖2所示。

圖2 球磨機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的狀態(tài)

球磨機(jī)對(duì)物料的粉碎作用主要是研磨體對(duì)物料的撞擊和研磨。為了進(jìn)一步了解球磨機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)研磨體對(duì)物料作用的實(shí)際情況，以便確定球磨機(jī)的主要參數(shù)，和掌握影響球磨效率的各類因素，甚至于對(duì)筒體受力情況分析和強(qiáng)度分析與強(qiáng)度計(jì)算等，都必須首先對(duì)球磨機(jī)中研磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)情況加以研究。在球磨機(jī)中研磨體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與筒體的轉(zhuǎn)速和研磨體與筒體內(nèi)壁的

當(dāng)物料研磨到要求的粒度后，將球磨機(jī)停機(jī)，使加料口朝上，打開蓋子，裝上帶孔的卸料管再將筒體旋轉(zhuǎn)，使加料口朝下，打開卸料管中的開關(guān)，這樣筒體內(nèi)的料漿就可以自由流出。卸料時(shí)裝上卸料管的目的是防止研磨體隨同料漿一同排出。為了加快料漿的流出速度且使料漿卸的更為完全，或者在卸料的同時(shí)需要把料漿送到較高的地方，卸料時(shí)可以往筒體中通入壓摩擦因素等有關(guān)。研磨體在筒體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本可以分為3種[2]:即瀉落式、拋落式和離心式。

2.1 瀉落式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，全部研磨體可以看成是一個(gè)松散的“團(tuán)塊”，“團(tuán)塊”的界面隨著筒體的轉(zhuǎn)動(dòng)沿著轉(zhuǎn)動(dòng)方向不斷向上偏斜，形成斜坡。當(dāng)斜坡的傾斜角達(dá)到研磨體“團(tuán)塊”的自然休止角時(shí)，研磨體在重力作用下將沿斜坡滾下形成瀉落式的運(yùn)動(dòng)，具體情況如圖3所示。此時(shí)，在“團(tuán)塊”中研磨體是分層運(yùn)動(dòng)的，各層研磨體沿著各自的圓軌跡上升并隨之從斜坡的坡面滾下。在瀉落式的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，物料主要是在研磨體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的撞擊和研磨作用而被粉碎。

圖3 瀉落式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

2.2 拋落式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，研磨體隨筒體旋轉(zhuǎn)上升至一定的高度后，像拋射體一樣拋落下來(lái)，而不是沿著研磨體“團(tuán)塊”的坡面瀉落，研磨體的這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱之為拋落式運(yùn)動(dòng)，具體情況如圖4所示。

在拋落式的運(yùn)動(dòng)中，每層研磨體的運(yùn)動(dòng)軌跡都可以分成兩部分:一部分為圓弧，另一部分近似為拋物線。

球磨機(jī)的圓弧運(yùn)動(dòng)是由于筒體內(nèi)壁與最外層研磨體之間以及研磨體層與層之間的摩擦力作用而產(chǎn)生的。當(dāng)然，這種運(yùn)動(dòng)不是單個(gè)研磨體摩擦力作用的結(jié)果，而是由整層研磨體摩擦力共同作用的結(jié)果。

在圓弧軌跡的運(yùn)動(dòng)中，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生最外層研磨體沿著筒體內(nèi)壁向下滑動(dòng)的現(xiàn)象。與此同時(shí)，研磨體層與層之間也會(huì)產(chǎn)生這種相對(duì)滑動(dòng)。摩擦力使研磨體隨筒體旋轉(zhuǎn)而上升，而重力的切向分力卻使研磨體向下滑動(dòng)。對(duì)于某一層研磨體來(lái)說(shuō)，當(dāng)作用在該層研磨體上重力的切向分力對(duì)筒體中心的力矩大于摩擦力矩時(shí)，將會(huì)使整層研磨體產(chǎn)生向下的相對(duì)滑動(dòng)；反之，如果摩擦力矩大于重力力矩，相對(duì)滑動(dòng)就不會(huì)產(chǎn)生。在拋落式的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，物料主要是受到研磨體拋落時(shí)的撞擊作用和研磨作用而被粉碎的。

圖4 拋落式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

2.3 離心式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)筒體的轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，由于離心力的作用，研磨體貼附在筒體內(nèi)壁上與筒體一道做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而不再拋落，研磨體的這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為離心式運(yùn)動(dòng)。在離心式運(yùn)動(dòng)中，研磨體不再對(duì)物料產(chǎn)生撞擊和研磨作用，物料當(dāng)然就不會(huì)被粉碎。具體情況如圖5所示。

圖5 離心式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)研究方案

3.1.1 總體技術(shù)方案

通過(guò)對(duì)研磨體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，對(duì)同一球磨機(jī)采用不同的研磨介質(zhì)，同一研磨介質(zhì)采用不同大中小比例，不同的加水量，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，最終找出以達(dá)到同一細(xì)度及粒度的情況下，耗電量最少的途徑。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)工藝流程

按配比稱量相應(yīng)的球石(研磨介質(zhì))→加入相應(yīng)的配方料、水及電解質(zhì)→球磨至規(guī)定的細(xì)度及粒度(進(jìn)行檢測(cè))→測(cè)定泥漿物理性能。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)研究方法

實(shí)驗(yàn)采用逐輪次改變單一因素進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)的方法，試圖找出影響球磨效率的影響因素并確定出各影響因素最佳的數(shù)值。通過(guò)對(duì)球磨時(shí)的時(shí)間進(jìn)行記錄、對(duì)球磨后的細(xì)度、顆粒級(jí)配、球磨后泥漿的物理性狀等影響因素進(jìn)行綜合比較，最終得出球磨效率最高的各因素的組合。

3.2 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

3.2.1 試驗(yàn)用原料

實(shí)驗(yàn)所用的主要原料包括長(zhǎng)石、法庫(kù)土、球土、瓷石、湛江土、高州水洗土、飛天燕瓷泥、滑石、沁陽(yáng)土及添加劑等。

3.2.2 試驗(yàn)用設(shè)備及儀器

實(shí)驗(yàn)所用儀器及設(shè)備，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

3.3 測(cè)試與分析方法

3.3.1 泥漿濃度

將刻度為200 mL的容量瓶放在電子天平上稱重、去皮，將待測(cè)泥漿用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?，倒入容量瓶?00 mL刻度線處，液面凹底要與刻度線平齊，再放在電子天平上稱重，稱量值為濃度，記為C，單位為g/200 mL。

3.3.2 泥漿篩余細(xì)度

測(cè)量泥漿的含水量，記為Wo將容量瓶?jī)?nèi)已稱好的200 mL泥漿全部倒入350目標(biāo)準(zhǔn)篩中，用清水沖洗，直到流經(jīng)篩底的水干凈無(wú)雜色后，將篩面上的殘?jiān)杖≈链少|(zhì)蒸發(fā)皿中，放入干燥箱中充分干燥，將干燥后的殘?jiān)诺诫娮犹炱缴戏Q重，記為M。根據(jù)公式

(1)計(jì)算泥漿細(xì)度m:

式中:m——泥漿細(xì)度，%；

M——?dú)堅(jiān)|(zhì)量，kg；

C——200 mL泥漿質(zhì)量，g/200 mL；

W——泥漿的含水量，%。

3.3.3 泥漿粒度

用鏡頭紙將鏡頭輕輕擦拭干凈，用清水充分清洗樣品池。首先打開所對(duì)應(yīng)的文件，儀器自檢后，將XY軸的數(shù)據(jù)都調(diào)至100以內(nèi)。先測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)泥漿粒度，獲取樣品值將攪拌均勻的待測(cè)泥漿加入樣品池，以計(jì)算機(jī)顯示加入量40%～60%為宜。開啟超聲按鈕，測(cè)量完畢儀器即自動(dòng)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先將泥漿配方原料的種類及比例固定，具體配方如表2所示，以下的實(shí)驗(yàn)均是在此配方基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

表2 泥漿配方(質(zhì)量%)

方案一，當(dāng)球磨介質(zhì)為鵝卵石時(shí)，改變鵝卵石在30 kg球磨機(jī)中的比例，其它外部因素保持不變，統(tǒng)計(jì)此時(shí)的球磨效率，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 研磨介質(zhì)為鵝卵石的加入量對(duì)球磨效率的影響

3# 30 60 9.7 33.27 4 353.7 60 80 4# 30 75 9.9 31.52 5.2 353.5 62 80 5# 30 90 10.2 30.28 8 353.5 63 80

方案二，改變研磨介質(zhì)的材質(zhì)(用中鋁球?yàn)檠心ソ橘|(zhì))，保持其它外部因素不變，用方案一中的研磨介質(zhì)的同等比例來(lái)檢驗(yàn)球磨材質(zhì)對(duì)球磨效率的影響。具體情況見表4。

表4 研磨介質(zhì)為中鋁質(zhì)球石的加入量對(duì)球磨效率的影響

方案三，其它外部因素保持一致，取不同直徑的中鋁質(zhì)研磨介質(zhì)，以同樣的總質(zhì)量與相同的球磨時(shí)間按不同的比例加入到球磨機(jī)中，來(lái)尋求球磨效率最高的配比組合。具體情況見表5。

表5 中鋁質(zhì)球石不同比例配比對(duì)球磨效率的影響

表6 不同泥漿濃度對(duì)研磨效率的影響

方案四，按方案三中研磨效率最高的研磨介質(zhì)配 比，單獨(dú)改變泥漿的濃度，保持其它外部因素一致，驗(yàn)證泥漿濃度的高低對(duì)釉漿研磨效率的影響。具體數(shù)據(jù)見表6。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與分析

1)由方案一可知，球磨的泥漿濃度、流動(dòng)性、解膠劑加入量等外界因素都是一致的，這就保證對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響只有同種材質(zhì)球石的質(zhì)量。研磨體的質(zhì)量從30 kg增加到60 kg時(shí)，同一濃度下的研磨間由6 h縮短到4 h，整體上縮短了2 h，可見在這一區(qū)間內(nèi)研磨體的增加大大提高了研磨效率，充分發(fā)揮研磨體的撞擊及摩擦的作用。當(dāng)研磨體的質(zhì)量增加到75 kg時(shí)，研磨時(shí)間為12 h。結(jié)果顯示，研磨介質(zhì)的繼續(xù)增加沒(méi)有減少研磨時(shí)間，反而增加了研磨時(shí)間，說(shuō)明過(guò)多的球磨介質(zhì)只是增加了介質(zhì)之間的相互碰撞，降低了球磨效率，當(dāng)研磨介質(zhì)繼續(xù)增加到90 kg時(shí)，球磨時(shí)間達(dá)到8 h，但是球磨的細(xì)度為10.2%，粒度為30.28%，還沒(méi)有到達(dá)與上述幾種情況一樣細(xì)的粒度及細(xì)度，表中數(shù)據(jù)說(shuō)明，當(dāng)加入90 kg研磨介質(zhì)時(shí)，球磨機(jī)內(nèi)的空間已經(jīng)非常狹小，研磨介質(zhì)之間的空隙則非常的大，然而研磨介質(zhì)已經(jīng)失去了應(yīng)有撞擊及摩擦的作用，從而導(dǎo)致研磨效率非常之低，同時(shí)還不能將坯料完全粉碎。

2)方案二中中鋁質(zhì)研磨介質(zhì)由30 kg增加到90 kg時(shí)，縱向比較，也就是與鵝卵石的研磨介質(zhì)比較，表現(xiàn)研磨效率的趨勢(shì)與表1中完全一致。研磨介質(zhì)添加量為60 kg時(shí)，研磨效率最高，同樣達(dá)到10μm下34.28%的粒度，鵝卵石的研磨時(shí)間為4 h，而同等質(zhì)量的中鋁質(zhì)研磨介質(zhì)的研磨時(shí)間分別為3 h，也就是說(shuō)，在更換中鋁球研磨介質(zhì)后，球磨機(jī)研磨時(shí)間進(jìn)一步縮短。

3)由方案三可知，在直徑小的中鋁球石不變的前提下，按不同比例配置球石級(jí)配，球磨時(shí)間固定，可以發(fā)現(xiàn)在直徑為40 mm、60 mm、80 mm的比例在20%、50%、30%時(shí)球磨機(jī)的球磨效果最為理想。

4)由方案四可知，釉漿的濃度由357 g/200 ml到349 g/200 ml逐漸上升，隨之而來(lái)的效應(yīng)就是泥漿的流動(dòng)性大幅的降低，球磨時(shí)間減少。在衛(wèi)生陶瓷成形注漿過(guò)程之需要一定的泥漿粘度，不是泥漿流動(dòng)性越低越好，根據(jù)大部分陶瓷廠對(duì)泥漿粘性的要求一般在50 s為最佳。泥漿經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的陳腐以后粘性會(huì)略有下降，所以經(jīng)過(guò)推斷出磨粘性在60 s左右，由方案四可知，實(shí)驗(yàn)濃度應(yīng)該控制在353～355 g/200 ml之間，最后確認(rèn)據(jù)實(shí)驗(yàn)濃度在353 g/200 ml時(shí)球磨機(jī)研磨效率最高。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)影響球磨機(jī)濕法球磨效率諸方面因素的討論并經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得知要提高其球磨效率必須注意如下幾點(diǎn):

1)首先要根據(jù)實(shí)際的裝料量選取合理的研磨介質(zhì)裝載量，這是保證球磨效率的關(guān)鍵因素，實(shí)驗(yàn)球磨效率最高的研磨介質(zhì)與實(shí)際裝磨量的質(zhì)量比為2∶1。

2)確定研磨介質(zhì)的材質(zhì)，實(shí)驗(yàn)中鋁球研磨介質(zhì)的研磨效率明顯高于鵝卵石研磨介質(zhì)，所以建議采用中鋁質(zhì)研磨介質(zhì)。

3)根據(jù)實(shí)際的裝料量，選用不同直徑的中鋁質(zhì)研磨介質(zhì)，采用不同的添加比例，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，最為合理的不同直徑中鋁質(zhì)研磨介質(zhì)質(zhì)量比為40 mm∶60 mm∶80 mm=2∶5∶3。

4)由實(shí)驗(yàn)可知，泥漿濃度的高低對(duì)研磨效率也會(huì)有一定的影響作用，為了提高研磨效率，縮短球磨時(shí)間，還得滿足下一道工序成形對(duì)泥漿流動(dòng)性的要求，必須對(duì)泥漿的濃度進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定。實(shí)驗(yàn)?zāi)酀{濃度控制在353 g/200 ml為宜。

總之，從產(chǎn)品的質(zhì)量、材料的經(jīng)濟(jì)性及泥漿的穩(wěn)定性來(lái)看，中鋁質(zhì)球石在衛(wèi)浴生產(chǎn)工藝濕法球磨中的配套使用能給用戶提供最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)特性和最先進(jìn)的球磨工藝，顯然球磨工藝效果不佳很少是由于原料的低劣引起的，而是由于球磨過(guò)程中各工藝參數(shù)的不協(xié)調(diào)造成的。影響球磨效率因素還有很多，如球磨機(jī)速度、原料本身特性等。