龐功周，王澤紅

（1.蘇州中材非金屬礦工業(yè)設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819）

【試驗研究】

不同粉碎方式對硅灰石長徑比影響的研究

龐功周1，王澤紅2

（1.蘇州中材非金屬礦工業(yè)設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819）

具有高長徑比的超細硅灰石針狀粉在工業(yè)上有著極高的應用價值，提高硅灰石產品的長徑比，關鍵在于粉碎過程中采用適宜的粉碎方式保持礦物原有的結晶結構。本文研究了球磨機、攪拌磨、振動磨和氣流磨在最優(yōu)條件下對硅灰石產品長徑比的影響。研究表明：粉碎過程中施加于硅灰石顆粒上的作用力為剪切力時，才能得到理想的高長徑比硅灰石；采用QLM-1型流化床式氣流磨，在氣流粉碎壓力0.4MPa、分級機轉速8 000r/min的條件下，制備出了平均長徑比為20.2的硅灰石粉體。

硅灰石；高長徑比；粉碎方式；流化床式氣流磨

硅灰石是一種鈣的偏硅酸鹽類礦物，化學分子式為Ca[SiO3]，含CaO 48.3%和SiO251.7%。天然硅灰石常呈白至灰白色，玻璃到珍珠光澤，密度2.78～2.91g/cm3，硬度4.5～5.0，通常為針狀、放射狀、纖維狀集合體，甚至微小顆粒仍保持纖維結構[1]。硅灰石系鏈狀硅酸鹽礦物，作為倍受關注的工業(yè)新興原料源于它特殊的針狀結構、白色、低吸油性，除與其他礦物粉體一樣應具備細?；捅砻婊钚曰?，需盡可能保持其長徑比。因此，獲得高長徑比的硅灰石超細粉，是進行硅灰石深加工與利用的前提。

硅灰石產品可分為高長徑比硅灰石和磨細硅灰石兩大類。前者屬于高檔產品，主要利用其針狀物理機械性能，廣泛應用于塑料、橡膠、石棉代用品、油漆、涂料等領域[2]，可增加制品硬度、抗彎強度、抗沖擊性，改善材料的電學特性，提高熱穩(wěn)定性和尺寸的穩(wěn)定性，是最有前途的工業(yè)原料；后者屬于低檔產品，主要用于陶瓷和冶金工業(yè)。因此，加強高長徑比硅灰石、表面改性硅灰石和功能性硅灰石礦物材料等高附加值產品制備新技術、新工藝、新理論及應用研究，對我國硅灰石產業(yè)結構調整、產品升級換代有著十分重要的意義，并將產生重大的社會、經濟和環(huán)保效益。

如何選擇合適的粉碎方式和生產工藝條件，以生產高長徑比(＞15)的硅灰石產品，提高硅灰石產品的檔次和市場競爭力，保持硅灰石企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，增加企業(yè)的經濟效益，是硅灰石制備領域中令人關注的問題。

本研究選擇具有代表性的遼寧法庫硅灰石礦，針對不同粉碎方式對硅灰石長徑比的影響展開系統(tǒng)研究，目的是為法庫硅灰石深加工與利用提供參考依據。

1 試驗原料及設備

1.1 試驗原料及其制備

試驗原料取自遼寧法庫金崗硅灰石礦業(yè)公司，粒度-60mm。利用實驗室破碎設備對硅灰石原料進行逐級破碎：粗碎設備采用PE200mm×150mm顎式破碎機，中碎設備采用PE100mm×60mm顎式破碎機，細碎設備采用φ250mm×100mm對輥破碎機，經三段一閉路流程將原料破碎至-2.5mm。然后進行混勻、縮分、取樣，作為原礦性質檢測、分析樣品及后續(xù)試驗原料。

1.2 原料性質

原料X-射線衍射分析結果如圖1所示。由分析結果可知，原料中主要成分為硅灰石，純度達到90%以上，另外含有少量的方解石和石英。

圖1 硅灰石的X-射線衍射圖譜

試驗原料的化學分析結果見表1。由表1檢測結果可知，該試驗原料純度較高，SiO2含量達到50.26%，CaO含量達到47.12%，均接近理論含量，二者之和達到97.38%。另外，含有少量MgO、Fe2O3、Al2O3以及其他雜質，這與X-射線衍射結果相一致。

表1 試驗原料化學分析結果

經檢測，原料顆粒形狀不盡相同，大部分呈現針狀，但是有少部分為塊狀和球狀；原料的平均長度為906.2μm，平均直徑為216.4μm，長徑比為4.19，較小。

1.3 試驗設備

在硅灰石超細粉碎過程中，物料的受力方式主要有擠壓、沖擊、研磨、剪切、摩擦等形式，不同的受力方式粉碎產物的形貌各異[3]。本研究選擇球磨機、攪拌磨、振動磨和氣流磨對硅灰石進行粉碎，研究不同粉碎方式對產品長徑比的影響。

試驗球磨粉碎采用規(guī)格φ180mm×160mm的球磨機，攪拌粉碎采用SLJM-180立式超細攪拌磨，振動粉碎采用3MZ-30A振動磨，氣流粉碎采用QLM-1型流化床式氣流磨。

粉碎產品采用日立S-3500n掃描電子顯微鏡檢測其形貌。依據掃描電鏡圖片，利用Motic Image Plus 2.0圖像軟件測量硅灰石微粒的長度和直徑，分別測量8張電鏡圖片，每張圖片測量100個微粒，用長度的平均值和直徑的平均值之比表示硅灰石的長徑比。

2 試驗及結果

2.1 試驗方法

針對每一種粉碎設備，遴選其主要影響因素，進行正交試驗，確定最優(yōu)工作條件，在此基礎上，比較最優(yōu)條件下不同粉碎設備所獲產品的長徑比，以確定硅灰石最優(yōu)粉碎方式。

球磨粉碎考查的主要因素有介質充填率、球料比、磨礦時間和磨礦濃度。介質配比在探索性試驗中確定，在整個試驗過程中，介質配比保持不變。

攪拌粉碎采用的磨礦介質為φ5mm的剛玉球，考察的主要因素包括球料比、磨礦濃度、磨礦時間以及攪拌轉速。

振動粉碎采用混合球介質，配比固定，介質充填率70%?？疾斓闹饕蛩匕ㄇ蛄媳?、磨礦濃度和磨礦時間。振動磨的振動頻率為24.3Hz、振幅為3mm，在試驗過程中保持不變。

氣流粉碎考察的主要因素包括粉碎氣流壓力和分級輪轉速。試驗過程中其他因素保持不變。

2.2 試驗結果

2.2.1 粉碎最優(yōu)工作條件

根據上述試驗方法，確定了球磨機、攪拌磨、振動磨和氣流磨的最優(yōu)工作條件，如表2所示。

表2 不同粉碎設備的最優(yōu)工作條件

2.2.2 超細粉碎試驗結果

在所確定的最優(yōu)條件下，采用球磨機、攪拌磨、振動磨和氣流磨對硅灰石進行了超細粉碎，并對所得產品采用掃描電鏡進行了分析檢測，如圖2所示；不同粉碎設備粉碎硅灰石所得產品的顆粒平均長度、平均直徑以及平均長徑比分析結果見表3。

圖2 硅灰石產品掃描電鏡照片

表3 不同粉碎設備粉碎硅灰石所得產品的分析結果

由表3的試驗結果可以很清楚地看出，球磨機、攪拌磨和振動磨在最優(yōu)工作條件下，所得產品的長徑比均較低，分別為6.0、6.9和6.2，不能很好地保護硅灰石針狀晶體的形貌，且產品均不同程度地存在過粉碎現象；而采用氣流磨粉碎硅灰石，可得到礦物晶體形貌較好的針狀硅灰石產品，其產品長徑比達到了20.2，過粉碎很輕。

3 機理分析

3.1 晶體結構特點

硅灰石的晶體結構(見圖3)特點為：以3個[SiO4]四面體為一重復單位(可視為一孤立四面體和一雙四面體組成)的[Si3O9]單鏈平行b 軸延伸(其中一個四面體的棱平行于鏈的延伸方向)，鏈與鏈平行排列；鏈間的空隙僅由Ca所填充，形成[CaO6]八面體。[CaO6]八面體共棱聯結成平行b 軸的鏈，其中兩個共棱相連的[CaO6]八面體的長度剛好等于四面體鏈的重復單位(約0.72nm)[4]。由于Ca-O鍵是離子鍵，Si-O鍵是共價鍵，共價鍵的鍵能遠大于離子鍵，所以在粉碎過程中優(yōu)先斷裂Ca-O鍵，即沿著b 軸方向斷裂，或者說沿{100}解離，因此，硅灰石易于形成針狀或纖維狀的產品。

圖3 硅灰石晶體結構示意

3.2 粉碎方式對產品的影響機理

物料受力方式不同，粉碎產物的形貌各異。在現有粉碎設備中，其施力方式不外乎擠壓、沖擊、研磨、剪切、摩擦等幾種形式。下面僅討論與本文相關的粉碎施力方式。

沖擊粉碎可用碰撞原理來解釋，如果碰撞所產生的能量大于粉碎所需要的能量，物料即被粉碎。沖擊力使物料在粉碎腔內產生激烈的碰撞、摩擦和剪切，由于沖擊的作用，致使物料產生較大的應力集中，還使得顆粒內部產生散射的應力波，并在內部缺陷、裂紋、晶粒界面等處產生應力集中，使物料首先沿脆弱面粉碎。但沖擊力作用的方向是隨機的，這就使得物料顆粒破裂面的取向不定，容易破壞其晶體結構。

在以研磨為主的粉碎過程中，物料受到法向擠壓力和切向剪切力的共同作用，使其拉應力增加，當其應力大于其抗拉強度時即被粉碎。物料因受剪切力的作用易沿平行于受力方向的解理面或裂紋剝離，對于纖維礦物來說，適當的剪切力有利于晶體剝離成單根纖維，因此攪拌磨產品的長徑比相對較大。但由于法向擠壓力的影響，對物料的晶體結構造成了破壞。

剪切和摩擦的作用雖然和沖擊一樣在粉碎過程中的運動取向具有隨機分布的特性，但其作用卻始終具有使顆粒沿著與力作用方向平行的結晶解理面剝裂的趨勢， 而解理面往往是顆粒內部強度最弱的結合面。因此， 適當大小的剪切力具有將晶體束剝離成單根纖維的作用。

根據上述分析，為了盡可能保護硅灰石的晶型，使其沿{100}解離，粉碎形式應選擇剪切力作用。在上述四種磨機中，球磨機粉碎形式為沖擊力和研磨力聯合作用，攪拌磨粉碎形式主要是研磨力作用，振動磨粉碎形式主要是沖擊力作用，流化床式氣流磨的粉碎形式主要是剪切力作用，這決定了流化床式氣流磨是制備高長徑比硅灰石的最佳設備。

4 結論

(1) 充分利用硅灰石固有的優(yōu)異特性，獲得高長徑比的硅灰石超細粉，提高其附加值，是進行硅灰石深加工與利用的前提。

(2) 硅灰石粉碎過程中的受力方式不同，其粉碎產物的形貌各異。粉碎過程中施加于硅灰石顆粒上的作用力為剪切力時，才能得到理想的高長徑比硅灰石。

(3) 球磨機、攪拌磨和振動磨在粉碎過程中，硅灰石主要受介質球相互碰撞、沖擊及研磨而粉碎，不利于硅灰石針狀結構的保護；而氣流磨粉碎利用壓縮空氣的壓力能在粉碎室形成高速氣流軌跡，以剪切作用為主，因此，能在保持硅灰石長徑比上達到較好的效果。

(4) 采用QLM-1型流化床式氣流磨，在氣流粉碎壓力0.4MPa、分級機轉速8 000r/min的條件下，制備出了平均長徑比為20.2的硅灰石粉體。

[1]戴長祿，肖澤貴，昂志，等.硅灰石[M].北京：中國建筑出版社，1986.

[2]馬正先，李慧，蓋國勝.硅灰石針狀粉超細粉碎的試驗研究[J].硅酸鹽通報，2002(2)：54-56.

[3]馬正先，蓋國勝，胡小芳.硅灰石針狀粉超細粉碎技術的研究現狀[J].中國非金屬礦工業(yè)導刊，1999(5)：32-34.

[4]趙珊茸，邊秋娟，王勤燕.結晶學及礦物學(第二版)[M].北京：高等教育出版社，2011.

Effect of Different Comminution Methods on the Aspect Ratio of Wollastonite

PANG Gong-zhou1, WANG Ze-hong2
(1. Suzhou SINOMA Design and Research Institute of Non-metallic Minerals Industry Co., Ltd., Suzhou 215004, China; 2. College of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Needle-like wollastonite powder with high aspect ratio for industrial application has great use value. The key of increasing its length-diameter ratio is to retain the primary crystal structure during the milling process. In this study, under the optimal conditions, effects of different mills, such as ball mill, stirring mill, vibration mill and jet mill, on the aspect ratio of wollastonite grinding product were researched. The results showed that it was necessary for producing perfect high aspect ratio wollastonite product to apply shear force on the wollastonite particles during the process comminution. Using QLM-1 fluidized bed jet mill, the wollatonite powder which aspect ratio was 20.2 could be prepared when the air pressure was 0.4MPa and the rotate speed of classification wheel was 8 000r/min.

wollastonite; high aspect ratio; comminution method; fluidized jet mill

P619.29；TD985

A

1007-9386(2014)01-0020-03

2013-10-30

遼寧省科學事業(yè)公益研究基金(項目編號：2012001003)。