2.4.2 超细粉碎设备
目前工业上应用的超细粉碎设备的类型主要有气流磨、高速机械冲击磨或旋磨机、搅拌球磨机、砂磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、行星式球磨机、辊磨机、高压均浆机、胶体磨等。其中气流磨、高速机械冲击磨或旋磨机、辊磨机等为干式超细粉碎设备，砂磨机、高压均浆机、胶体磨等为湿式超细粉碎机，搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、行星式球磨机等既可以用于干式也可以用于湿式超细粉碎作业。表2-20所列各类超细粉碎设备的粉碎原理、给料粒度、产品细度及应用范围。
表2-20 超细粉碎设备类型及其应用
（1）气流磨 气流磨又称喷射磨或能流磨，是一种利用高速气流（300～500m/s）或过热蒸汽（300～400℃）的能量对固体物料进行超细粉碎的机械设备。
气流磨是最主要的超细粉碎设备之一。依靠内分级功能和借助外置分级装置，气流磨可加工d97=3～5μm的粉体产品，产量从每小时几十千克到每小时几十吨。气流粉碎的产品还具有粒度分布较窄、颗粒形状规则、纯度高等特点。目前气流磨主要有扁平（圆盘）式、循环管式、对喷式、流化床逆向喷射式、气旋式、靶式等几种机型和数十余种规格。图2-9所示为气流磨的结构和工作原理示意图。气流磨的主要技术参数为粉碎室直径、粉碎压力、空气耗量、生产能力、进料粒径、粉碎细度、喷嘴数量以及内置分级机直径、分级机最大转速、分级机电机功率等。
图2-9 气流磨的结构和工作原理示意图
（2）机械冲击磨 机械冲击式超细磨机（机械冲击磨）是指围绕水平或垂直轴高速旋转的回转体（棒、锤、叶片等）对物料进行激烈的打击、冲击、剪切等作用，使其与器壁或固定体以及颗粒之间产生强烈的冲击碰撞从而使颗粒粉碎的超细粉碎设备。
目前工业型机械冲击式超细粉碎机主要有CM型超细粉磨机、JCF型冲击磨、旋风式超细磨等。这些设备主要应用于煤系高岭土、方解石、大理石、滑石等中等硬度以下非金属矿物的超细粉碎。
①CM型超细粉磨机 CM型超细粉磨机的外形与结构和工作原理如图2-10（a）所示。该机主要由给料部分、粉碎部分和物料输送部分三部分组成。该机共分两个粉碎室，每室各装有两排转子，每排转子上分别固定有可更换的锤头。两个粉碎室之间由可更换的挡料环隔开。更换不同内径的挡料环，可调节磨机的处理能力和产品细度。各粉碎室内壁均装有可更换的带有细齿形的衬板，它与各排锤头的间隙约为3mm。每室两排锤头之间各装有4枚撞针，通过调整撞针偏心距来调节它与锤头侧面间隙的大小。
②JCF型冲击磨 图2-10（b）所示为JCF型冲击磨的外形及结构与工作原理示意图。该机主要由加料器、粉碎部件、分级部件、机壳及底架、主电机等组成。工作时，原料由星形阀从设备上部加入，经过斜管进入分级室，在进料中已达到产品细度要求的粉料从分级轮中排出机外，余下的物料进入粉碎室，受到均匀分布在围绕垂直轴急速旋转的回转体外周冲击锤的激烈冲击；同时，在冲击锤与衬板之间的间隙处受到冲击、摩擦、剪切等作用；被粉碎的物料随气流上升至分级轮处进行分级。细粒级产品从排料（气）口排出机外，粗颗粒沿筒壁下降至粉碎室进一步粉碎；空气从下部的吸风口进入粉碎室，并上升到分级室，然后从上部的排料口随细粒级产品一起排出机外。
③LHJ型超细粉碎机 图2-10（c）所示为LHJ型超细粉碎机外形。其结构主要由机壳、给料机、粉碎转子、分级机、袋式捕集器、卸料阀、引风机等构成。其作用原理是集挤压粉碎、离心粉碎、冲击粉碎于一身。其主要特点是入料粒度大（≤30mm）、内置分级装置（成品细度可调）、生产能力较大、适用性较广。
图2-10 机械冲击式超细磨机结构与工作原理示意图
（3）搅拌磨 搅拌研磨机（搅拌磨）是指由一个静置的内填研磨介质的筒体和一个旋转搅拌器构成的一类超细研磨设备。
搅拌研磨机的筒体一般做成带冷却夹套，研磨物料时，冷却夹套内可通入冷却水或其他冷却介质，以控制研磨时的温升。研磨筒内壁可根据不同研磨要求镶衬不同的材料或安装固定短轴（棒）和做成不同的形状，以增强研磨作用。搅拌器是搅拌磨最重要的部件，有轴棒式、圆盘式、穿孔圆盘式、圆柱式、圆环式、螺旋式等类型。
连续研磨时或研磨后，研磨介质和研磨产品（料浆）要用分离装置分离。这种介质分离装置种类很多，目前常用的是圆筒筛，筛孔尺寸一般为50～1500μm。
超细研磨时，搅拌研磨机一般使用平均粒径小于6mm的球形介质。研磨介质的直径对研磨效率和产品粒径有直接影响。此外，研磨介质的密度（材质）及硬度也是影响搅拌研磨机研磨效果的重要因素之一。常用的研磨介质有氧化铝、氧化锆或刚玉珠、钢球（珠）、锆珠、玻璃珠等。
搅拌研磨机根据作业方式分为间歇式、循环式、连续式三种；按工艺可分为干式搅拌研磨机和湿式搅拌研磨机；按搅拌器的不同还可分为棒式搅拌磨、圆盘式搅拌磨、螺旋或塔式搅拌磨、环隙式搅拌磨等。
搅拌磨的工作原理是：搅拌轴带动搅拌臂高速运动迫使磨桶内的介质球与被磨物料作无规则运动；物料和介质球之间因相互撞击、剪切和摩擦被粉碎。其研磨作用主要发生在研磨介质与物料之间。
图2-11所示为间歇式搅拌磨的结构和工作原理示意图。其结构包括电机、减速机、机架、搅拌轴、研磨筒、搅拌臂、配电系统、蜗轮副系统等部分。
图2-11 间歇式搅拌磨的结构与工作原理示意图
间歇式搅拌磨的研磨过程是批次进行的，即将原料和研磨介质加入磨机，开动电机，研磨一定时间后卸出研磨产品再加入下一批次物料进行超细研磨。
图2-12所示为循环式搅拌磨的结构与工作原理示意图。这种搅拌磨主要由一个直径较小的研磨筒和一个容积较大的浆料循环罐组成。研磨筒实际上是一个小型搅拌磨，内填研磨介质并在上部装有隔离研磨介质及粗粒物料的筛网。研磨介质的充填率占研磨筒有效容积的85%～90%。其工作过程是浆料连续在研磨筒和循环罐内快速循环，直到产品细度合格。
图2-12 循环式搅拌磨的结构与工作原理示意图
这种搅拌磨的特点是由于浆料连续快速地通过旋转的研磨介质层和筛网，合格细粒级产品及时排出，避免因过磨而导致的微细颗粒的团聚，研磨效率较高，且可获得窄粒级分布的研磨产品。循环缸具有混合和分散作用，可在循环罐内添加分散剂或助磨剂。此外，由于浆料每次在研磨筒内的滞留时间短，从循环筒内新泵入的矿浆足以平衡研磨筒内的温升，因此，这种搅拌磨的磨筒无须冷却。
图2-13所示分别为几种目前工业上常用的连续式搅拌磨机的结构和工作原理示意图。立式连续搅拌磨多采用圆盘式搅拌器。其工作过程是：料浆从下部给料口泵压给入，在高速搅动的研磨介质的摩擦、剪切和冲击作用下，物料被粉碎。粉碎后的超细浆料经过溢流口从上部的出料口排出。物料在研磨室的停留时间通过给料速度来控制。给料速度越慢，停留时间越长，产品粒度就越细。图2-13（a）与间歇式搅拌磨相比，其结构特点是研磨筒体高（长径比大），且在研磨筒内壁上安装有固定臂。图2-13（b）所示是一种干法立式连续搅拌磨的结构示意图。这种搅拌磨的基本结构与湿法磨相似，只是给料方式不同，即采用螺旋给料机上给料和下排料。图2-13（c）所示为螺旋搅拌磨结构与工作原理示意图，其特点是采用螺旋搅拌器。图2-13（d）所示搅拌磨的结构特点是与前述高长径比搅拌磨相比，筒体“较矮”，但直径较大，且筒体的长径比小。该型搅拌磨上部给料，中下部排料，上部设有进浆口、分散剂添加口和排气口；下部侧壁设有浆料出口和研磨介质排出口。筒体内部做成多角形（六边形或八边形），增加了颗粒被研磨的概率和研磨强度。由于浆料停留时间较短，一方面物料不容易过磨；另一方面，研磨过程温升较小，不容易出现黏胀，因而研磨效率较高。这种磨机近几年在重质碳酸钙浆料和超细煅烧高岭土生产中得到了越来越多的应用。图2-13（e）所示的双槽搅拌磨槽体由底部连通的两个相同尺寸的立方体形槽子构成，一个用于预磨，设有给料口，另一个用于精细磨，设有隔离筛和排料口；每个槽内设有一个搅拌器，槽上方各有一套驱动装置；两槽底部各设有一个卸料口和压缩空气入口，槽顶部设有排气管。该搅拌磨的结构特点是双叶轮搅拌器、方形双槽体结构。工作时，矿浆首先从进料口进入预磨槽预磨，然后从底部进入精细磨槽，最后经隔离筛从出料口排出。
图2-14所示卧式搅拌磨的结构特点：一是独特的盘式搅拌器消除了磨机在运转时的抖动并使研磨介质沿整个研磨室均匀分布，从而提高能量利用率和研磨效率；二是采用动力介质分离筛消除介质对筛的堵塞及筛面磨损。因此，这种搅拌磨的能量密度较大，研磨效率较高。
图2-13 连续式搅拌磨机的结构和工作原理示意图
图2-14 卧式湿法连续搅拌磨结构与工作原理示意图
1—给料口；2—搅拌器；3—筒体夹套；4—冷却水入口；5—密封液入口；6—机械密封件；7—密封液出口；8—产品出口；9—旋转动力介质分离筛；10—介质入孔；11—冷却水出口
（4）砂磨机 砂磨机是另一种形式的搅拌磨或珠磨机。因最初使用天然砂作为研磨介质而得名。砂磨机可分为敞开型和密闭型两类，每种又可分为立式和卧式两种。
图2-15所示为立式砂磨机和卧式密闭砂磨机的结构示意图。立式砂磨机主要由进料系统、研磨筒、研磨盘、传动系统和电控系统等组成；工作时研磨筒内大部分装填研磨介质，其介质是用陶瓷或特殊材料制成的粒径不等球形颗粒。物料从立式仓筒的底部加入，与研磨介质混合。搅拌轴由传动系统驱动，以适当的转速搅拌物料与介质的混合物。由于研磨介质之间的摩擦和碰撞作用，物料得到研磨，经过一定的停留时间，得到粒度分布符合要求的浆料。
卧式密闭砂磨机的结构主要由研磨容器、分散器、分离器及搅拌轴密封器等部分组成。
图2-15 砂磨机的结构示意图
近10年来，一方面砂磨机不断向大型化发展。目前，德国和澳大利亚合作研发的艾砂（Isa）大型卧式砂磨机的筒体容积已达到8000～10000L，最大装机容量为3300kW。这种大型卧式砂磨机已经在南非和澳大利亚的金属矿山选矿厂使用。中国的卧式砂磨机也已取得显著进展，已经开发了2000L以上的大型砂磨机。另一方面，砂磨机不断向精细化迈进，降低粉碎产物的“极限粒径”。图2-16所示的高流量立式砂磨机或珠磨机可以生产D50=0.3μm左右的超细粉体，号称“纳米磨”。这种高流量砂磨机主要由筒体、转子、定子壳、研磨腔、出料以及冷却、动力装置等构成。转子垂直在筒体内，筒体在顶部通过机械密封密闭。外部转子表面装有大量的搅拌棒钉。上半部转子有槽状的开口。定子壳由外层定子、定子底壁和内层定子组成，是完整的双层夹套。外层研磨腔内水平排列着定子棒钉，内层定子的棒钉螺旋排列。内层定子上方有一个保护筛网，与中央排料管连接。研磨腔中转子及其外部、内部工作表面位于定子中间。保护筛网位于研磨腔上端。研磨腔内充满直径在200μm～1.5mm的磨珠。研磨腔装满物料时，保护筛网始终在装料线的上方。
其工作原理如下：由于给料泵的压力，物料在内层研磨腔上方因离心力与磨球分离后反方向进入研磨机中心，物料首先通过安装在内层定子上的筒状保护筛网，然后向下由中央的排料管排出。磨珠在外层研磨腔转子与定子棒钉之间，以及内层研磨腔的定子棒钉和内层转子表面之间流动；待研磨或分散的物料从磨机上端均匀地进入外层转子。物料首先向下流入外层研磨腔，磨珠由转子和定子棒钉运动产生能量带动物料，然后沿轴向由定子下端流入内层研磨腔，内层转子的光滑表面和垂直螺旋状排列的定子棒钉产生强烈的扰动。充分混合的物料和磨珠由于转子旋转的离心作用并经装在内层转子上的挡板通过定子棒钉。挡板和转子上的开口比邻。因密度和尺寸的差异，磨珠由于离心力的作用通过开口进入外层研磨腔的进口区域。新加入的物料带动磨珠向下流入研磨腔。如此，磨珠在外层研磨腔之间实现再循环。
图2-16 高流量立式砂磨机结构与工作原理和外形
1—转子；2—进料口；3—物料剪切研磨；4—研磨介质离心研磨；5—第一研磨腔；6—第二研磨腔；7—外定子；8—内定子；9—冷却；10—出料口；11—泄珠口；12—出料筛网；13—研磨介质添加口
此外，砂磨机研磨盘结构和材质的优化以及控制的智能化也取得了显著进展。新型的PU材质显著提高了磨盘和轴套的使用寿命。
（5）振动磨 振动磨是利用研磨介质（球状和棒状）在作高频振动的筒体内对物料进行冲击、摩擦、剪切等作用而使物料粉碎的细磨和超细磨设备。
振动磨按其振动特点分为惯性式、偏旋式；按筒体数目分为单筒式和多筒式；按操作方式又可分为间歇式和连续式。振动磨既可用于干式粉碎，也可用于湿式粉碎。
通过调节振动的振幅、振动频率、介质类型和介质尺寸可加工不同物料，包括高硬度物料和各种细度的产品。产品的平均粒度可达到1μm左右。
超细振动磨的结构和工作原理与2.2.1介绍的振动磨机大同小异。目前在非金属矿超细粉磨中应用的振动磨主要有MZ型双筒振动磨和单筒振动磨。MZ型超细振动磨主要技术参数为磨筒容积、振幅、振动频率、动力强度、电机功率、磨机质量和外形尺寸等。
（6）辊磨机 目前工业上应用的超细辊磨机有离心环辊磨和辊式立磨。图2-17所示为离心环辊磨的结构和工作原理示意图。该机主要由机体、主轴、甩料盘、磨环、磨环支架、磨圈、分流环、分级轮等构成；固定在磨环支架上的磨环与销轴之间有很大的间隙。工作时，当磨环支架随主轴转动时，磨环作公转，受离心力的作用甩向磨圈并压紧磨圈，同时以销轴为中心作自转。物料由螺旋加料器从磨环支架上方加入，被高速旋转的磨环支架甩入支架与磨圈的缝中，受到转动磨环的冲击、挤压、研磨而被粉碎。粉碎后的物料落到甩料盘上，甩料盘与主轴同转，将物料甩向磨圈与机体间的缝隙中，受到系统中风机抽风产生的负压的作用而沿缝隙上升进入机体上部，沿分流环进入分级室进行分级，合格细粉通过分级轮进入收集系统收集，粗粉被甩向分级环内壁，落入粉碎室重新进行粉碎。这种环辊磨自2005年开发以来，经不断改进和优化，已经成为目前中国重质碳酸钙干法超细粉碎的主要装备之一。
图2-17 离心环辊磨的结构与工作原理和外形
1—分级轮；2—分流环；3—磨圈；4—销轴；5—磨环；6—磨环支架；7—甩料盘；8—机座
图2-18所示为超细辊式立磨的结构和外形图。该类型设备主要由磨辊、磨盘、导流装置、液压装置、分级机及自动控制系统构成。
图2-18 超细辊式立磨的结构与外形
1—螺旋给料机；2—进料口；3—回风口；4—减速机；5—主电机；6—液压装置；7—研磨机构；8—筒体；9—检修平台；10—分级机；11—成品出口
工作原理：物料在离心力的挟带下进入磨盘与磨辊之间，受到带有很高液压气动压力的磨辊的碾压与剪切力作用；碾磨后的物料通过碾磨区后受到空气流的初步分散和分级作用，随着上升区内空气流动区域截面积的扩大，空气的流速下降，粗颗粒因此返回磨盘内继续碾磨，其他粉体则进入磨机上部的分级机内进一步分级，分出的粗颗粒回到碾磨区，细粉随气流排出机外被收集。
（7）胶体磨 胶体磨是利用一对固定磨体（定子）和高速旋转磨体（转子）的相对运动产生强烈的剪切、摩擦、冲击等作用力，使被处理的物料通过两磨体之间的间隙，在上述诸力及高频振动的作用下，被粉碎和分散。
胶体磨主要有直立式、傍立式和卧式三种机型。图2-19所示为JM系列胶体磨的结构示意图，主要由进料斗、盖盘、调节套、转齿、定齿、甩轮、出料斗、磨座、甩油盘、电机座、电机罩、接线盒罩、方向牌、刻度板、手柄等构成。图2-19中所示为传统立式胶体磨，由特制长轴电机直接带动转齿，与由底座调节盘支承的定齿相对运动而工作。磨齿一般为高硬度、高耐磨性耐酸碱材料，根据不同需要选择相应的磨头。
图2-19 JM系列胶体磨的结构示意图
1—进料斗；2—盖盘；3—调节套；4—转齿；5—定齿；6—甩轮；7—出料斗；8—磨座；9—甩油盘；10—电机座；11—电机罩；12—接线盒罩；13—方向牌；14—指针；15—刻度板；16—手柄；17—管接头
（8）高压均浆机 高压均浆机是利用高压射流压力下跌时的穴蚀效应，使物料因高速冲击、爆裂和剪切等作用而被粉碎。高压均浆机既有粉碎作用，也有均质作用，其工作原理是通过高压装置加压，使浆料处于高压之中并产生均化。当矿浆到达细小的出口时，便以每秒数百米的线速度挤出，喷射在特制的靶体上，由于矿浆挤出时的互相摩擦剪切力，加上浆体挤出后压力突然降低所产生的穴蚀效应以及矿浆喷射在特制的靶体上所产生的强大冲击力，使得物料沿层间解离或缺陷处爆裂，从而达到超细剥片的目的。