中国粉体网讯 随着非金属矿产资源在经济社会各个领域的应用，非金属矿产资源的开发力度明显增强，由于这些非金属矿在很多领域应用时存在粉体利用的形式，使行业内对非金属矿粉体加工技术提出了更高的要求，比如超细。
1 超细非金属矿物粉体
超细粉体，是指粒径在微米级到纳米级的一系列超细材料。目前，非金属矿物粉体在现代高技术新材料中的广泛应用是以其特有的功能为前提的。而多数非金属矿物功能性的发挥有赖于粒度大小、分布及粒形。如在高聚物基复合材料中的增强或补强性、陶瓷材料的强度和韧性、作为造纸和涂料颜料的遮盖率、着色力以及粉体的电性、磁性、光性、吸波与屏蔽、催化、吸附、流变、抗菌、脱色、粘结等都与其粒度大小、粒度分布及颗粒形状有关[1]。
由于超细粉体具有比表面积大、表面活性高、化学反应速度快、烧结温度低且烧结体强度高、填充补强性能好、遮盖率高等优良的物理化学性能。许多应用领域要求非金属矿物原（材）料的粒度微细（微米或亚微米）。
目前，按照我国矿物加工行业的共识，将超细粉体定义为粒径100%小于30μm的粉体。按照粒度的不同，超细粉体可分为:微米级(粒径1～30μm)、亚微米级(粒径1～0.1μm)和纳米级(0.001～0.1μm)。超细非金属矿物粉体在光学、磁学、声学、电学和力学等性质上表现出很大的优越性，已被广泛应用于医药、化工、电子、能源等多个领域[2]。
2 超细非金属矿物粉体的加工
超细粉体的制备方法有很多，按照形成介质，可以分成三类：气相法、液相法和固相法。气相法包括高频感应加热技术、等离子体制备技术等，适合制备纯度高、粒子粒径分布窄、粒径小且粒度分布均匀的超细粉体；液相法主要有化学液相还原法、溶胶-凝胶法、超声波雾化法和水热法等；固相法主要采用的是机械粉碎法。
从制备原理上分，超细粉体的制备又可以分为化学法和物理法两种。化学法是通过化学反应，由离子、原子等经过晶核形成和长大制取所需超细粉体。优点是可制备纯度高、粒径尺寸较小、粒度分布较窄、形貌好的超细粉体。缺点是产量低、成本高和工艺复杂；物理法是通过机械力的作用使物料粉碎。优点是成本较低，工艺相对简单，产量大，适应于大批量工业生产。而且在粉碎过程中产生机械化学效应，能使粉体活性提高[2-3]。
目前在超细非金属矿粉体的加工中，物理法是主要的制备方法。而且一般来说，将原料制成超细粉体的过程主要分为粉碎和分级两个步骤。物料首先进入超细粉碎设备进行粉碎，由于每个颗粒的结构不同，粉碎所需要的能量存在差异，而且在粉碎设备中受到的作用力也不相等，所以粉碎完成后的细小颗粒形状大小都不相同，只有部分颗粒符合粒度要求。而在实际生产过程中，经常会通过延长粉碎时间来使颗粒充分粉碎，使其达到粒度标准，这样不但增加能耗，还有可能导致过度粉碎现象。因此，需要将粒度达到要求的颗粒及时分离出来，所以超细分级技术在超细粉体的制备过程中也具有重要作用[4]。
3 超细粉碎设备研究现状
目前常用的超细粉碎设备主要有冲击式磨机、搅拌磨机、气流磨机和振动磨机等。
3.1冲击式磨机[5]
冲击式磨机是利用围绕水平或垂直轴高速旋转的回转体（棒、锤和叶片等）对物料产生激烈的冲击和剪切等作用，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，可用于中等硬度物料粉碎，如滑石、大理石和方解石等。入料粒径一般在8mm以内，产品粒度可达到3～74μm。
高速冲击磨结构简图
冲击式磨机的主要优点是可调节细度、结构简单、安装紧凑、操作容易、占地面积小和效率高等；缺点是高速运行过程中会产生过热现象。因此，在完善设备时，可考虑使用冷却方式，同时为了避免零件磨损较大，应采用抗压耐磨性能好的材料。
3.2搅拌磨机
搅拌磨机是具有发展前景的超细粉碎设备之一，具有多种类型，如按照安放方式分为立式搅拌磨机、卧式搅拌磨机、盘式搅拌磨机；按照工艺方式分为螺旋式搅拌磨机、间歇式搅拌磨机、循环式搅拌磨机、连续式搅拌磨机等。
整体而言，搅拌磨机主要是通过搅拌轴的旋转，搅动筒体内充填的磨矿介质(钢球、氧化锆球、瓷球、刚玉球和砾石等)和物料，使其在筒体内运动，多被用于非金属矿深加工，制备颜料等。入料粒径一般在3mm以内，产品粒度在0.1～45μm之间。影响搅拌磨机磨矿效果的关键工艺参数包括搅拌器转速、矿浆浓度、料球比、介质属性和滞留时间等[5-6]。
介质搅拌磨结构简图
较传统球磨机而言，搅拌磨机磨矿具有更加显著的优势：①搅拌磨机工作时筒体固定、搅拌器旋转，解决了球磨机筒体旋转导致能量损耗大的问题；②相比于球磨机冲击粉碎和研磨结合的磨矿方式，搅拌磨机主要依靠研磨作用辅以少量冲击实现物料粉碎，缓解了声、发热和振动等造成的能量消耗，提高了细磨效率；③搅拌磨机设备的占地面积相对较小，结构简单，安装方便快捷[6]。
3.3振动磨机
振动磨机是以球或棒为介质，加工产品细度可至几微米的超微细粉碎设备，工作原理是利用研磨介质在作高频振动的筒体内对物料进行冲击、研磨和剪切等作用，使物料在短时间内被粉碎。可广泛用于化工、冶金、建材、陶瓷、耐火材料和非金属矿等行业的超细粉体加工。入料粒径一般在6mm以内，产品粒度在1～74μm之间。振动磨机具有体积小、能耗低、产量高、结构紧凑、操作简单、维修方便和产品粒度均匀等优点，缺点是噪音大和对零件要求高等[5]。
3.4气流磨机[5-7]
气流磨机工作原理是将压缩空气通过喷管加速气流，喷出的射流带动物料作高速运动，使物料碰撞、摩擦剪切而粉碎，大多应用于大理石、高岭土和滑石等中等硬度以下的非金属矿物超细粉碎加工中，也可用于保健食品、稀土和化工原料等加工中。进料粒度一般控制在1mm以下，成品粒度在1～30μm之间，但生产能力较小。
气流磨结构简图
气流磨机具有自动化程度高和产能大的优点，缺点是设备造价高、占地面积大、能耗大、高细度产品少、零件磨损较大和缺乏自主创新机型等。由于气流磨机是我国研究最多、型号最全、技术较为成熟的超细粉碎设备，因此在市场上很受欢迎。目前可根据气流磨结构或者工作方式的不同将其划分为：水平圆盘式（扁平式）气流磨。循环管式气流磨、对喷式气流磨、靶式气流磨、流化床式气流磨等。
3.5其它设备
行星式球磨机：行星球磨机结构主要分为立式和卧式2种，其单一磨筒与普通球磨机是几何相似的，区别在于行星球磨机各个磨筒在自转的同时需要公转。行星球磨机的高粉磨能力和高能量利用率使其在超细粉体的制备、机械力化学、机械合金化等应用领域得到较广泛的应用。适用于高硬度材料，粒度可达0.1μm。特点是研磨介质易磨损，适用于小批量生产。
环辊磨：从本质上来看，环辊磨属于中小型超细粉碎设备，在多年的发展过程中，环辊磨的应用范围逐步扩大，且表现出了越来越明显的设备优势。从其具体的应用效果来看，工艺操作相对简单，且粉碎比相对较大，加工作业过程中的单位能耗较低，符合节能环保要求。根据当下非金属矿粉体加工中的环辊磨应用，给料粒度应不超20mm，在设备内部设置分级装置，加工过程中完全可以根据标准来进行产品细度的有效调整[8]。
不管粉体行业如何发展，获得超细非金属矿物粉体的主要手段仍然是机械粉碎方式。“工欲善其事，必先利其器”。未来，应加强基础理论研究和加大科技投入，在现有设备的基础上优化工艺流程，不断提高创新能力，开发出高技术含量、绿色经济、低能耗、低排放、具有高附加值的超细粉碎设备。
4 超细分级设备研究现状
超细粉体的分级是根据不同粒径颗粒在介质中受到离心力、重力、惯性力等的作用，产生不同的运动轨迹，从而实现不同粒径颗粒的分离，进入到各自的收集装置中。
超细分级按采用介质的不同，一般分为干式和湿式两种。湿式分级以液体为分散介质，分级精度较高，均匀性好。但湿式分级存在干燥、废水处理等一系列后续操作问题，因而限制了它的发展。
根据不同的分级原理，干法分级设备可分为三种：惯性式、射流式以及离心式。其中，根据不同粒径的颗粒惯性不同，施加作用力使颗粒沿不同方向运动实现分级的分级机称为惯性式分级机。综合运用Coanda效应、惯性分级及迅速分级等原理的分级机称为射流分级机。由于产生离心力场通常比重力场强，因此离心式分级机是开发较多的一类超细分级机。根据离心力场中流场的不同又可分为强制涡型和自由涡（或准自由涡）型两类。虽然干法分级存在容易造成空气污染和分级效率较低等缺点，但是由于其使用空气作为介质，成本较低，且无需进行干燥、再分散等后处理，分级过程更加简便、高效节能，因此广泛应用于粉体制备领域[9]。
目前工业生产中应用较广泛的分级设备为涡轮空气分级机，根据分级轮的安装形式不同可分为立轮式和卧轮式。
立轮式分级机的分级轮通常为悬臂吊装，运转过程中会出现一些问题，如分级轮尺寸增大易导致失衡、主轴和轴承因承受过大载荷易断裂和密封效果差等。而卧轮式分级机的分级轮为水平安装，转速较高时也能保持平稳运行，密封效果有较大改善，相同处理量下卧式分级机体积更小、结构更紧凑，具有振动小、寿命长等优点[4]。
随着涡流空气分级器的发展，学者们通过大量的理论与实践研究，对其进行了改进，有效地提高了其分级精度和分级效率。如通过增设三次风气流对沿锥体下降的粗颗粒进行淘析，以提高分离效率。代表机型是日本小野田公司研发的O－Sepa 型立轮式分级机[10]。
除了在原有转子分级机基础上进行结构尺寸结构和操作参数优化外，也有学者通过添加内构件、改变气流进口和出口方向等开发了新型动态分级机。
其他形式的动态分级机示意图
就目前的研究状况来看，未来的研究方向主要包括调控分级流场、优化分离过程、混合流型耦合分级三个方面。
结语
近年来，随着国家对非金属矿山资源开发和利用的重视，与之相关的非金属矿粉体加工行业迎来了崭新的发展，也取得了卓越的成就。在多年的探索和实践过程中，非金属矿粉体超细加工技术日渐成熟，市场上的技术工艺和设备越来越多，为提升产能和效益，相关企业在开展非金属矿粉体加工的过程中，应结合自身的生产实际和需求，做好技术、工艺和设备等方面的综合选择，加强对加工过程中的相关参数控制和流程调整。
参考文献
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（中国粉体网编辑整理/黑金）
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