关键词：纳米陶瓷球；重质碳酸钙；研磨介质；立式搅拌磨机
1、前言
目前市场中存在的研磨介质有球介质和棒介质，以及柱状珠、圆台珠等不规则的异形介质，在重钙市场中使用的研磨介质主要是球介质，球介质的类型主要有金属球、硅酸锆珠、氧化锆珠、氧化铝珠。在重钙领域生产中，因氧化锆珠价格非常昂贵使用者鲜有，因金属球会污染重钙，故不会使用该类型珠，但使用硅酸锆珠，锆铝复合珠和氧化铝珠较多，其中又以体积密度为3.2g/cm3的硅酸锆珠居多，市场中现有的硅酸锆珠价格中等，产量中等且性价比一般，而使用普通氧化铝珠虽然价格低，但因磨耗高，强度低，导致其性价比低，并且影响企业的生产效率和市场竞争力，因此如何提高市场竞争力和节能降耗摆在了企业面前，此时，一种新的纳米陶瓷球应运而生。
2、试验材料及设备
2.1试验材料
纳米陶瓷球；硅酸锆珠；陶瓷微珠；水；氧化铝粉
2.2试验设备
快速磨；电热鼓风干燥箱WD-841-3型；YAW-10型压力试验机；游标卡尺；MH-300A型密度计；
3、纳米陶瓷球的生产工艺及特点
纳米陶瓷球生产工艺：配料→珠磨→造粒→团球→干燥→烧结→（抛光）→分选→除杂→检验→包装→入库等。该产品具有以下特点：
1）磨耗低：该产品为高科技氧化铝陶瓷珠，当量磨耗为0.0054‰，耐磨性最高可达国标的30倍。同时自磨耗与氧化锆珠相当，比密度为3.2g/cm3的锆铝复合珠低3倍，比密度为4.0g/cm3的硅酸锆珠低2倍，比密度为2.7g/cm3的普通陶瓷珠更是低5~6倍。磨耗测试方法：量取约200g样品，加入100g氧化铝粉，300g水，快速磨1小时后取出洗净，采用干燥箱烘干1小时后，准确称量重量，计算磨耗。
2）强度高：该产品压碎强度是同行业氧化铝珠的2~4倍，可与锆珠相媲美，同时抗压强度也很高，保证了该球可以应用在更多的领域。强度测试方法：采用压力机测球的破碎压力F(KN)，游标卡尺测直径D(mm)，得到强度(MPa)=4×1000×F/(πD2)
3）莫氏硬度高：莫氏硬度达到了9，比锆铝复合珠、陶瓷微珠、硅酸锆珠的莫氏硬度高0.5~2。
4）化学稳定好：该产品主要是刚玉相，刚玉晶型具有最稳定的化学结构，因此本产品的化学稳定性好。
5）耐酸耐碱性强：该产品的主要成份是α-Al2O3，α-Al2O3是惰性氧化物，几乎不和酸碱发生化学反应，故应用领域得到扩大，在重钙领域更是适用性强。
6）耐腐蚀：该产品的结构为刚玉晶型，然而刚玉结构紧密，内部离子键强度大且键力分布均匀，因此导致其具有耐化学腐蚀等性能。
7）珠形度高：单个珠的珠形度低于4%。
8） 密度较大：体积密度达到了3.7±0.05g/cm3，比同种类的氧化铝珠密度高0.05~0.2g/cm3左右。测试方法：将干燥的球放在密度计中测量3次，取平均值。
9）白度高：产品主要成分为优质氧化铝，其白度高，在重钙领域应用对被研磨物料品质没有影响。
4、重钙湿磨工艺
重质碳酸钙生产方法，根据细度的不同，有干法研磨和湿法研磨两种生产工艺，用到研磨介质的生产工艺为湿法研磨，使用该方法生产重质碳酸钙的主要工艺流程有：
湿法分级机→过筛→干燥→活化→装袋
湿法搅拌磨或剥片机 （涂布级重钙）
原矿→颚破→雷蒙磨 （造纸涂布级重钙浆料）
湿法搅拌磨→过筛→干燥→活化→装袋（填料级重钙）
5、研磨介质对研磨效率的影响
上述湿法搅拌磨工序，是整个工艺流程中的重点，是提高产量和市场竞争力的关键步骤，影响该工序的因素也比较多，比如湿磨设备、进料浆的细度、矿粉的优劣、研磨介质的材质、分散剂的分散能力、工人的操作能力等等。企业要提高竞争力，就需要提高该工序的研磨效率，影响研磨效率的因素很多，但是仅从研磨介质考虑，主要有：
1、比重。研磨介质品种较多，它们的比重各不相同。从动力学角度来说，研磨介质的比重越大，它所获得的动能就越大，对物料的撞击力和剪切力也越大，研磨效率就得到提高，此外，考虑到物料的比重，研磨介质与物料的比重差值越大，研磨效果就越好。
2、硬度。研磨介质的硬度对于研磨效率有直接的影响，一般来说，研磨介质的硬度越高，研磨效率越好。氧化锆珠的莫氏硬度为9，硅酸锆珠的莫氏硬度在7-8之间，普通陶瓷珠的莫氏硬度为7-8，本公司生产的纳米陶瓷球莫氏硬度为9。
3、直径。研磨介质直径大小与原料最大粒径有关。原料中最大粒径越大，要求使用的研磨介质直径越大，使其有足够的分散研磨能力，但研磨介质粒径越大，产品粒径就越大，不利于超细研磨。研磨介质直径越小，介质接触点越多，总表面积增加，研磨物料的机会增加，从而提高分散研磨效率，但是对于大小不一的物料中偏大的颗粒起始阶段则不易磨细，为了能够达到理想状态，一般情况下需对大小球按配比混合使用。
4、填充率。研磨介质填充率越大，研磨介质接触频率就越大，分散研磨能力也在增大，在相同研磨时间内产品粒径就越小。另外，研磨介质的填充率与物料的粘度，研磨时和物料的温度有关。若填充率过大，设备启动时将会导致电机不能使搅拌片转动，从而烧坏电机。
5、球形度。研磨介质在随叶片公转的同时，球本身也会自转，其总的动能为：T=1/2mv2+1/2Jω2，T-球的总动能，m-球的的质量，v-球的运动速度，J-球的转动惯量；ω-球平面运动的角速度。上式中的1/2Jω2是球自转产生的附加能，对粒子形成剪切和摩擦粉碎作用。当自转角速度ω越大，产生的附加能也越大，当球形度拙劣时，自转运动就会受阻，附加能就会降低，从而不利于研磨，所以球形度的高低影响研磨效率。
6、强度。研磨介质强度小，介质易发生破碎，球的寿命减短，碎球的棱角或不规则的形状，容易损坏正在研磨的其它介质，恶性循环导致有效参与研磨介质数量减少，因此强度低会导致研磨效率低。
7、磨耗。若研磨介质磨耗过高，球本身的研磨寿命就变的更短，配比很不稳定，并且增加了添球的频率，若不及时添加将影响研磨效率，同时增强了工人的劳动强度，提高了企业成本。
6、应用实例
产品纳米陶瓷球在江西某公司进行了成功应用，该公司主要生产重质碳酸钙，研磨的物料为：江西矿产的325目重钙粉体，使用该球的设备为3600L的万华粉体立式搅拌磨机，该设备功率为250KW，通过与体积密度为3.2g/cm3硅酸锆研磨介质在同一条件下进行对比，分别记录下各自生产数据，具体对比数据如下表所示。
研磨介质应用重钙对比数据表
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硅酸锆珠 |
纳米陶瓷球 |
备注 |
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体积密度（g/cm3） |
3.2 |
3.7 |
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磨机大小/型号 |
3600L/立式 |
3600L/立式 |
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首次装珠量 (kg) |
4000 |
4000 |
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每小时平均产量（t） |
1.6 |
2.1 |
提高30% |
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每月平均添珠量（kg） |
576 |
150 |
节约70% |
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浆料平均固含量（%） |
72 |
72 |
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平均电流(A)/电机功率(KW) |
310(A)/250(KW) |
350(A)/250(KW) |
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每吨产品所耗电费(元) |
96 |
79.3 |
节约17.4% |
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转速(RPM) |
130-200 |
130-200 |
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产品细度 |
85级 |
85级 |
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从上述表格中我们发现，应用纳米陶瓷球之后每小时生产85级细度的重钙产量提高了30%，每月添球量节约了70%，每吨产品所消耗的电费节约了17.4%，因此纳米陶瓷球在该企业之得到了成功应用，给企业带来了显著的经济效益。
7、结论
1、纳米陶瓷球的磨耗低、强度大、密度较大等优点，实际使用后研磨效率较高。
2、纳米陶瓷球在3600L的立式搅拌磨设备上研磨重钙，相比体积密度为3.2g/cm3的硅酸锆珠，生产每吨重钙节约了大量研磨介质，总体产量也可得到提高。
3、使用纳米陶瓷球，可降低企业生产成本，增强市场竞争力。