湿法研磨重质碳酸钙的研究现状及其发展方向

湿法研磨重质碳酸钙的研究现状及其发展方向

来源：河南省通许县技兴制粉机械设备厂作者：安先生发布时间：2009-3-2 0:00:00 浏览次数：126

碳酸钙通常分为重质碳酸钙和轻质碳酸钙。重质碳酸钙又称研磨碳酸钙，简称重钙，是用物理加工方法制得的；轻质碳酸钙又称沉淀碳酸钙，简称轻钙，是用化学加工方法制得的。

重钙由于具有众多优点而广泛应用于许多领域，而重钙应用的真正价值是它的深加工产品，即超细、高纯、表面改性产品，因此，制备高附加值超细、高纯重钙产品具有很好的工业应用前景。

1. 重质碳酸钙的生产方法

重质碳酸钙的生产方法通常分为干法和湿法两种。干法生产的特点：1）投资较低，且能大量生产质量稳定的产品；2）可以针对不同的使用要求，灵活地控制生产条件，用较低的成本生产不同要求的产品；3）可以对产品进行表面改性处理，提高产品的使用性能。

湿法生产是将采掘出来的天然碳酸钙经一次、二次粉碎和洗涤，精选后进入湿法研磨设备研磨，再与分散剂混合后二次研磨，经筛选沉淀后取得产品，其生产的特点：1）可大规模生产，成本低；2）产品质量参数可按产品要求进行调整；3）可以达到极细的粒度；4）产品运输困难，如将其干燥则投资和生产成本又提高，故湿法产品，宜就地生产就地使用。另外，干法适用于生产平均粒径大于3um的微细重钙，对于3um 以下的粉体，在技术上可行，但成本过高，经济上不可行；而湿法研磨主要用于生产平均粒径小于2um、最大粒径小于10um的填料和涂布级重钙，多应用于造纸和高档涂料。因此，可以根据不同的需求采用不同的生产方法。

2. 湿法研磨重质碳酸钙的主要工艺流程

湿法研磨重质碳酸钙的主要工艺流程有：

（1）原矿→颚破→雷蒙磨→湿法搅拌磨或剥片机（间歇、多段或循环）→湿法分级机→过筛→干燥→活化→装袋（涂布级重钙）。该工艺流程中加入了湿法超细分级，可及时把合格的产品分出，提高了效率。湿法超细分级设备主要有小直径旋流器、卧式螺旋分级机和碟式分级机，分级后的矿浆浓度较稀，有时需要加沉淀池。该工艺经济指标好，但分级难操作，目前还没有非常有效的湿法超细分级设备。

（2）原矿→颚破→雷蒙磨→湿法搅拌磨→过筛→干燥→活化→装袋（填料级重钙）。

（3）原矿→颚破→雷蒙磨→湿法搅拌磨或剥片机（间歇、多段或循环）→过筛（造纸涂布级重钙浆料）。湿法生产重钙根据所选用工艺的不同，可生产填料级和涂布级两种产品。填料级重钙一般经一次研磨就可达到产品的要求，涂布级重钙需对研磨后的料浆进行再次研磨。另外，湿法生产中，工艺控制相对复杂，应根据原材料、介质、研磨设备、产品用途等来选择合适的生产工艺。

3. 湿法研磨重质碳酸钙的研究现状

要使湿法生产的造纸途布级重钙产品能够达到技术指标，我们必须对原材料、研磨设备、研磨助剂、研磨介质等众多关键影响因素进行选择。

（1）原材料的选择。自然界中纯度较高、具备晶体形式、具有较高利用价值的碳酸钙结晶体主要有方解石、大理石和冰州石。目前国内重钙粉的原料都是来自碳酸盐岩经区域变质作用和热接触变质作用形成的，大理岩型方解石矿床和少数为热液脉状方解石矿床，可利用矿物为方解石。方解石以粒状和片状的晶型居多，光学性能也较优异，适用于高档场合，如造纸，尤其是片状方解石，俗称大方解石。实践证明，由于其片状、3个菱面体解理结构，使其具有高的白度和遮盖力，非常适用于高级白卡纸的填充和涂布，其矿源也相对较少，因此价格相对较高。相对而言，粒状方解石，俗称小方解，遮盖力则次之，而且更重要的是大方解的沉降速度较小方解慢，有利于纸浆的分散。

（2）研磨设备的选择。上面已经提到，湿法研磨重钙的研磨设备主要有剥片机、搅拌磨机和砂磨机等，

但无论选择哪种设备都必须保证重钙的纯度和白度不受污染，比如筒体内衬和磨盘或搅拌器采用聚氨酯、陶瓷或其他高分子耐磨材料制造，而且在高固含量、高黏度、小研磨介质的条件下磨机能够稳定运行。由长沙太冶研究院研制的大型立式湿法超细磨机是一种新型高效超细研磨设备，可用于非金属矿的湿法超细研磨，也是当前众多超细粉碎设备中能是利用率高、产品粒度细的一种设备，其结构简单，操作维修方便。磨机由传动部分（包括电机和减速机），筒体和组合型搅拌器组成。电机经减速机带动组合搅拌呖呖充满一定磨矿介质（刚玉球、锆球或玻璃球）和被磨物料的筒体内中高速旋转，在研磨介质的重压力和搅拌器回转产生的离心挤压力下，利用摩擦、冲击和剪切而有效地粉磨物料。经过试验和生产实践验证，应用该超细研磨设备经过一段磨可生产出填料级和底涂料级（-2um>=60%-90%）造纸重钙产品，因此，该超细研磨设备具有很好的工业应用前景。另外，湿法研磨重钙应用比较多的研磨设备还有砂磨机，目前国内较先进的砂磨机是改良型MB300砂磨机，它的特点是磨机的输入功率直接作用于搅拌器，从而高速推动研磨介质来达到超细研磨的目的。利用搅拌器高速回转使研磨介质产生撞击和研磨的双重作用，有效地研磨物料并分散均匀。该超细研磨设备经过一级或二级研磨可达到填料级和底涂料级造纸重钙产品，经过三级研磨可达到面涂料级造纸重钙产品。

（3）研磨助剂的选择。研磨助剂对于粉体的湿法超细研磨是必不可少的。我们一般把研磨助剂分为助磨剂和分散剂，它们的作用机理并不相同。

对于助磨剂的作用机理，根据现有的研究结果表明有两种具有代表性的学说：第一种是以列宾捷尔为首的“吸附降低硬度”学说，即助磨剂分子在颗粒上的吸附降低了颗粒的表面自由能，或者引起表面晶格的位错迁移，产生点缺陷或线缺陷，从而降价颗粒的强度和硬度，促进裂缝的生产和扩展，因而降低磨矿能耗，改善了磨矿效果；第二种是以克兰帕尔为首的“矿浆流变学调节”学说，认为助磨剂能够通过调节浆料的流动性，阻止颗粒之间、颗粒与研磨介质及衬板之间的团聚和粘附。

在生产实践中，研磨助剂的作用主要表现在以下三个方面：1）改变浆料的流变学性质和颗粒表面电性，进而降低浆料的黏度，提高浆料的分散性，减少生产系统中管道和各进出口阻力，提高系统的稳定性；2）由于浆料黏度的降低，减少了介质运动阻力，同时提高了介质相对运动对浆料颗粒的冲击和研磨作用；3）助剂分子在新生颗粒表面的吸附，大大降低了微颗粒表面的不饱和表面能，因而防止了颗粒的团聚。针对湿法研磨超细重钙，研磨助剂一般采用分散剂，而且应尽量选用纯度高、稳定性好的聚羧酸或聚丙烯酸及其钠盐。

4）研磨介质的选择。湿法研磨重钙原材料的硬度是莫氏硬度为2.6-3.0之间，因此，研磨介质必须有恰当的硬度和韧性。硬度太大，则对磨机筒体和搅拌器或磨盘磨损过大；而韧性不好，则研磨介质容易破碎。根据经验，研磨介质有的最佳硬度为物料的3倍。针对重钙，常用的研磨介质有刚玉球、锆球和玻璃珠等。对于研磨介质的尺寸，一般来说，尺寸小，接触点多，研磨效率就高，但过小的研磨介质会使浆料的小颗粒部分增多，而对于大的颗粒，小尺寸研磨介质又不能提供足够的动能破碎，赞成产品颗粒分布变宽，而且易于阻塞研磨介质和浆料的分离系统，因此，对于一定细度范围的产品，存在一个最佳的研磨介质直径，这在实践生产中已经得到了验证。对于多台磨机串联的情况，就随着各级进料颗粒的逐渐变小而选择相应小的研磨介质。

5）部分工艺参数的最优化配置。如给矿粒度、磨机主轴转速、磨矿浓度、研磨介质与原材料质量比、研磨时间、分散剂及助磨剂的用量等等。

4.湿法研磨重质碳酸钙的发展

我国的重钙应用目前还是初级产品，而重钙应用的真正价值是它的深加工产品，即超细、高纯、表面改性产品，而湿法生产的重钙产品纯度高、粒度细且均匀、粒形好、质量稳定，达到了产品深加工的目的，因此，湿法研磨重钙且有广泛的前景。

目前，国际上超细重钙的生产及应用主要集中在美国、西欧、日本。从生产能力及消耗量来看，美国的超细重钙年生产能力及消费量均占各国之首，其次是西欧和日本，而我国年年来虽然也取得了令人鼓舞的成绩，但与美国、西欧、日本等国相比，还存在较大的差距。如我国厂家多、规模小、产品质量差；粗料

径产品多，超细产品少；普通产品多，专用产品少；多数厂设备陈旧技术落后，自控水平差，产品质量不稳定；干法粗粉多，超细干法或湿法产品少，满足不了市场需求，造成花费大量外汇高价进口超细重钙等。因此，我国超细重钙的发展方向是：

（1）生产规模化，设备大型化，生产过程自动化和智能化，提高经济效率；

（2）采用先进设备，提高研磨效果，降低能耗；

（3）采用先进工艺流程，使各项工艺参数达到最优化配置，提高生产效率；

（4）研发更有效的研磨助剂，更好地改善浆料的流变性，为造纸厂提供分散优良的重钙浆料；

（5）建立卫星式供应系统，减少运输及后续处理而造成的损失。

研磨是精密和超精密零件精加工的主要方法之一。

研磨加工可使零件获得极高的尺寸精度、几何形状和位置精度以及最高的表面粗糙度等级以及提高的配合精度。

零件的内、外圆表面、平面、圆锥面、斜面、螺纹面、齿轮的齿面及其它特殊形状的表面均可以采用此种方法进行加工。

船舶主、副柴油机燃油系统中的三对精密偶件：柱塞——套筒偶件、针阀——针阀体偶件、出油阀——出油阀座偶件的内、外圆表面、圆锥面、平面在制造时都需要采用研磨进行精加工。在针阀一针阀体配合锥面磨损和柴油机的进排气阀配合锥面磨损后均需采用研磨技术进行修复，使配合面恢复密封性能。

下面仅以研磨技术在轮船工作中的应用加以说明；该技术是克服精密设备短缺，延长零件寿命，节省修理费用和保证船舶正常航行的有效工艺，轮机人员应该掌握研磨技术。

1 研磨技术概述1.1 研磨原理

研磨是使零件与研磨工具在无强制的相对滑动或滚动的情况下，通过加入其间的研磨剂，进行微切削和研磨液的化学作用，在零件表面生成易被磨削的氧化膜，从而加速研磨过程。研磨加工是机械、化学联合作用完成的精密加工。

1）零件与研磨工具的相对运动

零件与研磨工具不受外力的强制引导，以免引起误差和缺陷；运动方向周期变换，以使研磨剂均匀分布在零件表面上并加工出纵横交叉的切削痕，以达到均匀切削。

2）研磨压力在实际应用的压力范围内，研磨效率随压力增加而提高。研磨压力取决于零件材料、研磨工具材料和外界压力等因素，一般通过实验确定。常用的压力范围为0.05MPa～0.3MPa，粗研宜用0.1MPa～0.2MPa，精研宜用0.01MPa～0.1MPa。研磨压力过大研磨剂磨粒被压碎，切削作用减小，表面划痕加深，研磨质量降低；过小则研磨效率大大降低。

3）研磨速度研磨速度影响研磨效率；一定条件下，研磨速度增加将使研磨效率提高。研磨速度取决于零件加工精度、材质、重量、硬度、研磨面积等。一般研磨速度在10m／min～150m／min。速度过高，产生的热量较多，引起零件变形、表面加工痕迹明显等质量问题，所以精密零件研磨速度不应超过30m／min。一般手工粗研往复次数为30次／min～60次／min，精研为20次／min～40次／min。

4）研磨时间研磨开始阶段，因研磨剂磨粒锋利，微切削作用强，零件研磨表面的几何形状误差和粗糙度较快得以纠正。随着研磨时间延长，磨粒钝化，微切削作用下降，不仅加工精度不能提高，反而因热量增加质量下降。一般精研时间约为lmin～3min，超过3min研磨效果不大。

所以，粗研时选用较粗的研磨剂、较高的压力和较低的速度进行研磨，以期较快地消除几何形状误差和切去较多的加工余量；精研时选用较细的研磨剂、较小的压力和粒快的速度进行研磨，以获得精确的形状、尺寸和最高的粗糙度等级。

1.2 研磨膏：研磨膏是在研磨粉中加入油溶性或水溶性辅助材料制成的。研磨膏在使用时需用研磨液稀释。

1）磨料：常用的磨料有金刚石和以Al2O3为主要成分的各种刚玉、SiC和Cr2O3等，其种类和用途都有所区别。

磨料的粒度是指磨料颗粒的尺寸大小，粒度号是根据1英寸长度上有多少个孔的筛网而定,即通常所谓的目数。按磨粒的颗粒尺寸范围,粒度号分为磨粒、磨粉、微粉和超微粉四种。研磨加工仅使用粒度号为100以上的磨料，称为研磨粉。研磨加工常用磨粒粒度号和所能达到的表面粗糙度是有所区别的。磨料的研磨性能与其粒度、硬度和强度有关。磨料的硬度是指磨料表面抵抗局部塑性变形的能力。研磨加工就是利用磨粒与零件材料的硬度差来实现的，所以磨粒硬度越高，切削能力越强，研磨性能越好；磨料的强度是磨粒承受外力不被压碎的能力。磨粒强度越高，切削力越强，寿命越高，研磨性也越好。

以金刚石的研磨能力为准，设为1，其它磨料的研磨能力为：碳化硼 0.50 绿碳化硅0.28，棕刚玉0.10黑碳化硅0.26 白刚玉 0.12

2）研磨膏的种类：研磨膏分为油溶性和水溶性两大类。油溶性研磨膏使用时需用煤油或其它油类研磨液稀释。油溶性研磨膏可使加工表面获得最高粗糙度等级和精确尺寸；水溶性研磨膏使用时需用水、甘油等研磨液稀释，研磨后需用水、酒精等将零件洗涤干净。研磨膏用研磨液稀释后才能进行研磨加工。研磨液应具有一定的粘度和稀释能力才能粘吸磨料并使之均匀，具有较好的润滑和冷却能力。研磨膏是一种重要的表面光整加工材料，除船用外，广泛用于仪表、仪器、光学玻璃镜头、量具、金相试片和精密零件的精研磨和抛光。常用的还有氧化铬、氧化铝、碳化硼、碳化硅、氧化铁等研磨膏。

研磨分为粗研、半精研、精研三种。粗研可选用W14～W10的研磨膏；半精研选用W7～W5的研磨膏；精研和偶件互研时选用W5以下的研磨膏。1.3 研磨工具：研具分为手工研具和机械研具。

1）按研具工作表面形状分为研磨平板、研磨尺、研磨盘、研磨棒、研磨套和研磨环等；

2）按用途分为平面研磨工具，外圆、内孔、锥面、球面、螺纹、齿轮等研磨工具。零件外圆或内孔研磨时，分别用机床夹持零件或研磨棒，使之按一定转速回转，然后用手握住研磨套或零件，涂上研磨膏使磨粒随研磨具作往复和回转运动进行研磨切削。配合件配合面磨损、腐蚀用研磨进行修复时则采用配合面上涂研磨膏使之相对运动相互研磨，即互研。

研磨工具材料一般有：灰铸铁、低碳钢、铜、铝、木材和皮革等。

2 船机零件的研磨修复柴油机的进、排气阀和燃油系统的精密偶件的配合面等可以研磨修复。

2.1 平面研磨修复机械零件工作表面或其它配合面为平面的配合件，当平面发生磨损或腐蚀时，如果零件尺寸较小和研磨要求不太高，可以在精度高的研磨平板上手工研磨修复。

研磨前，先将零件加工表面和平板清洗干净，将研磨剂均匀涂于零件待修表面上，并放于研磨板上；研磨时，用手按住零件，沿8字形轨迹运动，使磨痕交叉以提高表面粗糙度等级；研磨一段时间后，将零件转动一定角度再继续研磨。研磨时根据腐蚀、磨损情况，即研磨量的大小确定研磨工序和选用研磨膏。当研磨量大，就需要先进行粗研、再精研。互研时只需加润滑油而不需研磨膏。2.2 锥面研磨修复喷油器针阀偶件的锥面配合面和进、排气阀的阀面磨损、腐蚀后，在船上条件下采用互研方法进行修复。