超细石英砂粉体的机械球磨工艺优化研究

宋杰光 王芳 吴世斌 刘银银 马永红 王伟元苏明霞 黄浩 刘荣进

(1.九江学院机械与材料工程学院九江市绿色再制造重点实验室，江西九江332005，2.桂林理工大学材料科学与工程学院有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室，广西桂林541004)

0 引言

在当今工业原料需求量大大增加的时期里，各种能够被利用的高品位天然或合成的矿物原料都被广泛的利用于工业生产，高品位石英砂就是其中一种[1]。随着科技的进步和高品位天然资源的消耗，不少新兴产业随之产生，在这些产业中，绝大部分是利用工业废料或低品位原料制备高性价比的“绿色”产品[2]。部分石英砂被用于房屋建筑的混合砂浆原料，使得石英砂的性价比值较低，几乎很难体现它的经济价值[3]。

近年来，由于全国范围建筑业的大发展，出现了粗制滥造的不良倾向。最近国家质量技术监督局对建筑材料质量进行监督抽查发现，相当一部分存在质量问题，很难达到国家标准或国际标准[4]。随着城市建设的推进，国内外墙体材料工业也得到迅猛发展，烧结粘土砖消耗了大量的土地（粘土）资源，我国将节约土地（粘土）资源提上了日程，于是国内纷纷出现各种各样的非粘土烧结砖或粘土烧结空心砖，以便达到节约土地（粘土）资源的目的[5-6]。工业发达国家新型墙体材料已占整个墙体材料的60%～90%，新建住宅80%～100%采用高效保温材料，目前，发达国家墙体材料的发展方向主要反映在耐久、节能和功能三大方面，并注重墙体材料生产资源的开发研究[7]。

近年来水土流失加剧，连续发生特大洪水造成大量泥沙淤积在长江中下游航道，严重影响航行，显然航道整治离不开河道采砂。只要选址得当，开采适量，在保证河势稳定的前提下利用长江沿岸低品位石英砂作为原料生产高质量的新型建筑材料可以获得可观的经济效益[8]。利用长江沿岸低品位石英砂开发研制新型保温隔热砖，必须控制其内部显微结构。本文研究了球磨参数对低品位石英砂粒度的影响，为得到高性能的保温隔热砖奠定原料基础。

1 实验方法及设备

图1 球磨时间对石英砂粒径的影响Fig.1 Effect of ball milling time on grain size of quartz sand

图2 球磨时间对石英砂粒度显微结构的影响Fig.2 Effect of the ball milling time on the particle size distribution and microstructure of quartz sand powder(a-quartz sand;b-25min;c-60min;d-120min;e-180min)

图3 转速对石英砂粒径的影响Fig.3 Effect of ball milling speed on grain size of quartz sand

将来至长江沿岸的低品位石英砂在太阳下晒干，首先对低品位石英砂原料进行粗选，然后用50目筛进行筛选，将河砂中颗粒尺寸较大的颗粒矿物去除，避免影响球磨。最后放入QM-BP型行星式球磨机球磨罐中，在一定条件下球磨后，取出石英砂粉体备用，用BT-9300H型粒度分析仪对球磨后的石英砂进行粒度分析，用捷克TESCAN VEGAⅡ型扫描电镜观察其形貌。

2 结果与讨论

1.1 球磨时间对石英砂粒度的影响

球磨罐中装料量为200g/L低品位石英砂，在球磨机转速为300r/min，大小球质量比值为0.75的条件下，球磨一定时间取样并对其进行粒度分析，结果如图1所示。从图可以看出，随着时间的延长，石英砂的平均粒径逐渐减少。球磨时间60min以前，球磨使得平均粒径减小幅度较大，而球磨时间大于60min后，石英砂平均粒径减小幅度较小，基本趋于平缓趋势。因为石英砂颗粒在球磨初始由于粒径较大，在球磨机的作用下被冲击的概率较大而被粉碎，随着球磨时间延长石英砂颗粒减小到一定程度，使得其在大小球的间隙中不受到冲击而使粒径减小速度变缓[9]，从图2中也可以看出。所以，当其他参数不变的情况下，随着球磨时间的延长，石英砂粒径减小。综合性能和能耗之间整个工艺考虑，球磨时间定为60min较好。

2.2 球磨强度对石英砂粒度的影响

在球磨罐中装料量为200g/L低品位石英砂，大小球质量比值为0.75，球磨转速不同的条件下，球磨60min后，取样进行粒度分析，结果如图3所示。从图可知：随着球磨转速的增加，石英砂的平均粒径逐渐减小。由于球磨转速的不断增加，球磨介质对石英砂的冲击次数和研磨作用力相对增加，从而增强了球磨机对矿物的球磨效果[10]，使得石英砂的粒径逐渐减小。所以，在其他参数不变的情况下，随着球磨转速的增加，石英砂粒径逐渐减小,从图4也可以应证。球磨转速为300r/min时，球磨效果较好，此时石英砂平均粒径为12.54μm。

图4 球磨转速对石英砂粉体粒度分布及显微形貌的影响Fig.4 Effect of the ball milling speed on the particle size distribution and microstructure of quartz sand powder（a-200r/min,b-250r/min,c-300r/min)

图5 装料量对石英砂粒径的影响Fig.5 Effect of the milling charge on grain size of quartz sand

图6 球磨装料量对石英砂粒度的影响Fig.6 Effect of the milling charge on the particle size distribution and microstructure of quartz sand powder（a-100g/L,b-200g/L,c-300g/L）

2.3 球磨装料量对石英砂粒度的影响

在球磨转速为300r/min，大小球质量比值为0.75，球磨机装料量不同的情况下，球磨60min，取样并进行粒度分析，结果如图5所示。从图得到：随着球磨机装料量的增多，石英砂平均粒径逐渐变大。因为装料量增加，球磨介质不变，球料比减小，球磨介质对石英砂的冲击次数和研磨作用减弱[11]，使得石英砂的平均粒径增大，即球磨效果变差。所以，当其他参数不变的情况下，随着球磨机装料量的增加，石英砂的平均粒径增加,从图6中也得以证明。综合考虑，认为球磨装料量为200g/L较为合适。

2.4 大小球质量比值对球磨石英砂粒度的影响

在球磨转速为300r/min，球磨机装料量分别为200g/L，大球为Φ10mm，小球为Φ5mm，大小球质量比值不同的情况下，球磨60min，取样并进行粒度分析，结果如图7所示。由图可以看出，随着大小球质量比值的增加，石英砂平均粒径逐渐增加。因为大小球质量比值的增加，增大了大球的数量，在球体撞击时，形成较多较大的空隙，对球磨细颗粒无疑是不利的。大小球质量比值的减小，变相地减少了大球的数量，这对于球磨粗颗粒是不利的[12]，因此，大小球的质量比值要适当。所以，在其他参数不变的情况下，随着球比的增加，石英砂粒径逐渐增加。综合考虑，大小球质量比值为0.75较好。

图7 球比对石英砂粒径的影响Fig.7 Effect of the grinding media ratio on grain size of quartz sand

图8为球磨前后的石英砂粉体扫描电镜照片，从图片中可以看到，石英砂原料颗粒粗大，石英砂松散堆积；而球磨后的石英砂成粉状，不如石英砂原料那样松散堆积，而是由于颗粒细小相互之间吸附团聚，使石英砂粉体形状各异，大小颗粒都有，这样多样性的颗粒有利于保温隔热砖坯体的成型。

3 结论

原料石英砂通过分组后的球磨，取样并进行粒度分析得到实验结果，对其进行分析讨论后，得到以下结论：

(1)随着球磨时间的延长，石英砂粒径减小。随着球磨转速的增加，石英砂粒径逐渐减小。随着球磨机装料量的增加，石英砂的粒径增加。随着大小球比的增加，石英砂粒径逐渐增加。

(2)球磨工艺为：球磨时间为60min，球磨转速为300r/min，球磨机装料量为200g/L，大小球质量比值为0.75。

图8 石英砂粉体扫描电镜照片Fig.8 SEM micrographs of the quartz sand powder

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