陶瓷原料球磨细碎的影响因素

蔡祖光

摘要：本文通过研究和探讨陶瓷原料的球磨细碎的影响因素，能最大限度地提高陶瓷原料的球磨细碎效率，节约能源，对提高企业的经济效益及陶瓷工业的可持续发展等具有深远而重要的意义。

关键词：陶瓷原料；球磨机；影响因素

1 前言

陶瓷原料经球磨机粉碎后，增大了陶瓷原料的接触面积，促使陶瓷原料混合更均匀，物理机械性能趋于一致，所以说球磨机是陶瓷工业原料粉碎及混合（坯料及釉料等）的重要设备。事实上，陶瓷原料的球磨细碎过程是一个复杂的物料尺寸的变化过程，它与许多因素有关，主要影响因素大致是：物料强度、硬度、韧性、形状、尺寸、湿度、温度、密度、均质性和可聚集性以及外部环境条件，如作用力的方式、物料块群在破碎瞬间作用力的大小及分布状态等。因此，积极研究和探讨陶瓷原料的球磨细碎的影响因素，能最大限度地提高陶瓷原料的球磨细碎效率，节约能源，对提高企业的经济效益及陶瓷工业的可持续发展等具有深远而重要的意义。

2 陶瓷原料球磨细碎的影响因素

理论分析及实践生产经验表明，影响陶瓷原料球磨细碎的影响因素很多，但其中最主要的因素有：

（1） 球磨机筒体的形状及其规格尺寸；

（2） 球磨机筒体的转速；

（3） 球磨机的装载量（包括：筒体的有效容积，即用于研磨物料的容积、待磨物料的容积和研磨介质的容积）；

（4） 研磨方式；

（5） 研磨体（球石）的材质、形状和规格尺寸及其级配比例；

（6） 入磨物料的粒度和易磨性等；

（7） 助磨剂；

（8） 研磨细度；

（9） 球磨机筒体内衬的材质、形状和厚度等。

2.1球磨机筒体的形状及其规格尺寸

理论上，球磨细碎陶瓷原料所需球磨机的筒体可以是任意形状的，但考虑到便于设计制造及降低生产成本等因素。因此可供陶瓷工业球磨机采用的筒体主要是圆柱筒体、圆锥筒体、圆锥—圆柱组合筒体、棱柱筒体、棱锥筒体、棱锥—棱柱组合筒体及球状筒体。同时又必须考虑到球磨机的功率消耗、装载量、物料的球磨细碎效率、筒体的强度及钢材的消耗量等因素的影响。

2.1.1球磨机的功率消耗

为了简化设计计算，可假设球磨机装载后可近似地认为是一个匀质筒体，那么球磨机筒体由静止达到额定转速旋转需克服筒体惯性（转动惯量）所消耗的功率为[1]：

N1=■·■2

式中：n—筒体的转速，r/min；

J—筒体（装载后）的转动惯量，N·m；

π—圆周率，常取π=3.1416；

t—球磨机的起动时间，即球磨机装载后，筒体由静止达到额定转速旋转所需要的时间，通常由实验确定。

由于球磨机的主要结构及规格尺寸（如：装载量、转速等）选定后，球磨机的起动时间基本上是一个常数。由此可见，欲降低球磨机的功率消耗，唯一的途径就是减少筒体的转动惯量，而转动惯量是几何体的固有特性，我们知道在所有的几何体中，以匀质球体绕其球心线的转动惯量为最小。根据材料力学的相关知识可以求得直径为D、重为G的匀质球体绕其球心线的转动惯量J1=■·■·■2（g—重力加速度，常取g =9.81m2/s），而在相同条件下，即直径为D、重为G的匀质圆柱体绕其轴心线的转动惯量J2=■·■·■2。因此，当其他条件相同时，若采用球状筒体球磨机，它与圆柱状筒体球磨机的功率消耗之比近似为■=■=80%。也就是说，球状筒体球磨机比圆柱状筒体球磨机约节能20%。

2.1.2球磨机筒体的强度

球磨机正常工作时，通常可近似认为球磨机筒体是一个承受内压力作用的薄壁筒体。圆柱筒体的受力分析如图1所示.圆柱筒体的轴向拉应力σ2通过静力平衡原理得：σ2·π·D1·t1=■，得：σ2=■

圆柱筒体的径向拉应力σ1通过静力平衡原理得：

2·L·t1·σ1=■p·L·■·sin?准·d?准

求得：σ1=■

同时考虑到球磨机筒体所承受的内压均布载荷p与轴向拉应力σ2及径向拉应力σ1相比极小，为了简化设计计算，我们可近似地认为球磨机筒体处于两向应力状态。考虑到球磨机筒体通常是由塑性较好的碳素结构钢板（如：Q235A钢板）或优质碳素结构钢板（如：20钢板）滚弯成形及焊接等制成的薄壁筒体，因此，我们可采用第四强度理论进行设计计算或强度校核。

即：σxd1=■

将σ1=■，σ2=■及σ3=0代入上式后得：

σxd1=■

球状筒体的受力分析如图2所示，由球状筒体的对称性可知，球状筒体的轴向拉应力σ2与径向拉应力σ1相等，并且σ1=σ2=σ，由静力平衡原理得：

σ·π·D2·t2=■，即：σ=■

同理，与圆柱状筒体一样，球状筒体也可近似地认为处于两向应力状态，同样球状筒体也是由塑性较好的碳素结构钢板或优质碳素结构钢板冲压成形及焊接等制成的薄壁筒体，仍然可以采用第四强度理论进行设计计算或强度校核。

将σ1=σ2=σ=■及σ3=0代入第四强度理论的表达式后得：

σxd2= ■=■

若要使圆柱状筒体与球状筒体具有相同的机械强度，即σxd1=σxd2，D1=D2，也就是说：

■=■，求得:t1=■·t2

由此可见，当其它条件相同时，欲使圆柱状筒体与球状筒体具有相同的机械强度，那么圆柱状筒体的壁厚应是球状筒体壁厚的■倍。若它们采用相同壁厚的筒体材料，那么球状筒体球磨机的装载量应是圆柱状筒体球磨机装载量的■倍，也就是说在相同的条件下，球状筒体的机械强度是圆柱状筒体机械强度的■倍。

2.1.3球磨机筒体的钢材消耗

在筒体材料消耗量相同的条件下，为了获得较大的筒体有效容积（装载量）及较低的单位产量功率消耗，陶瓷工业球磨机通常采用净空长度L与净空直径D1之比略大于1的圆柱筒体。为了描述方便，笔者选取L= D1，那么圆柱筒体的表面积A1为：

A1=2π·■2+π·D1·L=■·π·D12，圆柱筒体的容积V1为：V1=π·■2·L=■·π·D13

同样，采用净空直径D2的球状筒体球磨机，其表面积A2为：

A2=4π·■2=π·D22，其容积V2为：

V2=■·π·■3=■·π·D23

当它们装载量相同时，即：V1=V2，即：■·π·D13=■·π·D23，求得：D1=■·D2，因此，■=■·■2=■■2=■≈1.15

由此可见，当球磨机的装载量相同时，圆柱筒体球磨机比球状筒体球磨机的钢材消耗约多15%。

2.1.4球磨机筒体的装载量

若圆柱筒体球磨机与球状筒体球磨机的钢材消耗量相同，即A1= A2 ，也就是说：■·π·D12=π·D22，求得：D1=■·D2。因此，■=■·■3=■■3=■≈0.8165

由此可见，当球磨机筒体的钢材消耗相同时，圆柱筒体球磨机是球状筒体球磨机的装载量0.8165倍，约少18.35%。

2.1.5球磨机筒体对物料的球磨细碎及搅拌混合作用

选用球磨机的目的是使其球磨细碎陶瓷原料，并使之搅拌混合均匀。因而不管选用什么形状筒体的球磨机，其关键是在功率消耗一定的范围内，看它能否最大限度地球磨细碎陶瓷原料并使之搅拌混合更均匀。由于球状筒体的特殊性，促使球状筒体内的陶瓷原料、研磨体（球石）产生剧烈的三维运动，迫使陶瓷原料与研磨体、陶瓷原料与陶瓷原料之间产生剧烈地冲击碰撞、挤压及研磨等作用。由此可见，球状筒体球磨机较其它形状筒体球磨机更利于陶瓷原料的球磨细碎及搅拌混合更均匀，更易于获得物理化学性能趋于均匀一致的陶瓷浆料或釉料，有利于获得高质量的陶瓷制品。