湿法球磨工艺参数对硅酸锆平均粒度的影响

符致兴，于 非，凌守云，张果戈，李文芳

(1.华南理工大学，广东 广州 510640)

(2.清远市金盛锆钛资源有限公司，广东 清远 511853)

湿法球磨工艺参数对硅酸锆平均粒度的影响

符致兴1，于 非1，凌守云2，张果戈1，李文芳1

(1.华南理工大学，广东 广州 510640)

(2.清远市金盛锆钛资源有限公司，广东 清远 511853)

对锆英砂湿法球磨加工中存在的问题进行了概述和分析，研究了湿法球磨中的球磨机转速、研磨时间、浆料浓度、填充率、球料比等工艺参数对硅酸锆的平均粒度的影响规律。研究结果表明，增加球磨机的转速，延长球磨时间，都会使研磨出的硅酸锆粒度变得更小，且硅酸锆平均粒度变化曲线都呈初期变化大，超过拐点后变化减缓的趋势。填充率和浆料浓度对硅酸锆平均粒度的影响类似，随着填充率或浆料浓度的不断增加，研磨出来的硅酸锆粒度越小，但总体上下降幅度不大，其变化幅度的差别主要来自于罐中水和空气的比例不同。球料比对硅酸锆的平均粒度影响显著，当球料比在2∶1到6∶1的范围内变化时，随着球料比增大，研磨出来的硅酸锆的平均粒度由6.55 μm下降到1.82 μm。

锆英砂;硅酸锆;湿法球磨;粒度

0 引言

硅酸锆是锆英砂经过超细粉磨工艺加工而成的超细粉体。我国硅酸锆的生产和应用始于19世纪80年代末90年代初［1］，最主要的应用是作为制作陶瓷乳白釉的乳浊剂，用于日用陶瓷、建筑陶瓷以及卫生陶瓷的釉面上［2－3］。根据硅酸锆乳浊作用的机理，硅酸锆的乳浊效果与硅酸锆的粒度有关。当硅酸锆的粒径在可见光的波长范围附近，乳浊效果最佳［4－5］。

超细硅酸锆粉末的生产可以分为干法和湿法两种。干法生产投资较少，工艺路线简单、流程短、运行费用低，但粉尘和噪声较大，且设备装机容量大，容易受供电条件的影响，生产过程中产品质量控制难度较大，因而此种方法在国内较少采用［6］。湿法工艺是将锆英砂与水、助磨剂、研磨介质按一定比例加入球磨机，随着磨筒的转动，处于研磨介质之间的锆英砂受冲击、研磨和剪切等作用而被粉碎制备成硅酸锆粉末。湿法生产投资相对较大，厂区占地面积大，但生产过程中产品质量如颗粒细度、杂质含量等容易控制，产品稳定性较好，而且针对不同陶瓷企业的要求容易进行微调，因而在国内占主流［7］。

硅酸锆生产过程中，要将电能首先转换为机械能再进而转化为破碎功。在电能转化为机械能的过程中，球磨机的有效转化率一般仅在30%～40%，大多数能量被用于自身消耗［8］。因此，优化加工工艺，更有效地降低产品粒径，降低加工能耗，是硅酸锆生产企业目前迫切需要解决的问题，同时也是硅酸锆下一步发展的趋势之一［9］。本研究在实验室条件下，探索湿法球磨加工中工艺参数对硅酸锆平均粒度的影响规律，旨在为实际生产提供依据和指导。

1 实验

原料采用澳大利亚ILUKA公司生产的优级锆英砂，化学成分见表1。研磨介质采用高铝球(直径为2 mm，w(Al2O3)≥92%，w(SiO2)≤6.5%，密度≥3.60 g/cm3，莫氏硬度≥9，当量磨耗≤0.15‰)，球磨机采用南京科析实验仪器研究所的XQM-2L变频行星式球磨机，粒度测试采用欧美克LS-POP(6)型激光粒度仪。基础球磨工艺参数:填充比为2∶3，浆料浓度为2/3，球料比为2∶1，研磨时间为30 min，球磨机转速为400 r/min。在上述工艺的基础上，改变其中一个参数，包括转速、研磨时间、浆料浓度、填充率、球料比等，进行研磨实验，然后对所得硅酸锆的平均粒径进行测试。

表1 锆英砂化学成分(w/%)Table 1 Chemical composition of zircon sand

2 结果与分析

2.1 球磨机转速对硅酸锆平均粒度的影响

在研磨过程中，增加球磨机转速，磨球跟锆英砂之间的碰撞会更加的强烈，使硅酸锆粒度加速变小。固定球磨时间为30 min，当球磨机转速分别为200、250、300、400、500、600 r/min时，得到的球磨机转速与硅酸锆平均粒度的关系图，见图1。

图1 球磨机转速对硅酸锆平均粒度的影响Fig.1 Influence of milling speed on the average particle size of zirconium silicate

从图1可以看出，随着球磨机转速的增加，硅酸锆的平均粒度不断降低。当球磨机转速在200 r/min到300 r/min之间时，粒度降低的幅度随转速变化较大，当转速高于300 r/min时，粒度的降低速度逐渐缓慢，不断提高转速，锆英砂虽然会被研磨的更细，但单位产量能量消耗也随之增加。

2.2 研磨时间对硅酸锆平均粒度的影响

在研磨过程中，增加研磨时间，在磨球反复的研磨作用下，锆英砂就会被研磨的更细。在球磨机转速为400 r/min条件下，以不同时间研磨后的硅酸锆平均粒度分布如图2所示。

图2 研磨时间对硅酸锆平均粒度的影响Fig.2 Influence of grinding time on average particle size of Zirconium silicate

由图2可以看出，随着研磨时间的增加，硅酸锆平均粒度不断降低，而当研磨时间超过10 min以后，粒度曲线基本趋于平直，说明在实验条件下，当研磨时间超过10 min以后，随着研磨时间的增加，粒度减小的速度已非常缓慢。

2.3 填充率对硅酸锆平均粒度的影响

在硅酸锆湿法球磨工艺中，填充率不仅影响到产品粒度，也会影响到研磨生产效率。如果能够在比较大的填充率下得到较好的产品粒度，可以提高企业的生产效率，降低生产成本，使企业获得更高的利润。

选球料比为2∶1，浆料浓度为2/3，其中水、物料及高铝球的质量比为3∶2∶4，研磨时间为30 min，转速为400 r/min。在此条件下，选取1/6、2/6、3/6、4/6四个填充率作为实验变量，实验结果见图3。

图3 填充率对硅酸锆平均粒度的影响Fig.3 Influence of fill rate on the average particle size of zirconium silicate

由图3可见，填充率越大，研磨出来的硅酸锆的平均粒度越小。其原因可能是随着填充率的增加，磨球与硅酸锆之间在有效空间内碰撞的机会变多，致使硅酸锆的粒度变小。但粒度减小的总体幅度不大，所以在实际生产中，选择填充率时考虑更多的是其对能耗、效率以及罐体内压力的影响。

2.4 浆料浓度对硅酸锆平均粒度的影响

选取球料比为2∶1，研磨时间为30 min，转速为400 r/min，填充率为2/3，在浆料浓度为1/2、2/3、3/4、4/5的条件下进行研磨实验，研究浆料浓度对硅酸锆平均粒度的影响，结果见图4。

图4 不同浆料浓度对硅酸锆平均粒度的影响Fig.4 Influence of different concentrations of the slurry on average particle size of zirconium silicate

由图4可见，随着浆料浓度的增大，研磨出来的硅酸锆平均粒度也逐渐变小。这是由于浆料中各物质之间的碰撞强烈程度与浆料浓度密切相关，当浆料的浓度增大时，浆料内悬浮物之间的距离减小，物质之间的相互碰撞更加频繁;当浆料的浓度减小时，浆料内悬浮物之间的距离增大，相互之间碰撞的几率减少，而且强度也会因此而减弱。桨料浓度对硅酸锆平均粒度的影响规律与填充率的影响规律类似，原因是相对于磨球和锆英砂而言，水和空气都属于环境介质，其变化幅度的差别主要来自于罐中水和空气的比例不同。

2.5 球料比对硅酸锆平均粒度的影响

选取研磨时间为30 min，转速为400 r/min，填充比为2∶3，浆料浓度为2/3，在球料比分别为2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1 条件下球磨后的锆英砂粒度分布结果见图5。

图5 球料比对硅酸锆平均粒度的影响Fig.5 Influence of different ball feed ratio on the average particle size of zirconium silicate

由图5可见，在实验范围内，随着球料比增大，研磨出来的硅酸锆的平均粒度几乎呈线性下降。但在实际生产中，如果球料比过大，会增加磨球之间以及磨球和球磨罐壁之间冲击摩擦的无用损失功，不但会使功耗增加，产量降低，而且还会加剧球磨磨罐壁的磨损;若球料比过小，磨球与物料的碰撞几率降低，冲击磨碎的效果就会相对减弱。只有选择合适的球料比，才能够充分发挥磨球的冲击研磨作用，从而提高球磨机的工作能效率。因此实际生产中，在产品质量达标的前提下，选用尽量低的球料比，可以使产量最大化。

3 结论

(1)增加球磨机的转速，延长研磨时间，都会使硅酸锆的平均粒度变得更小，硅酸锆平均粒度随球磨机转速的变化曲线及硅酸锆平均粒度随研磨时间的变化曲线都呈初期变化较大，超过拐点后变化减缓的现象。

(2)填充率和浆料浓度对硅酸锆平均粒度的影响类似，随着填充率或浆料浓度的不断增加，硅酸锆的平均粒度都趋于变小，但变化幅度不大，其变化幅度的差别主要来自于罐中水和空气的比例不同。

(3)增大球料比能显著降低硅酸锆的粒度，当球料比从2∶1增加到6∶1时，硅酸锆的平均粒度由6.55 μm 下降到 1.82 μm。

［1］郝小勇，熊炳昆.我国国产锆英砂现状［J］.陶瓷，2010(2):7－10

［2］陈亦可，杨少明，王明忠，等.陶瓷乳浊剂硅酸锆的研制［J］.中国陶瓷，1996(1):22－24.

［3］郝小勇.陶瓷用硅酸锆［J］.陶瓷，2009(1):37－42.

［4］陈志强，苏宪君，王芸.超细硅酸锆粒度及纯度对陶瓷釉乳浊性能的影响［J］.中国粉体技术，1999(5):38－39.

［5］苏宪君.硅酸锆质晕对乳浊釉性能的影响［J］.陶瓷，2002(6):21－22.

［6］邹武装，王向东，陈潮钿，等.锆·铪手册［M］.北京:化学工业出版社，2012.

［7］熊炳昆.锆铪及其化合物应用［M］.北京:冶金工业出版社，2002.

［8］韩晖，蒋学鑫，苏宪君，等.超细硅酸锆磨矿工艺优化与节能［J］.中国粉体技术，2010(10):79－82.

［9］郭建斌.硅酸锆超细磨矿试验研究［J］.矿业快报，2003(6):14－15.

Influence of Wet Milling Process Parameters on the Zirconium Silicate Average Particle Size

Fu Zhixing1，Yu Fei1，Ling Shouyun2，Zhang Guoge1，Li Wenfang1
(1.South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)
(2.QingyuanJinsheng Zr＆Ti Resources Co.，Ltd.，Qingyuan 511853，China)

The problems which existed during the wet ball milling process of zircon sand were summarized and analyzed，and the influences of wet milling process speed，grinding time，slurry concentration，filling rate，ball feed ratio on the average particle size of zirconium silicate were also studied.The results show that increasing the speed of the ball mill and extending the grinding time will lead the granularity of zirconium silicate which is in the polishing smaller.But the high speed and the long time will lead income into a declining trend when the granularity of zirconium silicate is in the thinning process.Fill rate and slurry concentration have a similar impact on the average particle size of zirconium silicate，with the increasing of fill rate or slurry concentration，the grinding-out of zirconium silicate particle size is smaller，but the overall decline is not great，the difference of rangeability mainly comes from the different proportion of water and air in the jar.The ball feed ratio has a significant impact on the average particle size of zirconium silicate.The ball feed ratio changes from 2∶1 to 6∶1 range，with the ball feed ratio becomes large，the grinding-out of the average zirconium silicate particle size becomes smaller.

zircon sand;zirconium silicate;wet milling proces;granularity

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.02.013

2013－11－13

于非(1971—)，男，助理研究员。