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研磨介质对磨效的影响因素
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1前言
自1948年美国杜邦公司发明立式砂磨机以来，其结构几经革新，应用范围不断扩大。用砂磨机把颜料分散于漆料之中始于1952年。据了解，在我国涂料行业的粉碎设备中，砂磨机占50%左右，约有70-80%的涂料产品是由砂磨机完成的。
一个研磨体系，主要由几何参数、物料参数、研磨介质参数和过程参数等因素构成。其中研磨介质参数，如研磨介质的比重、球形度、光洁度、机械强度、耐磨性、化学稳定性、直径、均匀性、填充率等因素对研磨效果影响甚大。研磨介质是砂磨机不可分割的配套材料，本文将对其进行探讨，旨在使砂磨机发挥更大的作用。
2研磨机的工作机理
2． 1磨机理
将均匀的颜料-漆料混合浆泵送入砂磨机，与正在机中受搅拌而激烈运动的研磨介质混合。研磨介质及物料间的作用是由高速旋转的叶片产生的，靠近叶片表面的研磨介质和漆浆受粘度阻力而随叶片运动，被离心力抛向砂磨机筒壁，形成双环形滚动的湍流，见图1。研磨介质间剧烈的运动产生剪切、挤压和摩擦力，使介质间的物料粒子受力变形并产生应力场。当应力达到颗粒的屈服或断裂极限时，便产生塑性变形或破碎。未被粉碎的颗粒受离心力作用被甩向砂磨机筒壁，此区研磨介质密度最大，从而强化了粉碎作用。粉碎后的微小颗粒经分离器与研磨介质分离后流出砂磨机。
图1砂磨机工作原理
2． 2磨机的能量分布
砂磨机是通过研磨介质传递能量而达到粉碎目的的，其他条件恒定，能量分布与粒子粒径分布有密切关系，见图2。研磨介质主要集中在筒壁附近，这里的能量密度较大，因此，对于立式砂磨机，从下到上形成了环状的高能密度的研磨有效区，见图3。在研磨介质的选择上，应尽可能使磨室内有均匀的能量密度，使产品粒度分布均匀。
图2能量分布与粒径的关系
图3能量密度沿磨室截面分布
3研磨介质对研磨效果的影响因素
3． 1研磨介质比重
研磨介质不同，其比重差异较大。从粉碎角度看，似乎大比重研磨介质对提高磨效有利，实际并非如此。目前工业上使用的研磨介质，其比重在2.2-14这样的大范围内，选择合适比重的研磨介质对提高磨效有一定的积极作用。
比重大，消耗的能量也大，研磨介质间的机械能转化为大量的热能使浆料温度升高，从而加剧了微粒子的布郎运动，造成已磨碎的颗粒重新凝聚，使磨效降低。此外，比重大的研磨介质造成砂磨机的径向和轴向能量密度严重不均，也影响产品质量。依笔者经验，一般物料选用比重为2.3-2.8的玻璃珠或陶瓷珠即可。当然，分散和粉碎粘度大的硬质物料，尚需用钢珠（比重7.8）。
3． 2研磨介质球形度
球形研磨介质在随叶片公转的同时，还有本身的自转，其总的动能为：
T=1/2MV2+1/2Jω2
式中：T——研磨介质总动能；
M——研磨介质的质量；
V——研磨介质的运动速度；
J——转动惯量；
ω——平面运动研磨介质的角速度。
式中的1/2Jω2是研磨介质自转产生的附加能，由此产生对粒子的剪切和摩擦的粉碎作用。显然，自转角速度ω越大，产生的附加能也越大，当球体不均匀时，自转运动受阻，降低了附加能，不利于研磨。
3．3表面光洁度
研磨介质与浆料混合装入研磨室，在研磨粉碎物料的同时，介质也会有一定的磨耗，磨耗的材料进入浆料后，用通常的方法很难分离，影响产品质量，甚至改变漆料的色泽，这是生产者所不希望的。对于同一种材料，磨耗率与研磨介质表面光洁度成正比，所以要求研磨介质表面光滑，以减少磨耗率。
3．4机械强度
研磨介质的机械强度主要指正常工作情况下的抗弯、抗压、抗冲击强度。对于金属类研磨介质一般无大问题，而对非金属类研磨介质，要达到这些指标并不容易。其综合要求是在正确使用条件下基本不产生破碎。
4． 5耐磨性
耐磨性是衡量研磨介质质量的重要条件。不耐磨的介质因磨耗而需经常进行补充，不仅增加成本，而且影响正常生产。磨耗的介质材料还会影响产品质量，同时，对机械零件，如叶片、筒体、送料泵及密封都带来危害，在选材时应特别注意。在陶瓷珠与玻璃珠的对比试验中，以研磨中黄醇酸浆料为例，玻璃珠在100h内磨损为零，而陶瓷珠磨损率为1.8%。最近深圳生产一种ZrO2研磨介质，磨损率减少至1/100000，是较理想的研磨材料。
4． 6研磨介质直径
研磨介质间的接触产生粉碎物料的机械力，在两研磨介质接触后形成一个区域，物料只有在这一区域的包容下才有可能粉碎，其体积为：
Va=2πr2(R+1/3r)
式中：Va——研磨有效区域；
R——研磨介质半径；
r——物料半径。
就单位体积而言，小研磨介质比大介质这一区域增大约1/R2。假设随机堆积因数φ=0.639，每个研磨介质约有4.6个接触点。在25.4mm3（1.0in3）的体积中，研磨介质直径为3.175mm（1/8in）有2900个接触点，而直径为0.794mm(1/32in)有180000个接触点，即小研磨介质直径是大研磨介质直径的1/4时，接触点增大约62倍，这是小介质提高磨效的主要原因，生产的实际情况也遵循这一规律。
从图4不难看出，要求粒度越细，研磨介质直径对磨效的影响愈显著。从6μm研磨曲线可以看到，研磨介质超过1mm后，研磨效率几乎直线下降。但直径过小也会因产生的剪切、摩擦力小而降低磨效，有人用0.2mm的最小研磨介质作试验，发现粉碎速度反而降低。Stehr最近进行试验，先用1.0-1.4mm的玻璃珠进行粗粉碎，然后改用细珠，粉碎时间可大大缩短。
5． 7介质均匀度
关于研磨介质均匀度研究者结论不一，一种说法认为研磨介质直径应一致。从动力学的角度看，当介质直径一致时，体积相同，则质量相等，即m1=m2 ，在运动中可获得相同的动量m1v1=m2v2；m1>m2时，m1v1>m2v2，两球相撞时大球将小球撞开，造成大球追小球的情况，磨效会降低。
另一种说法与前面的结论恰好相反。从几何学的角度考虑，认为不同直径研磨介质混装，小介质填充了大介质的空隙位置，增多了介质的接触点，因而可提高磨效。据介绍，德国DRAIS公司赞同不同直径研磨介质混装，可能就是出于这一原因。至于哪种说法正确，笔者未加验证，但如果不同粒径研磨介质有足够的机械强度，不使其磨损或碎裂，混装效果可能更好些。
5． 8介质填充率
研磨介质填充率与磨效关系甚大，见图5。填充率必须有一定的范围，填充率过高，加速设备磨损，过低则达不到粉碎目的。填充率还与浆料的粘度有关，研磨介质的填充率一般为50-80%为宜。
图5介质填充率与磨效的关系
6． 9化学稳定性
要求研磨介质对物料应有一定的化学稳定性，防止研磨过程中介质与物料间发生化学反应，造成产品污染和加速介质磨损，一般非金属介质优于金属介质。研磨介质的pH值应尽可能接近中性。
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