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研磨介質對磨效的影響因素
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1前言
自1948年美國杜邦公司發(fā)明立式砂磨機以來，其結構幾經革新，應用范圍不斷擴大。用砂磨機把顏料分散于漆料之中始于1952年。據了解，在我國涂料行業(yè)的粉碎設備中，砂磨機占50%左右，約有70-80%的涂料產品是由砂磨機完成的。
一個研磨體系，主要由幾何參數(shù)、物料參數(shù)、研磨介質參數(shù)和過程參數(shù)等因素構成。其中研磨介質參數(shù)，如研磨介質的比重、球形度、光潔度、機械強度、耐磨性、化學穩(wěn)定性、直徑、均勻性、填充率等因素對研磨效果影響甚大。研磨介質是砂磨機不可分割的配套材料，本文將對其進行探討，旨在使砂磨機發(fā)揮更大的作用。
2研磨機的工作機理
2． 1磨機理
將均勻的顏料-漆料混合漿泵送入砂磨機，與正在機中受攪拌而激烈運動的研磨介質混合。研磨介質及物料間的作用是由高速旋轉的葉片產生的，靠近葉片表面的研磨介質和漆漿受粘度阻力而隨葉片運動，被離心力拋向砂磨機筒壁，形成雙環(huán)形滾動的湍流，見圖1。研磨介質間劇烈的運動產生剪切、擠壓和摩擦力，使介質間的物料粒子受力變形并產生應力場。當應力達到顆粒的屈服或斷裂極限時，便產生塑性變形或破碎。未被粉碎的顆粒受離心力作用被甩向砂磨機筒壁，此區(qū)研磨介質密度較大，從而強化了粉碎作用。粉碎后的微小顆粒經分離器與研磨介質分離后流出砂磨機。
圖1砂磨機工作原理
2． 2磨機的能量分布
砂磨機是通過研磨介質傳遞能量而達到粉碎目的的，其他條件恒定，能量分布與粒子粒徑分布有密切關系，見圖2。研磨介質主要集中在筒壁附近，這里的能量密度較大，因此，對于立式砂磨機，從下到上形成了環(huán)狀的高能密度的研磨有效區(qū)，見圖3。在研磨介質的選擇上，應盡可能使磨室內有均勻的能量密度，使產品粒度分布均勻。
圖2能量分布與粒徑的關系
圖3能量密度沿磨室截面分布
3研磨介質對研磨效果的影響因素
3． 1研磨介質比重
研磨介質不同，其比重差異較大。從粉碎角度看，似乎大比重研磨介質對提高磨效有利，實際并非如此。目前工業(yè)上使用的研磨介質，其比重在2.2-14這樣的大范圍內，選擇合適比重的研磨介質對提高磨效有一定的積極作用。
比重大，消耗的能量也大，研磨介質間的機械能轉化為大量的熱能使?jié){料溫度升高，從而加劇了微粒子的布郎運動，造成已磨碎的顆粒重新凝聚，使磨效降低。此外，比重大的研磨介質造成砂磨機的徑向和軸向能量密度嚴重不均，也影響產品質量。依筆者經驗，一般物料選用比重為2.3-2.8的玻璃珠或陶瓷珠即可。當然，分散和粉碎粘度大的硬質物料，尚需用鋼珠（比重7.8）。
3． 2研磨介質球形度
球形研磨介質在隨葉片公轉的同時，還有本身的自轉，其總的動能為：
T=1/2MV2+1/2Jω2
式中：T——研磨介質總動能；
M——研磨介質的質量；
V——研磨介質的運動速度；
J——轉動慣量；
ω——平面運動研磨介質的角速度。
式中的1/2Jω2是研磨介質自轉產生的附加能，由此產生對粒子的剪切和摩擦的粉碎作用。顯然，自轉角速度ω越大，產生的附加能也越大，當球體不均勻時，自轉運動受阻，降低了附加能，不利于研磨。
3．3表面光潔度
研磨介質與漿料混合裝入研磨室，在研磨粉碎物料的同時，介質也會有一定的磨耗，磨耗的材料進入漿料后，用通常的方法很難分離，影響產品質量，甚至改變漆料的色澤，這是生產者所不希望的。對于同一種材料，磨耗率與研磨介質表面光潔度成正比，所以要求研磨介質表面光滑，以減少磨耗率。
3．4機械強度
研磨介質的機械強度主要指正常工作情況下的抗彎、抗壓、抗沖擊強度。對于金屬類研磨介質一般無大問題，而對非金屬類研磨介質，要達到這些指標并不容易。其綜合要求是在正確使用條件下基本不產生破碎。
4． 5耐磨性
耐磨性是衡量研磨介質質量的重要條件。不耐磨的介質因磨耗而需經常進行補充，不僅增加成本，而且影響正常生產。磨耗的介質材料還會影響產品質量，同時，對機械零件，如葉片、筒體、送料泵及密封都帶來危害，在選材時應特別注意。在陶瓷珠與玻璃珠的對比試驗中，以研磨中黃醇酸漿料為例，玻璃珠在100h內磨損為零，而陶瓷珠磨損率為1.8%。較近深圳生產一種ZrO2研磨介質，磨損率減少至1/100000，是較理想的研磨材料。
4． 6研磨介質直徑
研磨介質間的接觸產生粉碎物料的機械力，在兩研磨介質接觸后形成一個區(qū)域，物料只有在這一區(qū)域的包容下才有可能粉碎，其體積為：
Va=2πr2(R+1/3r)
式中：Va——研磨有效區(qū)域；
R——研磨介質半徑；
r——物料半徑。
就單位體積而言，小研磨介質比大介質這一區(qū)域增大約1/R2。假設隨機堆積因數(shù)φ=0.639，每個研磨介質約有4.6個接觸點。在25.4mm3（1.0in3）的體積中，研磨介質直徑為3.175mm（1/8in）有2900個接觸點，而直徑為0.794mm(1/32in)有180000個接觸點，即小研磨介質直徑是大研磨介質直徑的1/4時，接觸點增大約62倍，這是小介質提高磨效的主要原因，生產的實際情況也遵循這一規(guī)律。
從圖4不難看出，要求粒度越細，研磨介質直徑對磨效的影響愈顯著。從6μm研磨曲線可以看到，研磨介質超過1mm后，研磨效率幾乎直線下降。但直徑過小也會因產生的剪切、摩擦力小而降低磨效，有人用0.2mm的較小研磨介質作試驗，發(fā)現(xiàn)粉碎速度反而降低。Stehr較近進行試驗，先用1.0-1.4mm的玻璃珠進行粗粉碎，然后改用細珠，粉碎時間可大大縮短。
5． 7介質均勻度
關于研磨介質均勻度研究者結論不一，一種說法認為研磨介質直徑應一致。從動力學的角度看，當介質直徑一致時，體積相同，則質量相等，即m1=m2 ，在運動中可獲得相同的動量m1v1=m2v2；m1>m2時，m1v1>m2v2，兩球相撞時大球將小球撞開，造成大球追小球的情況，磨效會降低。
另一種說法與前面的結論恰好相反。從幾何學的角度考慮，認為不同直徑研磨介質混裝，小介質填充了大介質的空隙位置，增多了介質的接觸點，因而可提高磨效。據介紹，德國DRAIS公司贊同不同直徑研磨介質混裝，可能就是出于這一原因。至于哪種說法正確，筆者未加驗證，但如果不同粒徑研磨介質有足夠的機械強度，不使其磨損或碎裂，混裝效果可能更好些。
5． 8介質填充率
研磨介質填充率與磨效關系甚大，見圖5。填充率必須有一定的范圍，填充率過高，加速設備磨損，過低則達不到粉碎目的。填充率還與漿料的粘度有關，研磨介質的填充率一般為50-80%為宜。
圖5介質填充率與磨效的關系
6． 9化學穩(wěn)定性
要求研磨介質對物料應有一定的化學穩(wěn)定性，防止研磨過程中介質與物料間發(fā)生化學反應，造成產品污染和加速介質磨損，一般非金屬介質優(yōu)于金屬介質。研磨介質的pH值應盡可能接近中性。
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