浅谈影响球磨效率的因素
檀瑞超
摘 要：传统的陶瓷生产中，球磨机内衬和研磨介质一般采用天然的隧石衬和鹅卵石球，球磨时间长、球磨效率低，同时由于研磨介质的硬度低，会导致磨耗增加，从而影响釉面质量。据有关资料报导球磨机的耗电量约占陶瓷企业耗电总量的50% 左右，本课题从球磨机内衬和研磨体的材质、球磨机装载总量、研磨体的级配以及料浆的比重和粘度等诸多方面因素探讨对球磨效率的影响，最终确定球磨效率最优的方式，最大限度地提高陶瓷原料的球磨细碎效率，对陶瓷工业的可持续发展等具有深远而重要的意义。
关健词：球磨机；研磨介质；球磨效率
1 前言
球磨机是目前广泛采用的粉磨机械，根据生产规模及条件的不同，有种种不同规格型号的球磨机。在陶瓷行业球磨机的规格是以装载干物料的吨位计， 普遍采用湿法粉磨。到目前为止， 它是陶瓷行业唯一的湿法细磨设备， 也是耗电量最大的机械设备。据有关资料报导， 球磨机的耗电量约占陶瓷企业耗电总量的50% 左右。傳统的陶瓷生产， 球磨机内衬和研磨介质一般采用天然的隧石衬和鹅卵石球。由于天然隧石内衬较厚， 表面凸凹不平， 镶砌后灰缝较大， 天然鹅卵石球的比重和硬度较小，磨耗大， 难以达到较高的效率， 而且由于化学组分的不确定性， 其磨耗污染料浆严重影响着陶瓷产品的质量， 特别是釉面质量， 给生产的质量控制带来许多不确定的因素， 既使高档釉料也难以得到理想的釉面。本课题从球磨机内衬和研磨体的材质、球磨机装载总量、研磨体的级配以及料浆的比重和粘度等诸方面因素探讨对球磨效率的影响。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 实验
2.1 实验研究方案
2.1.1总体技术方案
通过对研磨体的运动轨迹进行分析，对同一球磨机的不同研磨介质加入量，同一研磨介质采用不同大中小比例，不同的加水量，不同的球磨机磨衬及同一电机的不同转速等因素进行对比实验，最终找出以达到同一细度及粒度、釉面正常为前提，耗电量最少的途径。
2.1.2实验工艺流程
2.1.3实验研究方法
本实验采用逐轮次改变单一因素进行对比试验的方法，试图找出影响球磨效率的影响因素并确定出各影响因素最佳的数值。通过对球磨时间、球磨细度、颗粒级配、球磨后釉浆的物理性状，烧成后的釉面效果进行系统的检测，综合比较各影响因素，最终得出球磨效率最高的各因素的组合。
2.2 实验原料及设备
2.2.1试验用原料
本实验所用的主要原料包括钾长石、钠长石、石英、氧化铝、方解石、白云石、氧化锌、熔块、煅烧高岭土及CMC添加剂等。
2.2.2试验用设备
设备清单见表1。
3 实验过程
首先将釉浆配方原料的种类及比例固定，定位生产现用的釉浆配方，具体的釉浆配方见下表2，以下的实验均是在此配方基础上进行的，若无特殊说明实验球磨机内衬均为石头质（高硅质）。
方案一，当球磨介质为鹅卵石时，改变鹅卵石在30 kg球磨机中的比例，其它外部因素保持不变，统计此时的球磨效率，具体数据见表3。
方案二，改变研磨介质的材质（用高铝质研磨介质），保持其它外部因素不变，用方案一中的研磨介质的同等比例来检验球磨材质对球磨效率的影响，具体情况见表4。
方案三，其它外部因素保持一致，取不同直径的高铝质研磨介质，以同样的总质量不同的比例加入到球磨机中，来寻求球磨效率最高的配比组合，具体情况见表5。
方案四，按方案三中研磨效率最高的研磨介质配比，单独改变配方中CMC的添加量，保持其它外部因素不变，验证CMC对研磨效率的影响，具体数据见表6。
方案五，按方案三中研磨效率最高的研磨介质配比，单独改变釉浆的浓度，保持其它外部因素一致，验证釉浆浓度的高低对釉浆研磨效率的影响，具体数据见表7。
方案六，分别将球磨机内磨衬的材质改变为高铝质、氧化锆质、玛瑙质，并用高硅质作比较例，采用上述实验中最优的球石配比，最优的浓度及CMC添加量进行装磨实验，保持其它外部因素不变，检验不同磨衬材质对球磨效率的影响，具体情况见表8。
4 实验结果讨论与分析
（1）根据实验条件可知，球磨的釉浆浓度、流动性、干燥速度等外界因素都是一致的，这就保证对实验的结果的影响只是同种材质球石的重量了。研磨体的质量从30 kg增加到60 kg，同一浓度下的研磨间由13.5 h减小到11 h，整体上缩短了磨时2.5 h，可见在这一段区间内严磨体的增加是大大提高了研磨效率，充分发挥了研磨体的碰击及摩擦的作用了。当研磨体的质量增加到75 kg时研磨时间为12 h，结果已经显示，研磨介质的继续增加没有减少磨时，反而增加了磨时，说明过多的球磨介质只是增加了介质之间的相互碰撞，降低了球磨效率，当球磨介质继续增加到90 kg时，球磨时间已经达到了19 h，但是球磨的细度为0.52%，粒度为55.6%还没有到达与上述几种情况一样细的粒度及细度，表中数据说明当加入90 kg研磨介质时，球磨机内的空间已将非常的狭小，研磨介质之间的空隙非常的多，然而研磨介质已经失去了应该发挥的碰击及摩擦的作用，从而导致研磨效率非常之底，同时还不能将釉浆完全粉碎。
（2）表4中高铝质及氧化锆质研磨介质由30 kg增加到90 kg时，纵向比较，也就是与自己本身添加的研磨介质比较，表现出来的研磨效率的趋势与表1中完全一致，研磨介质的添加量在60 kg时，研磨效率最高，同样达到10 μm下60%的粒度，鹅卵石的研磨时间为11 h，而同等质量的高铝质研磨介质及氧化锆质研磨介质的研磨时间分别为9.5 h，8 h。氧化锆质研磨介质的比重要远大于高铝质研磨体的比重，同时二者又都要远大于鹅卵石的比重，研磨介质的直径也要都小于鹅卵石，所以单位体积内介质的数目也就越多，众所周知，运动物体的动能，可表示为E=1/2mv2，在转速一定的情况下，若研磨介质尺寸相同，介质比重越大，研磨介质所获得的动能也就越大，研磨效果也就越好。如表4中的实验结果，同等质量的研磨介质最优，研磨效率为氧化锆质研磨介质大于氧化铝质研磨介质。
（3）当直径大的研磨介质所占的比例为总研磨介质的33.3%以上时，球磨体内大的研磨介质所产的空隙就会逐渐的变大，作为被研磨的主体釉浆就会最大限度的填充到这些空隙之中，使得研磨介质不能或用很低的研磨效率对他做工，如表5中的16#、19#、22#；由于釉浆研磨后所呈现的粒度分布为正态分布曲线，也就是说被研磨体的中等粒径所占的比例为主体，如果球磨机内研磨介质的主体为小球，虽然孔隙率较大球的要小的多，但是理论上大球主要靠冲击和压碎对粗粒产生粉碎作用；而小球主要靠研磨和打击次数将细矿粒磨细，形成大球打大粒，小球磨小粒的状态。故对给定的球磨机和在一定的球荷下，如果大球过大，球的个数少，总球荷表面积小，打击矿粒的几率小，使中等颗粒级别的物料产率大，就会造成磨不细的现象如表5中的17#，20#，只有當中等直径的研磨体占整个研磨体的50%，小球占25%，大球占25%时，整个研磨介质的空隙最小，同时也能满足釉浆磨后的正态分布曲线，最大限度的发挥每个直径研磨介质的效率。
（4）当CMC添加量的比例在180 ～ 60 g时，釉浆的流动性分别为表中的300 s，150 s及60 s，釉浆的研磨效率总体上比较平稳，平稳之中略有提高，说明在研磨介质本身固定的情况下，釉浆具有较好的流动性的前提下，釉浆通过流动可迅速填充到研磨体下并能随球磨机的内壁及研磨介质抛落；当CMC添加量为240 g、300 g、360 g时釉浆的流动性逐渐的变差，最后甚至出现不流动的现象，随着流动性的这种变化，当球磨机进行旋转的时候，由于釉浆的高粘性，不但不能随意的填充到研磨介质中反而将研磨介质紧紧的包裹在一起，随内壁做整圈的运动，严重降低了研磨介质的碰击及研磨作用，釉浆分不到最大限度的研磨。
（5）由表7可知釉浆的浓度由320 g / 200 ml到380 g / 200 ml逐渐上升，随之而来的效应就是釉浆的流动性大幅的降低，最后呈现出不流的状态，当处于这一阶段时，因为釉浆逐渐的不能顺利的填充到研磨介质中，并且随严磨体进行抛投，所以研磨效率逐渐降低，当釉浆的浓度为300 g / 200 ml时，釉浆的研磨效率较320 g / 200 ml略有降低，说明当釉浆浓度过低时，也就是釉浆中的含水量过大时，无形中提高了釉浆的装磨量，降低了釉浆抛投时的高度，同时也降低了被研磨体的碰击及研磨的力度，导致研磨效率的下降。
（6）根据表8的统计结果显示，由于不同材料的球磨机内衬有着不同的密度，不同的摩擦系数，同时在球磨机内衬的镶嵌过程中残留的磨衬与磨衬之间的缝隙的不同，还有不同材质的磨衬的球磨损耗的不同，导致球磨釉浆原料时，研磨效率不同，由表8可知对提升釉浆研磨效率作用由强到弱的顺序依次为玛瑙、氧化锆、高氧化铝、高氧化硅。
5 结论
通过对影响湿法球磨机球磨效率诸方面因素的讨论并经过大量的实验验证， 得知要提高其球磨效率必须注意如下几点：
（1）首先要根据实际的装料量选取合理的研磨介质装载量，这是保证球磨效率的关键因素，本实验中球磨效率最高的研磨介质与实际转磨量的重量比为2：1。
（2）确定研磨介质的材质，本实验中氧化锆研磨介质的研磨效率最高，其次为高铝质及高硅质，但氧化锆质研磨介质的市场价格要远远高于其余两种，经综合考虑研磨效率及材质成本，建议采用高铝质研磨介质。
（3）根据实际的装料量，选用不同直径的高铝质研磨介质，采用不同的添加比例，经过大量的实验验证，最终本实验最为合理的不同直径高铝质研磨介质重量比为25 mm：40 mm：50 mm=1：2：1。
（4）由实验可知，釉浆的浓度的高低及CMC添加剂的多少对研磨效率也会有一定的影响作用，为了提高研磨效率，缩短球磨时间必须对釉浆的浓度及CMC添加剂的用量进行严格的规定，考虑到釉浆的流动性等工艺参数对喷釉工序的影响，本实验釉浆浓度控制在320 g / 200 ml，CMC添加剂的用量为装料量质量的0.2%。
（5）球磨机内衬对球磨效率的影响由高到低依次为玛瑙、氧化锆、高氧化铝、高氧化硅，经过对材质成本、研磨效率、釉浆的流动性等工艺参数的综合考量最终建议选用高铝质球磨机内衬。
总之，从产品的质量、材料的经济性及釉浆的稳定性来看，高铝质球石及高铝质球磨机内衬在整个卫浴湿法球磨机中的配套使用能给用户提供最经济的技术特性和最先进的球磨工艺全过程，当然这需要一定的条件，显然球磨工艺效果不良很少是由于原料的低劣引起的而是由于球磨工艺工程中各工艺参数的不协调造成的。只有通过系统分析建立认识和修改错误操作的简便途，才能获得工艺先进和经济适用的球磨效果。
参考文献
[1] 王志发.无机材料机械基础[M]. 化学工业出版社， 2006.
[2] 蔡祖光. 陶瓷原料球磨细碎的影响因素[J]. 佛山陶瓷，2012，35-38.
[3] 关雅梅， 高志华. 球磨机研磨介质运动分析[J]. 矿山机械， 2008（9）：74-77.
[4] 俞康泰. 现代卫生陶瓷生产技术[M]. 佛山陶瓷杂志出版社，2000.
摘 要：传统的陶瓷生产中，球磨机内衬和研磨介质一般采用天然的隧石衬和鹅卵石球，球磨时间长、球磨效率低，同时由于研磨介质的硬度低，会导致磨耗增加，从而影响釉面质量。据有关资料报导球磨机的耗电量约占陶瓷企业耗电总量的50% 左右，本课题从球磨机内衬和研磨体的材质、球磨机装载总量、研磨体的级配以及料浆的比重和粘度等诸多方面因素探讨对球磨效率的影响，最终确定球磨效率最优的方式，最大限度地提高陶瓷原料的球磨细碎效率，对陶瓷工业的可持续发展等具有深远而重要的意义。
关健词：球磨机；研磨介质；球磨效率
1 前言
球磨机是目前广泛采用的粉磨机械，根据生产规模及条件的不同，有种种不同规格型号的球磨机。在陶瓷行业球磨机的规格是以装载干物料的吨位计， 普遍采用湿法粉磨。到目前为止， 它是陶瓷行业唯一的湿法细磨设备， 也是耗电量最大的机械设备。据有关资料报导， 球磨机的耗电量约占陶瓷企业耗电总量的50% 左右。傳统的陶瓷生产， 球磨机内衬和研磨介质一般采用天然的隧石衬和鹅卵石球。由于天然隧石内衬较厚， 表面凸凹不平， 镶砌后灰缝较大， 天然鹅卵石球的比重和硬度较小，磨耗大， 难以达到较高的效率， 而且由于化学组分的不确定性， 其磨耗污染料浆严重影响着陶瓷产品的质量， 特别是釉面质量， 给生产的质量控制带来许多不确定的因素， 既使高档釉料也难以得到理想的釉面。本课题从球磨机内衬和研磨体的材质、球磨机装载总量、研磨体的级配以及料浆的比重和粘度等诸方面因素探讨对球磨效率的影响。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 实验
2.1 实验研究方案
2.1.1总体技术方案
通过对研磨体的运动轨迹进行分析，对同一球磨机的不同研磨介质加入量，同一研磨介质采用不同大中小比例，不同的加水量，不同的球磨机磨衬及同一电机的不同转速等因素进行对比实验，最终找出以达到同一细度及粒度、釉面正常为前提，耗电量最少的途径。
2.1.2实验工艺流程
2.1.3实验研究方法
本实验采用逐轮次改变单一因素进行对比试验的方法，试图找出影响球磨效率的影响因素并确定出各影响因素最佳的数值。通过对球磨时间、球磨细度、颗粒级配、球磨后釉浆的物理性状，烧成后的釉面效果进行系统的检测，综合比较各影响因素，最终得出球磨效率最高的各因素的组合。
2.2 实验原料及设备
2.2.1试验用原料
本实验所用的主要原料包括钾长石、钠长石、石英、氧化铝、方解石、白云石、氧化锌、熔块、煅烧高岭土及CMC添加剂等。
2.2.2试验用设备
设备清单见表1。
3 实验过程
首先将釉浆配方原料的种类及比例固定，定位生产现用的釉浆配方，具体的釉浆配方见下表2，以下的实验均是在此配方基础上进行的，若无特殊说明实验球磨机内衬均为石头质（高硅质）。
方案一，当球磨介质为鹅卵石时，改变鹅卵石在30 kg球磨机中的比例，其它外部因素保持不变，统计此时的球磨效率，具体数据见表3。
方案二，改变研磨介质的材质（用高铝质研磨介质），保持其它外部因素不变，用方案一中的研磨介质的同等比例来检验球磨材质对球磨效率的影响，具体情况见表4。
方案三，其它外部因素保持一致，取不同直径的高铝质研磨介质，以同样的总质量不同的比例加入到球磨机中，来寻求球磨效率最高的配比组合，具体情况见表5。
方案四，按方案三中研磨效率最高的研磨介质配比，单独改变配方中CMC的添加量，保持其它外部因素不变，验证CMC对研磨效率的影响，具体数据见表6。
方案五，按方案三中研磨效率最高的研磨介质配比，单独改变釉浆的浓度，保持其它外部因素一致，验证釉浆浓度的高低对釉浆研磨效率的影响，具体数据见表7。
方案六，分别将球磨机内磨衬的材质改变为高铝质、氧化锆质、玛瑙质，并用高硅质作比较例，采用上述实验中最优的球石配比，最优的浓度及CMC添加量进行装磨实验，保持其它外部因素不变，检验不同磨衬材质对球磨效率的影响，具体情况见表8。
4 实验结果讨论与分析
（1）根据实验条件可知，球磨的釉浆浓度、流动性、干燥速度等外界因素都是一致的，这就保证对实验的结果的影响只是同种材质球石的重量了。研磨体的质量从30 kg增加到60 kg，同一浓度下的研磨间由13.5 h减小到11 h，整体上缩短了磨时2.5 h，可见在这一段区间内严磨体的增加是大大提高了研磨效率，充分发挥了研磨体的碰击及摩擦的作用了。当研磨体的质量增加到75 kg时研磨时间为12 h，结果已经显示，研磨介质的继续增加没有减少磨时，反而增加了磨时，说明过多的球磨介质只是增加了介质之间的相互碰撞，降低了球磨效率，当球磨介质继续增加到90 kg时，球磨时间已经达到了19 h，但是球磨的细度为0.52%，粒度为55.6%还没有到达与上述几种情况一样细的粒度及细度，表中数据说明当加入90 kg研磨介质时，球磨机内的空间已将非常的狭小，研磨介质之间的空隙非常的多，然而研磨介质已经失去了应该发挥的碰击及摩擦的作用，从而导致研磨效率非常之底，同时还不能将釉浆完全粉碎。
（2）表4中高铝质及氧化锆质研磨介质由30 kg增加到90 kg时，纵向比较，也就是与自己本身添加的研磨介质比较，表现出来的研磨效率的趋势与表1中完全一致，研磨介质的添加量在60 kg时，研磨效率最高，同样达到10 μm下60%的粒度，鹅卵石的研磨时间为11 h，而同等质量的高铝质研磨介质及氧化锆质研磨介质的研磨时间分别为9.5 h，8 h。氧化锆质研磨介质的比重要远大于高铝质研磨体的比重，同时二者又都要远大于鹅卵石的比重，研磨介质的直径也要都小于鹅卵石，所以单位体积内介质的数目也就越多，众所周知，运动物体的动能，可表示为E=1/2mv2，在转速一定的情况下，若研磨介质尺寸相同，介质比重越大，研磨介质所获得的动能也就越大，研磨效果也就越好。如表4中的实验结果，同等质量的研磨介质最优，研磨效率为氧化锆质研磨介质大于氧化铝质研磨介质。
（3）当直径大的研磨介质所占的比例为总研磨介质的33.3%以上时，球磨体内大的研磨介质所产的空隙就会逐渐的变大，作为被研磨的主体釉浆就会最大限度的填充到这些空隙之中，使得研磨介质不能或用很低的研磨效率对他做工，如表5中的16#、19#、22#；由于釉浆研磨后所呈现的粒度分布为正态分布曲线，也就是说被研磨体的中等粒径所占的比例为主体，如果球磨机内研磨介质的主体为小球，虽然孔隙率较大球的要小的多，但是理论上大球主要靠冲击和压碎对粗粒产生粉碎作用；而小球主要靠研磨和打击次数将细矿粒磨细，形成大球打大粒，小球磨小粒的状态。故对给定的球磨机和在一定的球荷下，如果大球过大，球的个数少，总球荷表面积小，打击矿粒的几率小，使中等颗粒级别的物料产率大，就会造成磨不细的现象如表5中的17#，20#，只有當中等直径的研磨体占整个研磨体的50%，小球占25%，大球占25%时，整个研磨介质的空隙最小，同时也能满足釉浆磨后的正态分布曲线，最大限度的发挥每个直径研磨介质的效率。
（4）当CMC添加量的比例在180 ～ 60 g时，釉浆的流动性分别为表中的300 s，150 s及60 s，釉浆的研磨效率总体上比较平稳，平稳之中略有提高，说明在研磨介质本身固定的情况下，釉浆具有较好的流动性的前提下，釉浆通过流动可迅速填充到研磨体下并能随球磨机的内壁及研磨介质抛落；当CMC添加量为240 g、300 g、360 g时釉浆的流动性逐渐的变差，最后甚至出现不流动的现象，随着流动性的这种变化，当球磨机进行旋转的时候，由于釉浆的高粘性，不但不能随意的填充到研磨介质中反而将研磨介质紧紧的包裹在一起，随内壁做整圈的运动，严重降低了研磨介质的碰击及研磨作用，釉浆分不到最大限度的研磨。
（5）由表7可知釉浆的浓度由320 g / 200 ml到380 g / 200 ml逐渐上升，随之而来的效应就是釉浆的流动性大幅的降低，最后呈现出不流的状态，当处于这一阶段时，因为釉浆逐渐的不能顺利的填充到研磨介质中，并且随严磨体进行抛投，所以研磨效率逐渐降低，当釉浆的浓度为300 g / 200 ml时，釉浆的研磨效率较320 g / 200 ml略有降低，说明当釉浆浓度过低时，也就是釉浆中的含水量过大时，无形中提高了釉浆的装磨量，降低了釉浆抛投时的高度，同时也降低了被研磨体的碰击及研磨的力度，导致研磨效率的下降。
（6）根据表8的统计结果显示，由于不同材料的球磨机内衬有着不同的密度，不同的摩擦系数，同时在球磨机内衬的镶嵌过程中残留的磨衬与磨衬之间的缝隙的不同，还有不同材质的磨衬的球磨损耗的不同，导致球磨釉浆原料时，研磨效率不同，由表8可知对提升釉浆研磨效率作用由强到弱的顺序依次为玛瑙、氧化锆、高氧化铝、高氧化硅。
5 结论
通过对影响湿法球磨机球磨效率诸方面因素的讨论并经过大量的实验验证， 得知要提高其球磨效率必须注意如下几点：
（1）首先要根据实际的装料量选取合理的研磨介质装载量，这是保证球磨效率的关键因素，本实验中球磨效率最高的研磨介质与实际转磨量的重量比为2：1。
（2）确定研磨介质的材质，本实验中氧化锆研磨介质的研磨效率最高，其次为高铝质及高硅质，但氧化锆质研磨介质的市场价格要远远高于其余两种，经综合考虑研磨效率及材质成本，建议采用高铝质研磨介质。
（3）根据实际的装料量，选用不同直径的高铝质研磨介质，采用不同的添加比例，经过大量的实验验证，最终本实验最为合理的不同直径高铝质研磨介质重量比为25 mm：40 mm：50 mm=1：2：1。
（4）由实验可知，釉浆的浓度的高低及CMC添加剂的多少对研磨效率也会有一定的影响作用，为了提高研磨效率，缩短球磨时间必须对釉浆的浓度及CMC添加剂的用量进行严格的规定，考虑到釉浆的流动性等工艺参数对喷釉工序的影响，本实验釉浆浓度控制在320 g / 200 ml，CMC添加剂的用量为装料量质量的0.2%。
（5）球磨机内衬对球磨效率的影响由高到低依次为玛瑙、氧化锆、高氧化铝、高氧化硅，经过对材质成本、研磨效率、釉浆的流动性等工艺参数的综合考量最终建议选用高铝质球磨机内衬。
总之，从产品的质量、材料的经济性及釉浆的稳定性来看，高铝质球石及高铝质球磨机内衬在整个卫浴湿法球磨机中的配套使用能给用户提供最经济的技术特性和最先进的球磨工艺全过程，当然这需要一定的条件，显然球磨工艺效果不良很少是由于原料的低劣引起的而是由于球磨工艺工程中各工艺参数的不协调造成的。只有通过系统分析建立认识和修改错误操作的简便途，才能获得工艺先进和经济适用的球磨效果。
参考文献
[1] 王志发.无机材料机械基础[M]. 化学工业出版社， 2006.
[2] 蔡祖光. 陶瓷原料球磨细碎的影响因素[J]. 佛山陶瓷，2012，35-38.
[3] 关雅梅， 高志华. 球磨机研磨介质运动分析[J]. 矿山机械， 2008（9）：74-77.
[4] 俞康泰. 现代卫生陶瓷生产技术[M]. 佛山陶瓷杂志出版社，2000.
