陶瓷磨介球如何滚动成型？

“破球”和“减产”是陶瓷球在通用硅酸盐水泥应用中最常见的两大难题。尽管陶瓷球容重轻、运行节电、磨内发热少、磨温低，有利于提高粉磨效率和水泥产品对混凝土外加剂的适应性，备受许多水泥企业集团青睐，但这两大难题又使许多有心人望而却步、心有余悸，成为陶瓷球推广应用中的潜在障碍。“减少陶瓷球的破损，是推广陶瓷球的必备前提；遏制球磨机减产，是水泥企业的必然要求。”当前，急需大家齐心协力、规范市场，推进供给侧结构性改革，为水泥企业用好陶瓷球、实现节能降耗，献计献策。

1.降低陶瓷球“破损率”的途径

根据一年来陶瓷球应用技术研发工作的体会，简介如下：

（1）配料方案中添加“增韧”元素：陶瓷球属无机非金属材料，当它的硬度、耐磨性达到一定程度后，韧性不足的弱点就显现无疑了。球磨机内部的衬板和构件，目前都是铸钢材质，其研磨体和粉磨物料的运动状态，也是在滚动、滑动、冲击、碰撞等错综复杂、变换交替的环境下进行着。因此，陶瓷球在粉磨物料的同时，本身也受到了不同形式、不同方向、不同大小的反作用力。此时，除耐磨、抗蚀之外，抗冲击的韧性，就显得十分重要。而专门针对干法水泥粉磨而开发的陶瓷球产品，必须加入微量元素（如氧化锆等）改性增韧，才能保证它不仅强度高，而且还具备较好的韧性。

（2）优选成型方法：陶瓷球成型方法常见压制球和滚制球两种。由于工艺过程的差异，导致成型、焙烧后的球石内部晶体结构不同，密实程度和抗冲击的能力也不一样。通过多次、反复地破坏性试验，我们发现：在研磨水泥物料的过程中，相同材质、相同规格的陶瓷球，压制球破损率低于滚制球。

（3）陶瓷球不宜用在球磨机的冲击粉碎仓：在水泥粉磨过程中，当入磨物料粒度≥5mm时，球磨机的第一仓需要研磨体处于抛落状态，以冲击粉碎作用为主，将大块物料粉碎成细颗粒；此时，研磨体不仅受到强大的反作用力，而且也难免碰撞到磨内密布的铸钢衬板、隔仓板及其他构件上；所以，这样的工况，不适合韧性有限的陶瓷球工作，否则会出现较高的破损率。

（4）空仓装磨时，先加料、后加球：我国水泥行业已经强制性地淘汰了Φ3米以下的球磨机，各企业在研磨体装磨时，都采用电动葫芦吊装卸球，此时的落差都在3米以上，陶瓷球卸落到铸钢衬板上，会使球体内部产生不同程度的微裂纹，影响陶瓷球的使用寿命。所以，空仓装磨时应先加进2～3吨物料（或散装水泥），以缓解冲撞力、保护陶瓷球。

2.解决粉磨系统台时产量降低的途径

在水泥企业，许多人都错误地认为：“陶瓷球应用没什么技术，不就是把球磨机尾仓的钢锻倒出来换上陶瓷球吗？”实际上，这么做的后果，就是只能把粉磨系统的台时产量一降再降。原因很简单，不降低产量，出磨物料中合格的水泥成品含量太少，要保证水泥产品质量（细度、比表面积）达到内控指标，就得降低产量。好多在水泥粉磨车间工作十几年或几十年的员工，开始都不相信这个现实，按使用钢球、钢锻的经验对待陶瓷球的应用，球磨机台时产量一下子就降了20%～30%，再多加陶瓷球，问题也得不到解决。只有此时，各位才不得不承认：应用陶瓷球，既要粉磨系统节电，又不能降低水泥的产、质量，同志还需努力！而这也正是陶瓷球应用技术的科技含量所在。

陶瓷球的硬度、耐磨性能，都不亚于钢球。我们通过多次小磨试验，都证实了这一点：在相同规格、相同装载量、相同粉磨时间的条件下，陶瓷球与钢球粉磨水泥的产、质量，基本持平。为什么进了大磨，差异就显现出来了呢？究其原因，主要有以下两点：

（1）陶瓷球容重为2.2t/m3，而钢球容重为4.5t/m3，在球磨机同一仓位内，陶瓷球一般做不到与钢球、钢锻有相同装载量，如果装载量相同，陶瓷球的体积（或填充率）就得是钢球、钢锻的2倍。然而，球磨机磨内填充率的限值要求是，必须小于50%。所以，容重轻，是陶瓷球节电的本钱，同时又是“不可超限”的弊端。

（2）干法粉磨水泥的球磨机，是磨头加料、磨尾出料的连续性工作设备。物料从进口到出口，一般在磨内停留时间只有18～20分钟，大型球磨机的尾仓长度为8～9米，物料最长的停留时间都在10～15分钟之内。陶瓷球受填充率所限，装载量无法增加，粉磨时间又不可能延长，要想把物料磨细、符合企业内控指标要求，这就是难题。即，陶瓷球的研磨能力与钢球、钢锻不在一个数量级上。换句话说，陶瓷球不能与钢球、钢锻在同一起跑线上比赛，必须要向前仓的钢球、甚至延伸到磨前的预粉碎（辊压机）系统借力，让进入尾仓的物料比装钢球、钢锻时更细，没有前面的帮助，它在尾仓必然“掉链子”。应用陶瓷球之前，如果这两点没看清、没想通，球磨机“减产”，那就在意料之中了。

在陶瓷球应用之前，我们一定要打开磨门，进入球磨机内，测量一下各仓研磨体的实际填充率（计算实际装载量），做到心中有数。经过多次大磨试验，在入磨粒度≤5mm的水泥粉磨系统，我们摸索出一套简单的解决办法——空高操作法。即，在使用陶瓷球的前一仓（钢球仓）内补球，直至仓内的高径比H/Di（研磨体表面的空间高度H与有效内径Di之比）达到适宜的目标范围：0.55（上限）～0.60（下限）。它所对应的填充率上限约为43%，下限约为37%；过低无力，过高无益。这样之后，只要尾仓陶瓷球的装载量达到原来尾仓钢锻（或小钢球）装载量的60%～70%，预期目标就会实现，水泥粉磨系统的台时产量就不会降低或仅仅略有降低（≤5%原产量）。

有些水泥企业反映，他们的球磨机钢球填充率超过30%后，球加不进去。那怎么办呢？原因在于：部分国产球磨机和大型的滑履磨的设计参数中，都是以金属研磨体（钢球、钢锻）为参照物，一仓装载量要服从冲击粉碎的需要，填充率一般都不超过30%，否则钢球形不成抛落状态，冲击力达不到工艺要求。因此，没有考虑今后填充率提高的需要，磨头进料口设计尺寸偏大。如果是这样的磨机，那么就应该在使用陶瓷球之前，对进料口适当进行改造，增加一段进料螺旋，缩小进料口尺寸，就可以加进钢球了。

对水泥企业来说，目前陶瓷球应用技术闯出了一条水泥粉磨节能的新途径。在创新驱动的新形势下，遇到一点小波折，也是难免的。只要我们精心操作、认真总结，一定能在最短的时间内，把这项经济实惠的技术学会、弄懂、掌握好，为企业节支降耗贡献力量。

1、陶瓷磨介球如何滚动成型包括以下步骤：将γ-氧化铝、稀盐酸和氧化铝球球磨混合，抽滤后得到粉体；将制得的粉体和氧氯化锆混合，再加入硅溶胶，得到料浆；将制得的料浆与氧化铝球和水混合，然后加热保温，使氧氯化锆形成溶胶；将制得的溶胶干燥，保温，然后经粉碎后得到细晶锆铝复合粉体；将制得的粉体经成型工艺成型球坯，烧结，得到产品。本发明成本低，流程简单，制备得到的微晶锆铝复合磨介研磨时避免大颗粒的脱落，同时提高了磨介的整体力学性能，产品磨耗低。

2、振动磨机筒内磨介球密度的改变对研磨效果的影响,按不同磨介密度配比设定六种工况,设置相应的模型参数、边界限制条件、重力载荷施加以及磨介球个数,建立离散元法磨介流数值模拟模型,用PFC3D软件进行模拟仿真,结果表明:工况5的研磨效果最佳,而工况1的研磨效果最差,工况5相比工况1,动能提高1.936倍、应变能提高2.373倍、接触力提高1.605倍.本研究为制备超微颗粒细化试验的参数优化提供了参考,为生产实践提供数据的指导与理论的支持.

介绍一下氧化锆研磨球特点及工艺简介

氧化锆研磨介质是氧化锆材料的一个重要应用分支，除了大量用来自己磨自己以外（磨氧化锆陶瓷粉体），在电子陶瓷粉体，磁性材料，各类陶瓷结构陶瓷及功能陶瓷粉体，日用陶瓷色料和釉料，各类涂料，机械抛光粉体，医药和食品等超细研磨中也发挥了极为重要的作用。

根据稳定剂的不同，氧化锆陶瓷有多种类型。常见的氧化锆稳定剂通常是碱土氧化物或者稀土氧化物，比如氧化钇，氧化铈，氧化钙，氧化镁。这些稳定剂稳定氧化锆的实质大致是相似的，但是性能却有所不同。在实际应用中，掺杂氧化钇的氧化锆（3mol%Y2O3部分稳定氧化锆）具有良好的综合性能，是许多氧化锆结构件的首选，也是目前高性能氧化锆研磨介质的首选。 

氧化锆研磨材料的特点

从研磨材料的角度去看氧化锆，它与其它陶瓷研磨介质相比有三个非常突出的特点：其一是密度大；其二是硬度大；其三是韧性好。尽管采购成本也是大大的，但综合使用成本也还是有优势，更重要的一点部分不能受到污染的高纯物料就得用低磨损的它。如研磨电子元件浆料，金属Fe、Cu等元素应避免，含有Fe2O3或CuSO4等成份的研磨介质就不在选择之列。故氧化锆研磨介质非常适合要求低杂质的场合。

首先氧化锆密度大，因而比重大冲击力大粉碎能量大，与大量使用的氧化铝陶瓷魔球相比，高品质的氧化锆陶瓷密度可达6.0g/cm（氧化铝密度大约在3.5g/cm³-3.9g/cm³），因此冲击力大，在同样的条件下，可以大大减少所需的研磨时间，让材料研磨过程段更高效。

其次，氧化锆陶瓷与氧化铝陶瓷的硬度相近，约为12-14GPa，且强度高达800-1000MPa，断裂韧性可达10MPa·m1/2，均为氧化铝陶瓷的2~3倍，因此氧化锆压碎强度高不易破损，而且其极低的磨耗可以显著减少杂质引入被研磨材料之间。从而非常适应用于砂磨机，高速振动磨机等设备中，特别在一些对杂质敏感的领域更是划算。碎珠及磨损少，无需经常补料，因此综合使用成本仍然相对较低。

氧化锆研磨球的制备方法

作为研磨介质的氧化锆材料，其形状可以是圆柱形型的，也可以是球形的，其中，而球形是当前研磨介质的主要应用形式。通常高品质的微晶氧化锆磨介多采用氧化钇稳定氧化锆（Y-TZP）超细粉体为原料成型后经过高温烧结（1400-1600℃）致密化，然后通过自磨或添加超细研磨粉抛光处理。氧化锆研磨介质根据使用要求不同其尺寸可以在0.05mm以上的各种尺寸。下文陶瓷介质球常见的几种成型工艺做简单概述。

压制成型：这是陶瓷大尺寸研磨介质的常见成型方法。主要有干压成形（粉料含水或助剂3%-7%）及等静压成型（粉料含水或助剂3%以下）。干压成型具有操作方法方便简洁、技术、资金投资少的特点，但由于压力分布不均匀而造成素坯内部分布不一致，从而影响制品的综合性能，为了提高素坯的密度，在实际生产中常采用不断增大压力的方法。但压力也不是越大越好，当超过极限压力时，压力反而会使素坯密度下降，其原因是层裂引起的。而等静压成型的坯体强度大，密度高且均匀，可以制备高性能高品质的研磨介质球。因此工业上可以采取两种方法结合制取高性能的陶瓷球。

工艺简述：粉体及各类助剂混匀后喷雾造粒，然后将粉料加入金属模具预制成球，随后将脱模后的坯体进行冷等静压处理获得球坯，使用这种工艺制备所得坯体致密度高，烧成陶瓷球密度高，品质好。等静压成型法加工设备投资大，后处理成本大，一般用于生产直径大于10mm的大尺寸高品质磨介球。   陶瓷球坯模压-等静压成型工艺示意

2、滚制成球 除了冷等静压成型工艺的成型工艺，滚制成球也是陶瓷球的一个重要成型方法，该法具有生产设备、原料、操作简单，球形度好，易于烧结的特点。虽然成球强度不如冷等静压强，但制备成本较低，可根据要求生产0.1mm-60mm范围内各种尺寸的球。

滚制成球有采用泥段滚制成球的，其工艺过程是：将粉体与水，粘接剂，增塑剂，润滑剂等加入炼泥机混炼成泥经陈腐形成塑性泥料，放入挤泥机挤制成泥条，并切成长度与直径相当的泥段，再放入滚球机中滚制成球坯，这种成型方法主要控制好挤泥机模头口径和切段长短就可以得到一致性较好的泥段，滚制的球坯圆度也容易控制，但由于球坯密度相对降低，需要提高烧结温度才能获得较为致密瓷体，导致晶粒异常长大，难以制取性能优异的耐磨的微晶氧化锆。

也有采用粉体直接滚制法的的，其工艺过程是：使用简单廉价的旋转滚球机，先加入预制的球坯晶种，然后边旋转喷水雾边添加陶瓷粉体，粉体不断粘附于晶种表面逐渐长大，最终得到所需尺寸的球坯。通过控制合适的滚制成型工艺参数,可获得体积密度高、圆度好、大小均匀的球坯。  

3、滴液成球 对于很小很小的氧化锆研磨介质珠子（0.05mm到零点几毫米的），可以采用滴定法成型陶瓷珠生坯，举个例子国瓷使用公司自制水热合成的6nm高纯超细氧化锆为原材料，通过滴定法所生产的氧化锆陶瓷微珠可低温烧结且内部无气孔，具有高致密性、高强度、高韧性、低磨耗等性能。使用国瓷定制路线在1200℃烧结的氧化锆球的平均晶粒大小约为150 nm。可适用于电极材料、多层陶瓷电容器、油漆、涂料等高机能材料的分散与研磨。