牟廷贵
0前 言
颜料级二氧化钛主要的光学性能是在于它的分散性和涂在被涂物上时显现的不透明性。其与不透明性在不同程度上相互关联的重要性能就是它的亮度、白度、色相、消色少和遮盖力。二氧化钛 的不透明性在很大程度上是取决于它的对光的折 射率和颗粒的物理性质（颗粒大小、均匀性和特征等）。这些物理性质包括精度、粒度分布和颗粒的形状等。二氧化钛的分散性能在很大程度上是充分显现它的光学性能体现。所以二氧化钛的分散性能又往往和它的颗粒特性及表面性质密切相关。
二氧化钛对于一定波长的入射光极为敏感，当颜料颗粒大小为半波长时，对光的散射率最高， 也就是不透明度最高。可见光的波长为 0.4 μm~ 0.7 μm ，所以颜料颗粒最佳的直径为0.2 μm~ 0.35 μm。如果颜料的颗粒度过小，则就会发生光的衍射 ，导致不透明度下降，且颜料性能与散射系数紧密相关。在散射系数最高时的粒径为0.2 μm，这时的颜料消色度和遮盖也最优，白度和光泽度也最好。但各种颜料的性能之间有时也会出现相互矛盾，如当粒径变小时，其耐候性能就会下降，因此，对于一些要求耐候性能高的颜料，其粒径应相应适当放大一些。
二氧化钛的粒度分布对颜料性能也有很大的影响，一般要求二氧化钛具有优良的颜料性能，尤其是白度这项指标，此时，颗粒的粒度分布宽度就应当尽可能狭窄，那颗粒的粒径应为0.2 μm~ 0.3 μm的颗粒数量要占到绝大多数，而颗粒直径在 0.1 μm以下或 0.17 μm以上的最好没有。但是，在工业生产规模中，只有尽量减少这些粒径的数量，不可能达到这样颗粒颗粒的数量为零的水平。颜料的颗粒形状和表面的光滑和平整度对光的散射也有影响，一些颗粒为圆形，表面比较规整时，其颜料的散射率最高，颜料的性能也最优。要尽量避免角状形的颗粒，因为它的光学性能很差，而且这样的颗粒堆积在一起时，就会使空间体积增大，导致其吸油的增加。
偏钛酸经煅烧后才能转变为二氧化钛，并且具有了颜料性能，但煅烧后的二氧化钛都是颗粒的聚结物，须经过粉碎才能达到颜料标准的要求，从而获得尽可能高的不透明度和颜料所具备的其他性能选择合适的粉碎设备，才能将煅烧后的二氧化钛粉碎至颗粒大小和最佳的粒度分布是很重要的。煅烧物的粉碎方式有干式粉碎和湿式粉碎。其干式粉碎有雷蒙磨、锤磨、离心磨（万能磨）、流能磨（气流粉碎机）等；湿法粉碎有湿式球磨及砂磨机， 其工作介质均在溶液体系中进行。粉碎方式可采用单一自研磨设备，也可采用两种或两种以上的研磨设备进行组合使用，如先将煅烧物经雷蒙磨研磨后，再经气流粉碎，也可用一种设备进行串级多次粉碎。粉碎工艺流程的确定主要取决于二氧化钛品种的需要。
在生产非颜料级产品时，一般不须过分地追求单个颗粒的粒度，只要求经320目筛余物不超过一定的范围时即可，所以煅烧物只经过一次干式粉碎，如雷蒙磨或离心磨后即可符合产品的要求，也有些颜料级二氧化钛产品只需要进行一次干式粉碎即可。
在粉碎工艺过程中，粉碎室内环境的改变对粉碎效率和粉碎速度也有影响，具体有如下几种:
①自由粉碎和缓冲粉碎
在进行粉碎特别是超微粉、碎时，其存在着一个限界粒径。如果所要求的粉碎细度大于限界粒径，这种粉碎强度可能会产生过粉碎粒子，这些过粉碎粒子会对粉碎过程起到缓冲作用，因此，这种粉碎过程称之为缓冲粉碎。虽然，这种缓冲作用起到了降低粉碎效率现象，因此，在粉碎过程中应把这些过粉碎粒子及时吸移走。这种除去过粉碎粒子的粉碎称之为自由粉碎。这种理论的工业实践就是粉碎机——分级机的组合，藉分级方法及时地把粗细粒子分开，取除细粒子，并把粗粒子返回到粉碎区，如此构成一个闭路循环粉碎体系。雷蒙磨和砂磨机就是一个很典型的设备。
②干法粉碎和湿法粉碎
在干法粉碎中，由于被粉碎的物体的凝聚作用所产生的缓冲粉碎的效果，以及物料在粉碎机内壁的粒附现象等都会使粉碎效率下降。所以在这两种粉碎方式，湿法粉碎效率较高，同时湿法粉碎既可防止细粒子的飞扬，又能增加生产能力，并能得到分散性良好的粉碎产品。除此之外，与干法粉碎相比较，湿法粉碎的动能消耗可比干法减少30%左右，但湿法粉碎时磨机的磨损要比干法粉碎的较为严重。
③粉碎助剂
无论是干法粉碎还是湿法粉碎方式，在粉碎工艺过程中添加粉碎助剂或不添加粉碎助剂，其粉碎效率有很大的差别。当在粉碎工艺过程中添加了粉碎助剂时，其粉碎速度要比不添加粉碎助剂时的粉碎速度较快，这样就缩短了粉碎时间，提高了粉碎的生产效率，增加了产量，降低了运行成本。
1粉碎机械的发展历史
粉碎机在我国公元前二千多年就出现了最简单的粉碎工具--杵臼。后来杵臼进一步演变为公元前200多年~公元前100多年的脚踏碓。这些工具应用了杠杆原理，初步具备了机械的雏形，不过这些简单的工具在粉碎物料时的动作仍然是间歇式的。最早采用连续粉碎动作的粉碎机械是在公元前四世纪由公输班发明了畜力磨，另一种是采用连续粉碎动作的粉碎要械为辊碾工作，它的出现时期稍晚于磨类工具。在公元200年之后，中国杜预等人在脚踏碓和畜力磨的基础上研制出了以水力为动力的连续水碓，连续水磨等。反生产效率提高到了一个新的水平。这些简单的机要除了用作谷物的加工外，还扩展到了其他物料的粉碎加工作业中。
近代的粉碎机械查在蒸汽机和电动机劳动力机械逐渐完善及推广之后才相继出现的。与此同时，在不断改造和研制的基础 ，也有了一定的提高。到1806年出现了以蒸汽机驱动辊式破碎机；1858年美国的布莱克发明了破碎岩石的鄂式破碎机；1895年美国研制出了具有连续破碎动作的旋回破碎机，其生产能力高于作间歇破碎动作的鄂式破碎机；1895年美国的威廉发明了能耗较低的冲击式破碎机。此时，粉碎机也有了相应的发展。到了19世纪，初期出现了生产规模和用途较广泛的球磨机；1870年在球磨机的基础上发展到出排粒径度均匀的棒磨机；1908年又研制出了不同研磨介质的自磨机械；二十世纪30年代~50年代，美国和德国相继研制出了辊碗磨煤同、辊盘磨煤机等立轴式中速磨煤机。
这些粉碎机械的出现，大大地提高了粉碎机械 的功效。但是，由于被粉碎的各种物料的特性互有差异，而且不同行业又对粉碎后的产品的粒度大小也彼此不同，于是又先后研制出了按不同工作原理进行粉碎作业的多种粉碎朵械，如多轮碾机、振动磨、涡轮粉碎机、气流粉碎机、砂磨机、胶体磨等。到了70年代初，已研制出每小时产量为5 000 t，最大给料直径为200 μm的大型旋回破碎机，以及可将给料磨细到粒度小于 0.01 μm 的胶体磨。
2 粉碎机的分类（按粉碎物本的细度分）
由于所粉碎的物料种类繁多，因此，粉碎机械的型式也很多。同时，所粉碎的物品种的不同，以及对粉碎后的颗粒度等条件的要求不同，对采取的设备粉碎有中等粉碎设备和微细粉碎设备等。
2.1 粉碎的类型（按被粉碎物体的细度分）
2.1.1 粗粉碎
适合粉碎坚硬的物料，一般选用鄂式粉碎机和锥式破碎机。如是中等硬度的脆性物料，可适合鄂式粉碎机、锥式粉碎机和滚式破碎机；当粉体中等硬度的韧性物料时，可选择带齿的滚式破碎机。
2.1.2 中等粉碎
粉碎物较坚硬时，可选择悬托立轴锥式、滚式和鄂式破碎要，如是中等硬度脆性物料，可选择锤式、县托立轴锥式、滚式及鄂式破碎机、轮碾机等， 如是中等硬度韧性的物料，可选择带齿的滚式破碎机及轮碾机等。
2 .1.3 细度粉碎
对于坚硬的物料，较为适合悬托立式轴锥、滚式和轮碾机。如是粉碎中等硬度的脆性物料时，可选择锤式粉碎要、万能粉碎机、滚式破碎机即可；如粉碎中等硬度的韧性物料时，只有轮碾方可进行粉碎。
2.1.4 磨粉碎
对于坚硬的物料进行粉碎时，最合适的设备就是球磨化。对于中等坚硬的脆性物料进行粉碎时，比较适合的设备有球磨机和环辊磨。
2.1.5 超细粉碎
在粉碎比较坚硬的物料时，要达到粉碎后的产品有超细程度，只有球磨机和振动磨，这两种粉碎设备还可以粉碎中等硬度脆性的物料。另外，在近几十年来，国际上研制出了砂磨机、振动磨和气流粉碎要，对粉碎后的产品细度达到了更细、更均匀的水平，这些粉碎设备的引进和后来的国产化，对我国钛白粉的品质提高了一个档次。
2.2 粉碎机的类型（按粉碎机的结构分）
2.2.1 直压式粉碎机
直压式粉碎机的运行速度较低，有低速和中速之分。它可以粉碎较大地状的物料，对物料进行粗粉碎和中粉碎。粗粉碎的物粒可以为几十厘米至几厘米；中粉碎的物料可以为几厘米至几目。它的粉碎原理是靠挤压物料达到粉碎的目的。直压式粉碎机有鄂式破碎机和回旋破碎机等。
2.2.2 辊式粉碎机
辊式粉碎机的运行速度也比较慢，有低速或中速之分。它可以粉碎中等块状的物料，对物料进行中等程度的粉碎或较细程度的粉碎。它的工作原理是对物料进行压缩或剪切作用后，达到粉碎的目的。辊压粉碎机又被称为辊式破碎机、轮碾机和环辊式磨机。可以粉碎几厘米至几目，甚至 200 目的物料。
2.2.3 剪切式粉碎机
剪切式粉碎朵属于中等转速的粉碎机。它可以粉碎中等块状物料，可以为几厘米至几目；在粉碎较细物料时，可以是几目至200目。它的工作原理是对被粉碎的物料进行剪切和冲击力实现粉碎的。
2.2.4 圆筒型粉碎机
圆筒型粉碎机的运行速度可以是低速，也可以是高速。它可以粉碎较细的物烊进行微粉碎时，可以粉碎几目至200目的物料；在进行超细分粉碎时，可以粉碎325目至几微米的物料。它的工作原理是对物料进行研磨和剪切的作用来实现粉碎物。圆筒型粉碎机又称之为塔式磨机、球磨机、振动磨以及砂磨、海斯湿球磨机。
2.2.5 冲击式粉碎机
冲击式粉碎属于低速或高速运转的粉碎机械。它可以粉碎中等块状的物料，被粉碎的物料可以是几厘米至几目。它的工作原理是对物料进行冲击和剪切方式完成粉碎过程的。冲击式粉碎机又可被称为锤式粉碎机或冲击式破碎机、捣碎机、 粉磨机、撞击式粉碎机等。
2.2.6 喷射式粉碎机
喷射粉碎机是属于高速喷射设备，它的工作原理是利用高速气流喷射在被粉碎的物料上，使物料获得巨大的动能而高速运动，收物料的颗粒进行互相碰撞和物料与机壳内壁的碰撞而被粉碎。喷射式粉碎机集剪切、冲击和研磨于一体的粉碎方式对物料进行粉碎，这种粉碎又可称为超微粉碎，可得325目至几微米的物料进行深度粉碎。
喷射式粉碎机又称为扁平式气流粉碎机，它在国外的应用是在第二次世界大战之后的工业技术大发展的时期，尤其是在1936年扁平式气流粉碎机在美国诞生后，被广泛应用于精细化工粉体的粉碎中。我国从60年代开始研究气流粉碎机。所设主地的气流粉碎机在颜料、染料等行业有所应用。但由于当时的设计和制造水平与国外的差距较大，因而在粉碎颜料级钛白粉时，导致了产品粒度的较大差距，只能生产低档二氧化钛，直到80年代中后期， 南京油脂化工总厂等钛白粉生关王选才采用了气粉机用于锐钛型钛白粉成品的粉碎中，由到了较好的效果。为改变我国气流粉碎机的落后面貌，先后由广州钛白粉厂等几家钛白粉生产厂引进了世界著名的扁平式气流粉碎机制造商——美国 Sturte？vane Mill Co制造的 ？ 600 扁平式气流粉碎机用于金红石型钛白粉成品的粉碎中。到了90年代初期，先后由中核404钛白厂、重庆伦港钛白粉股份有限公司及辽宁锦州铁合金厂钛白粉厂引进了美国奥尔捷物（ACJT）公司的气流粉碎机，使微粉碎后的金红石型产品的粒径达到了0.2 μm~0.4 μm。喷射式 气流粉碎机是目前国内外二氧化钛产品生产工艺中，进行微粉碎或超微粉碎的最为理想的设备，它不仅生产能力较大，而且设备结构和配套辅助设备较少，粉碎后的产品细度很细，且比较均匀，平均粒径比较集中。
喷射式粉碎机的粉碎工艺具有很多优势:①喷射式粉碎机粉碎后的物料的粒度和粒度分布较机 械式粉碎优越得多。当物料需要粉碎到亚微米细度级别时，对粒度例如布的要求就要更窄，这时采用喷射式气流粉碎机进行粉碎就是最重要和最有效的手段之一。颜料级别的二氧化钛最理想的粒度要求在0.2 μm左右，对粒度分布宽度要求很窄， 此时一般的机械粉碎设备是不能满足这一要求的，而且很差很悬殊。喷射式粉碎机粉碎后的粒度分布宽度很窄，且颗粒大小均匀规整，使颜料的性能更优良。②喷射式粉碎机的粉碎周期短、效率高，不须长时间多次反复粉碎即可。③喷射气粉碎机粉碎的产品程度分布不受粉碎时间的变化而变化，因此，粉碎后的产品则比较稳定。④喷射式气流粉 碎机的磨损较小，对被粉碎的产品不会造成污染。⑤喷射式气流粉碎机在粉碎物料时也可添加一些需要的化学物品，以提产品的性能，这时添加进去的化学物品极能均匀地分散在粉碎的物料中，如添加的助磨剂和包膜剂等。
喷射式园盘气流粉碎机是1934年由美国的Fluid Energy公司研制出来的。它经历了大约五个发展阶段，即扁平式气流粉碎机→循环管式气流粉碎机→靶式气流粉碎机→对喷式气流粉碎机→流化床对撞式气流粉碎机。气流粉碎机的工作原理:待粉碎物体由文丘喷嘴加速至超音速导入粉碎室内，高压物流体（蒸汽和物料）经入口进入气流分配室，分配室与粉碎室相通，气流在自身压力下通过喷嘴时产生超音速甚至每秒上千米的气流速度作用在被粉 碎的物料上。喷嘴与粉碎室构成了一个锐角，故以喷射旋流粉碎单元，并带动物料作循环运动，物料颗粒与机体及颗粒之间相互冲击，碰撞、摩擦而被粉碎。这时粗颗粒在离心力的作用下被甩向粉碎室园周内壁作循环粉碎；微细颗粒则在向心力气流的带动下被导入粉碎中的出口管进入旋风分离器进行产品的收集。
来源：《钛白》杂志
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