陶瓷研磨球直径对其磨耗性能的影响_夏维煌.pdf

佛 山 陶 瓷2023 年第 1 期（第 318 期）1前言陶瓷研磨球主要用在球磨机中进行物料粉碎研磨，其具有高硬度、适中密度、耐磨、耐腐蚀以及无金属杂质污染等重要优势，在建筑卫生陶瓷、水泥、矿山、电子材料、磁性材料、油漆、化妆品、食品、制药等工业中广泛使用1-5。磨耗性能代表的是陶瓷研磨球的使用寿命，是陶瓷研磨球关键性能指标之一。根据现有行业标准6，磨耗性能指标包括耐磨系数和当量磨耗两种。其中耐磨系数指的是单位时间失重百分比，有明确的物理意义。但在实际测试中发现耐磨系数受到陶瓷研磨球直径极大影响，并不能本征表达其磨耗性能。为了本征表达磨耗性能，耐磨系数被乘以直径及相关系数而逐渐演变成当量磨耗，其为无量纲量。但随着陶瓷研磨球向高耐磨方向发展，当量磨耗也逐渐受到直径的影响，无法本征表达其磨耗性能。因此目前是直径 20 mm 以内的小球以耐磨系数来表征其磨耗性能，直径 20 mm 以上的大球则以当量磨耗来表示。鉴于当前陶瓷研磨球直径对磨耗测试性能影响显著，行业标准的测试效率不能满足企业大批量产品检测需求。新型高效磨耗检测方法逐渐受到重视。实验室快速球磨法是其中之一7，其采用高转速（转速通常在 400转每分钟以上）的工况来强化磨损，使得磨耗性能检测效率相比于常规检测显著提高。球的直径（代表体积和质量）越大，随之而来的冲量会显著增加，大直径的陶瓷研磨球具有极大的撞碎球磨罐的实验风险。通常该种方法适用于小尺寸（通常直径 20mm 以内）研磨球或微珠，并且与小球的高转速的实际工况有些接近。本文将在现有行标基础上研究研磨球直径对不同表达方法的磨耗性能的影响，以期寻找到磨耗性能的更合理表征，如此可以显著的提高测试效率。除了上述行标所述的耐磨系数、当量磨耗、还有类似的单位面积磨损量（下称面积磨耗并推导给出计算公式）表示方法本文将一并对比研究。2试验方法2.1 实验材料采用某些公司生产的如下规格的陶瓷研磨球为研究对象，相关参数如表 1。2.2 实验步骤采用内径 200 mm、内长 220 mm 的聚氨酯球磨罐，装入 4 kg 研磨球和 2 kg 石英砂（40-60 目之间）和 4 kg陶瓷研磨球直径对其磨耗性能的影响夏维煌1，杨海涛1,2,3，张军恒2，唐涛2，李俊国3，沈强3(1广东佛山市陶瓷研究所控股集团股份有限公司，佛山528300；2萍乡市金刚科技工业园有限公司，萍乡337022；3武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉430070)摘 要：随着陶瓷研磨球向高耐磨方向发展，现有陶瓷研磨球的磨耗性能表征技术也逐渐丰富。本文探究了陶瓷研磨球直径对磨耗性能的影响并对比分析了不同磨耗表征方法的影响结果。文章发现，耐磨系数随着研磨球直径增大而逐渐衰减，适用于高耐磨产品的批次表征。而当量磨耗和面积磨耗随着研磨球直径增大而逐渐增大，不适用于高耐磨产品的批次表征，但适合低耐磨产品的批次表征。关键词：陶瓷研磨球;研磨介质球;磨耗;耐磨基金项目：广东省重点领域研发计划项目2021B0707050001；潮州市科技项目2019PT01；韩江实验室自主创新项目HJL202012A001作者简介：夏维煌（1968），男，本科，Email:W通讯作者：杨海涛（1989-），男，博士，E-mail:Haitaoyang_编号材质密度g/cm-3Q1中铝球86%Al2O33.61Q2矾土球3.31Q3锆铝复合球3.42表 1 陶瓷研磨球的基本信息11Vol.33No.01（Serial No.318）FOSHAN CERAMICS清水，其中石英砂的加入更好的模拟球磨工况。以 80 转每分钟转速在球磨试验机上球磨 24h，记录研磨球在球磨前后的质量，按下列公式计 算磨耗。重复测试 3 次取平均值。Y1=1000mmt(1)Y2=KDmm(2)式中，Y1为耐磨系数，单位为 g kg-1h-1；Y2为当量磨耗，单位无量纲；m 为研磨球球磨前后质量差值，单位为 g；m 为研磨前的质量，单位为 g；t 为球磨时间，单位为 h；K 为修正系数，4.1710-4，单位为 mm-1；D 为研磨球直径，单位为 mm；另外面积磨耗定义为单位面积单位时间的磨损量，也即Y3=mSt(3)式中，Y3为面积磨耗，单位为 g m-2h-1；S 为所有研磨球的总表面积，单位 m2。对于单颗研磨球，其体积 V0和表面积 S0如公式V0=D3610-9(4)S0=D210-6(5)因此总的研磨球的数量 N 为N=mV0=6mD3103(6)式中 为研磨球密度，单位为 g cm-3；研磨球总表面积 S 为S=NS0=6mD(7)将方程（7）代入方程（3）中，得到最终的面积磨耗公式（8）。Y3=1000D6mmt(8)3结果与讨论3.1 直径对耐磨系数的影响图 1 给出了陶瓷研磨球的耐磨系数随直径的变化趋势。从图中可以看到，陶瓷研磨球 Q1 的耐磨系数随直径有明显的衰减。对于耐磨系数稍小的陶瓷研磨球 Q2，其衰减幅度变小，对于耐磨系数更小的陶瓷研磨球 Q3，仍然可以看到其随直径衰减的现象，在耐磨系数衰减至0.17 g kg-1h-1后，直径的影响才不明显。3.2 直径对当量磨耗的影响图 2 给出了陶瓷研磨球的当量磨耗随直径的变化趋势。从图中可以看到，所有样品的当量磨耗与直径呈现出线性关系。三种球磨耗最大的研磨球 Q1，其当量磨耗随直径变化不大。在球磨粉碎行业中，早期的陶瓷研磨球是天然鹅卵石等石材基础上发展而来，其磨耗性能相比于鹅卵石有较大的提高，但当量磨耗相比于当前产品仍然偏高，研磨球 Q1 就是典型代表。陶瓷研磨球 Q1的当量磨耗随直径变化不大的规律也是行业标准中采用当量磨耗的缘由之一。对于磨耗性能稍好的陶瓷研磨球 Q2，其当量磨耗随直径线性增大，对于耐磨系数更小的陶瓷研磨球 Q3，线性增大的趋势更明显。3.3 直径对面积磨耗的影响图 3 给出了陶瓷研磨球的面积磨耗随直径的变化趋势。从图中可以看到，三种陶瓷研磨球的面积磨耗呈现的规律与当量磨耗是一致的。对比公式 14 和面积磨耗的计算公式 8，可以推导出它们的关系为公式 9。显然符合图 3 所示规律。由于当量磨耗是无量纲的物理量，而面积磨耗的物理意义是单位面积单位时间的磨损量。图 1 陶瓷研磨球的耐磨系数随直径的变化趋势图图 2 陶瓷研磨球的当量磨耗随直径的变化趋势图12佛 山 陶 瓷2023 年第 1 期（第 318 期）因此可以考虑将面积磨耗等效为当量磨耗的物理意义。Y3=1056Y2(9)4讨论研磨球在实际球磨过程中同时包含了撞击引起的冲击磨损和表面摩擦引起的磨剥磨损8-10。冲击磨损与磨球的质量成正比，磨剥磨损与研磨球表面积成正比。相关公式推导如下。可以看到冲击磨损（公式 11）与直径无关，而磨剥磨损（公式 12）与直径成反比关系，对直径比较敏感。从推导出的耐磨系数理论表达式（13）可以看出，磨耗与直径呈现衰减趋势，这与图 1 所示规律一致。Y1=Yc+Ym(10)Yc=Kcm(11)Ym=Km0S=Kmm/D(12)Y1=A1+B1/D(13)式中，Yc为冲击磨损，Ym为磨剥磨损；Kc、Km0、Km、A1、B1均为常数；其中 A1=Kcm，B1=Kmm/。仔细推导当量磨耗的计算公式 2 中修正系数 K，其值为 0.01/24，其中 24 为测试时间（小时,h）。也即当量磨耗的计算公式可以改写成公式 14，可以进一步推导出当量磨耗与耐磨系数的关系如公式 15 所示。如此当量磨耗的最终理论表达式 16 在公式 13 基础上乘以 D 推导而来。这与图 2 所示规律一致。Y2=0.01Dmmt(14)Y2=0.01DY1(15)Y2=A2D+B2(16)式中，A2=0.01Kcm，B2=0.01Kmm/。从消除直径对磨耗性能测试结果的影响的角度出发，只有当磨剥磨损机制占比很小至可以忽略时，冲击磨损机制占据主导地位时，耐磨系数更适合批量表征。反之，当磨剥磨损机制占据主导地位时，当量磨耗更适合批量表征。对图 2 中数据进行线性拟合，可以得到相关常数（表 2）。可进一步对耐磨系数实验数据解析，可以得到冲击磨损机制和磨剥磨损机制的各自贡献（表 3）。对直径敏感的磨剥磨损机制占比如表 4 所示。可以看到不耐磨的样品 Q1 的磨剥磨损机制占据主导地位（占比超过 90%），此时当量磨耗有利于提高测试效率。而高耐磨的陶瓷球如样品 Q3 的磨剥磨损机制不占主导地位，但其仍有相当占比。此时当量磨耗和耐磨系数都不适合批量表征。但其意味着陶瓷球继续向高耐磨发展至磨剥磨损相对可忽略时，耐磨系数则适合批量表征。5结论本文探究了陶瓷研磨球直径对其磨耗性能的影响并对比了不同磨耗表征方法。得到如下结论：图 3 陶瓷研磨球的面积磨耗随直径的变化趋势图表 2 陶瓷研磨球的磨耗性能相关常数编号A2(104)B2(104)A1(g kg1h1)B1(kg1h1)Kc(kg1h1)Km(kg1h1cm3)A0.00211.4380.0214.385.251061.30105B0.01260.5200.135.203.151054.30106C0.01440.1440.141.443.601051.23106表 3 陶瓷研磨球的冲击磨损机制 Yc和磨剥磨损机制 Ym的磨耗编号Yc(gkg1h1)Ym(g kg1h1)2030405060A0.020.720.480.360.290.24B0.130.260.170.130.100.09C0.140.0720.050.0360.030.02表 4 陶瓷研磨球的磨剥磨损机制的占比（Ym/(Yc+Ym)，%）编号2030405060A97.295.894.593.291.9B68.158.751.646.041.5C33.325.020.016.714.3（下转第21页）13佛 山 陶 瓷2023 年第 1 期（第 318 期）（1）耐磨系数随着研磨球直径增大呈现衰减趋势。其衰减趋势是磨剥磨损机制贡献的。高耐磨产品的磨剥磨损机制占比低，意味着陶瓷球继续向高耐磨发展至磨剥磨损相对可忽略时，耐磨系数适合批量表征。（2）当量磨耗随着研磨球直径增大呈现线性增大趋势。只有当磨剥磨损机制占比超过 90%，此时冲击磨损机制可忽略，当量磨耗有利于提高测试效率。不耐磨产品的磨剥磨损为主要机制构成，当量磨耗适用于这种产品的批量表征。（3）面积磨耗的物理意义是单位面积单位时间的磨损量，可等效为无量纲单位的当量磨耗的物理意义参考文献1 秦麟卿,吴伯麟,牟善彬.陶瓷研磨球的磨损分析 J.陶瓷,2002(1):3.2宋杰光,吴伯麟,钟莲云等.工艺条件对用辊棒废料制备的中铝瓷球显微结构及性能的影响J.硅酸盐通报,2005,24(2):4.3 赵士英.球磨机转速与磨球大小对效率及能耗影响的研究D.山东科技大学.2019.4张耀生.陶瓷球粉磨水泥使用效果分析J.水泥,2018(9):3.5吕宝伟.微晶 ZrO2研磨介质球的制备与研究D.山东理工大学.2008.6JC/T 848.1-2010,耐磨氧化铝球 S.20107刘卫东,李军远,丁锐等.陶瓷研磨体耐磨、耐冲击性能测试方法研究J.陶瓷,2017(6):5.8Vermeulen L A,Howat D D.Abrasive and impactive wear ofgrinding balls in rotary mills J.Journal-South African Instituteof Mining and Metallurgy,1986,86(4):113-124.9Norquist D,Moeller J.Relative wear rates of various diametergrinding balls in production mills J.Transactions,AIME,1950,187:712-71410 谢恒星.湿式磨矿中钢球磨损机理与磨损规律数学模型的研究D.中南大学.2002.（上接第13页）利用；(6)检测后经过调浓，水玻璃泵入储罐。4.4 利用“母液”生产的水玻璃实测值湿法水玻璃生产，我们希望用尽可能少的烧碱，产出模数高、婆美度高的水玻璃，这些都和石英砂的溶出量有关系，由于“母液”中含有 6%左右的离子态二氧化硅（SiO2），利用该“母液”生产的湿法水玻璃，可以提高水玻璃中二氧化硅（SiO2）的含量，从表 7“母液法”水玻璃检测数据看得出，其二氧化硅（SiO2）的含量稍高于传统湿法工艺生产的水玻璃，各项指标可以满足生产陶瓷泥浆解胶剂的要求。5结论(1)水玻璃是一种可以单独作为解胶剂使用，或者以其为原料进一步加工为各种类型解胶剂的重要陶瓷化工新材料，这几年随着陶瓷产业的发展，水玻璃得到广泛使用，而且在一些陶瓷产区已然成为主流的解胶产品，大力发展陶瓷用水玻璃，对促进陶瓷产业节能减排具有重要意义，我们知道“碳达峰”靠规划，而“碳中和”则需要技术，发展性价比高的水玻璃作为解胶剂产品，推进陶瓷产业可持续发展，贴合国际的“双碳”政策，具有重要意义；(2)利用“母液法”生产水玻璃技术可靠，产品质量好，可实现水玻璃、五水偏硅酸钠的联动生产，有效解决母液循环法工艺生产五水偏硅酸钠产生的“母液”量大，多次循环使用后五水偏硅酸钠外观颜色发黄，产品粒度细小，容易产生结块的问题，攻克了母液循环法工艺生产五水偏硅酸钠受“母液”影响，出现的“肠梗阻”的现象，有利于母液循环法工艺生产五水偏硅酸钠产业的发展进步；(3)该工艺的推广应用，不但解决了母液循环法工艺生产五水偏硅酸钠过程中出现的难题，而且通过对“母液”的科学利用，可以生产出较好质量的水玻璃，满足陶瓷行业的需要，是个一举两得的好方法。表 7“母液法”水玻璃的主要成分指标项目规定值铁（Fe）,W/%-水不溶物，W/%1.21密度（20）/（g/ml）1.526-1.559氧化钠（Na2O）,W/%12.9二氧化硅（SiO2），W/%30.1模数2.20-2.3021