國家經貿委在制定建材工業“十五”規劃中，非金屬礦行業的發展方針和主要目標是發展非金屬礦深加工產品，發展超細粉碎、精細提純、表面改性、超微細和微孔技術。當前國際上非金屬礦工業礦物的超細粉碎及精細分級技術是最主要的深加工技術之一，而影響深加工技術的關鍵又在于設備。由咸陽非金屬礦研究設計院粉體中心參照國外機型研制的CM51A型及系列沖擊式超細粉碎設備，自1993年投放市場以來，經過不斷地改進、完善和創新，現已有100余臺應用于非金屬礦等物料的超細粉碎生產中，取得了良好的經濟效益和社會效益。現對其工作原理及影響粉碎性能的因素做進一步的研究與探討。
1、沖擊式粉碎機理及CM51A型超細粉碎機工作原理分析
    對于粉碎理論的研究迄今為止還不能直接應用于實際的粉碎機設計或確定粉碎作業參數。由于沒有具體的設計基礎資料，理論研究的結果只能作為大體上的參考。就高速沖擊式超細粉碎而言，1959年，H．Rumpf的研究認為：沖擊粉碎能與沖擊碰撞的速度成正比，顆粒的第一次碰撞只導致顆粒的疲勞，只有連續碰撞，顆粒才能粉碎。從能量利用的角度來說，并非沖擊或碰撞速度越高越好。不同種類和不同粒度的物料都有一個最佳的沖擊速度，此時能量的利用率或粉碎效率最高。目前在工程實際應用中仍然采用實際經驗法進行設計。
    CM51A型沖擊式超細粉碎機的工作原理如圖1所示。小于8～10 mm的物料由給料斗經雙螺旋給料器給入，給料速度的快慢根據粉碎機的實際負荷自動調節，并可控制給料粒度。兩個粉碎室互相直列配置，直徑分別為400 mm和440mm，中間由可調換的圓形擋料環隔開。在第二粉碎室的排出口，也裝有形狀相同的擋料環與風扇隔開。每一粉碎室均設有兩列轉子（其中，第一室為⑥、⑦，第二室⑧、⑨），⑥與⑧葉片的結構相同，但尺寸大小不同，均為與水平主軸的垂直方向成100傾角的6塊放射狀葉片，旋轉時有助于在粉碎室形成風壓；⑦與⑨葉片的結構相同，但尺寸大小不同，它們的8塊放射狀葉片均無傾角，旋轉時在粉碎室易形成氣流阻力。在所有轉子頂部，均裝有高硬度耐磨合金鋼制成的可替換錘頭，與其平行相對的是鑲在殼體內側經特殊處理的高耐磨襯板，其間留有2~3 mm間隙。物料在粉碎室隨著旋轉的氣流顆粒間相互沖擊、碰撞、摩擦、剪切；同時受旋轉體離心力的作用，顆粒受到粉碎室內壁的撞擊、摩擦、剪切等作用被連續粉碎。粉碎室具有沖擊兼氣流顫震粉碎作用，最有效的粉碎區間發生在每個粉碎室的兩排轉子間。由于第一粉碎室轉子的線速度為50 m/s，顆粒在此即被粉碎成數百微米大小的粉體，而第二粉碎室轉子的線速度為55m/s，經過該區間的粉體受到沖擊粉碎作用更強，由于第二粉碎室的直徑增大，此時粉體的粉碎時間延長，而且該粉碎室的轉子還具有分級功能，通過這里的粉體顆粒，經回轉卸料器返回粉碎機再粉碎。物料中的難磨礫子和殘留雜質，可通過機內特設的排渣裝置自動排出機外。通過分級機的微細顆粒，進入微粉收集系統而成為最終產品。
2、影響粉碎設備性能因素分析
    機械沖擊式超細粉碎設備要獲得合格的微米級產品必需配備高效的分級設備，影響其微細粉產品的粒度和產率的因素很多，單就CM51A型超細粉碎機而言主要包括：(1)粉碎室圓形擋料環內徑的大小。它影響物料在粉碎室內滯留時間的長短，擋料環內徑變大，物料滯留時間變短，粉碎產品粒度變粗，造成物料在粉碎機內循環往復，不僅影響其產品產量而且生產不出合格產品；反之，擋料環內徑變小，物料滯留時間變長，粉碎產品粒度變細，但產量變小。通常應根據不同的材料、不同的細度要求，選擇不同的擋料環調配使用。(2)粉碎室內排渣口大小。排渣口主要是排除粉碎機內物料中難磨的礫子和雜質，提高產品的質量和純度。排渣口變大，物料的處理量增大，部分原料也隨之排出，造成浪費；反之，排渣口變小，粉碎機中的難磨的礫子和雜質不能及時排出，產品產量降低。一般情況下按物料處理量的8%~10%比例調節。對于高純度的物料，排渣口可關閉。(3)粉碎機錘頭與襯板間隙的大小。間隙過大或過小均會使產品的產量降低，通常間隙控制在2—3mm為宜，間隙過大，錘頭與襯板間的物料層太厚；間隙過小，錘頭與襯板間的物料層太薄，都影響其粉碎效率，降低使用效果。
    另外與粉碎機配套的分級機轉速的高低，分級葉片直徑的大小、厚薄，葉片的角度、間距和數量的多少，分級機內筒高度，二次進風空氣的流量以及系統配置風量的大小都影響粉碎設備的性能。在此不再贅述。
3、應用研究
    超細粉碎中以機械粉碎機最為廉價，加工成本低，使用范圍廣并能大量應用于工業生產。國內最早用于加工微米級物料的沖擊式超細粉碎設備，是由滑石行業于20世紀80年代初通過補償貿易從日本細川株式會社引進的M502NC型超細粉碎機和MS - 3H型微細分級機，其配套的超細粉碎工藝在給料粒度≤8mm時，經過一次粉碎就能生產出10μm通過率90%以上的超細粉，不僅有高的粉碎比，而且具有難磨礫子連續自動排出功能，適用范圍廣的特性。在國際上具有一定的先進性和代表性。鑒于此，我院在承擔國家科技攻關項目的基礎上，于1993年研制成CM51型沖擊式超細粉碎機和QF5型空氣分級機填補了國內多項空白。經過幾年不斷改進更新，其性能指標在某些方面已超過國外引進設備的水平。
3.1  多種非金屬礦物及其他物料的超細粉碎
    (1)煤系高嶺土礦物的超細粉碎研究。我國的煤系高嶺土的開發研究從20世紀80年代末開始，為我國獨具開采價值的礦物。經過我國廣大科技人員的多年研究，煤系高嶺土超細產品現已廣泛用于造紙、橡膠、塑料、油漆、陶瓷等許多方面。超細產品按白度分為煅燒土和非煅燒土；按粒度分為填料級（<10 μm）產品和涂料級（<2μm）產品。其中加工填料級的煤系煅燒高嶺土產品國內許多資料公認推薦的生產工藝及設備通常為：原礦一粗碎一超細-粉碎、分級（咸陽磨）一煅燒一解聚、打散一產品包裝。其中咸陽磨特指咸陽非金屬礦研究設計院粉體中心生產的CM51A型超細粉碎機及QF5A型空氣分級機，它是將小于10 mm的原礦經CM51A型超細粉碎機超細粉碎和QF5A型空氣分級機分級后，即得<10μm通過率≥90%的煅燒原料。該技術設備現已廣泛應用在內蒙古烏海、寧夏石嘴山、山西大同、太原、朔州、忻州、河北邯鄲、高碑店、湖北恩施、宜昌、安徽淮北、遼寧沈陽、陜西韓城、榆林、蒲白等地的煤系、非煤系高嶺土超細深加工產品中。其中部分地區的生產實踐結果見表1。
    (2)碳酸鈣礦物的超細粉碎研究。碳酸鈣類礦物主要包括方解石、白堊、大理石、白云石等，根據超細產品的加工方式不同，分為重質碳酸鈣和輕質碳酸鈣，其中重質碳酸鈣因價格低廉、色澤白、硬度低、化學穩定性好等許多優點，而成為使用最為廣泛、用量最大的填充材料，僅在塑料所用填料中就占70%以上，年總消耗量已超過100萬t。在填料級的用量中以800。1500目的重質碳酸鈣需求量增長最快。目前國內對該粒級產品的加工以干法為主，由CM51A型超細粉碎機及QF5A型分級機組成的工藝技術及設備現已廣泛應用在四川雅安、青海西寧、云南昆明、廣東佛山、廣西南寧、賀州、江蘇蘇州、浙江建德、吉林通化、遼寧阜新、河北承德、上海、北京等地的重質碳酸鈣超細深加工產品中。其中部分地區的生產實踐結果見表2。
    (3)其他礦物的超細粉碎研究。CM51A型超細粉碎機和QF5A型空氣分級機組成的超細粉碎工藝流程還根據用戶的不同需求，對其他多種物料進行了超細粉碎研究，均取得了良好的效果，涉及的物料有：滑石（山東青島、廣西桂林）、晶質石墨（內蒙包頭）、半軟質高嶺土（陜西涇陽）、伊利石（河南嵩縣）、碎云母（河北靈壽）、重晶石（陜西榨水、廣西桂林）、硅灰石（遼寧法庫）、水鎂石（山東濟寧、遼寧東港）、沸石（廣西靈州）、葉臘石（浙江）、透閃石（陜西）、白云母（安徽潛山）、絹云母（安徽滁州）、氧化鐵紅（黑龍江大興安嶺）、煤（陜西銅川）、天然瀝青（甘肅蘭州）、對苯二胺（陜西西安）等多種物料。其中部分物料應用的牛產實踐結果，見表3。
3.2  其它應用研究
    (1)產品純度的研究。這也包括物料經過超細粉碎后自身純度的提高和高純度物料經過超細粉碎后純度的變化。非金屬礦物中超細滑石粉是較早使用的，它也是我國主要的非金屬礦資源，其加工和利用的水平相對于其他礦物都高。我們采用由CM51A型超細粉碎機組成的工藝，對山東某地產出的50t二級滑石進行了超細粉碎試驗生產，在原礦Fe含量為1. 37%時，經超細粉碎后，小于10μm通過率85. 5%的產品中Fe含量為1.27%，排渣中Fe含量為1. 43%時，說明原礦部分鐵質通過粉碎機特設的排渣裝置排出，滑石經過超細粉碎后自身純度得到了進一步提高。而對于高純度石墨的超細粉碎，我們選用的原料為內蒙石某廠高碳石墨，規格為LG100 - 96．C含量96. 28%，灰分3.08%，揮發分1.  14%，水分0.57%。在不同分級機轉速條件下的超細粉碎產品經日本黑理株式會社對試驗產品的檢測結果（3個樣品）知：產品小于500目通過率97. 93qo~ 99. 90qc．Fe含量均小于10，C含量96. 88%。97. 68%，灰分1.67%一2.05qo，揮發分0. 65%~1.16%，水分0.3%~0.6qo。本試驗研究結果完全滿足了外商的要求，產品現已批量出口日本、韓國、瑞士、臺灣等國和地區。由此可見，高碳石墨經過CM51A型超細粉碎機粉碎后，產品的純度沒有發生明顯變化，僅僅是細度變得更細了。
    (2)解聚、打散功能研究。CM51A型超細粉碎機還具有解聚、打散的功能。對于輕質碳酸鈣來說，由于輕質碳酸鈣采用化學法生產，生產過程中往往有部分條件發生變化，造成產品諸如炭化不完全、部分顆粒過大，另有部分超細顆粒團聚，導致其最終產品不穩定的現象。而對于煅燒高嶺土而言，產品經過煅燒后，形成團聚現象，影響其使用效果。鑒于此類問題，我們通過改進CM51A型超細粉碎機及工況參數，完全解決了輕鈣產品的不穩定性和煅燒高嶺土超細粉的團聚現象。現已成功地用于上海某輕質碳酸鈣企業和國內煅燒高嶺土企業中的解聚打散工藝里。
    (3)被粉碎物料的性質的研究。被粉碎物料的性質對超細粉碎后產品的產量和細度影響很大。不同的物料其可碎性、莫氏硬度、水分含量、粒度組成均有差別。水分含量應在2%以下；物料的莫氏硬度應小于6，此時對超細粉碎機的錘頭、襯板等磨損小；片狀具有韌性的物料（如云母、品質石墨）超細粉碎效果沒有脆性物料（如重晶石）效果好；小于10 mm且以自然粒度組成的物料其粉碎效果最佳。
    (4)各種超細粉碎設備比較研究。目前，國內對
于生產1 500目以下超細粉產品主要以干法為主，采用的粉碎設備主要包括：球磨機、立式磨、氣流磨、攪拌磨、沖擊式超細磨、振動磨、膠體磨等等。各種設備都有其使用范圍。對年生產規模在萬噸以上的產品來說，主要選用球磨機、立式磨配分級機。而氣流磨相對于一般干法機械粉碎機械利用率很低，其能量多次轉換才能作用到被粉碎的物料上，本身生產成本高，不宜生產低附加值的產品。干式攪拌磨超細研磨設備介質磨損較大，產品磨耗值較高，往往采用濕法設備較多。CM51A型沖擊式超細磨由于構造簡單，作容易，單位能耗低，粉碎能力大，設備運轉費用低，產品粒度易調節，粉碎機內設有難磨粒子自動排除裝置等，主要適用于生產規模和投資規模不大，莫氏硬度小于6的低附加值物料超細粉碎中。
4、結  語
    CM51A型沖擊式超細粉碎機及QF5A型空氣分級機等是該院在20世紀90年代初研制出的一種新型的超細粉碎設備，經過這些年的市場應用，應該說是一種成熟的，且得到大家公認的干法超細粉碎設備。但它也存在一些不足之處，通常情況下一條加工1250目的超細粉碎生產線年產量僅有15001左右，不能適應大規模工業生產，今后還需更進一步研究。可喜的是，該院新研制的CM61型沖擊式超細粉碎機及QF6型空氣分級機即將投入試運行，其理想狀況應該是比CM51A型產量翻一番。
    從目前的機械制造角度來看，沖擊式超細粉碎機械的發展，由于受到金屬材料機械強度的限制和耐磨材料及加工工藝的限制，粉碎機錘頭的線速度不能無限增大，一般不超過110 m/s。而從結構設計角度來看，它又受沖擊粉碎理論研究水平的制約，其發展受到限制。目前，國內一些權威資料介紹有關CM型沖擊式超細粉碎、分級設備的技術資料均來源于該院，當然也包括國內仿造該型設備的一些企業，希望大家共同努力，為我國的粉體工程深加工作出應有的貢獻。