第一節　研磨粉碎設備

一、研磨粉碎簡述

眾所周知，疏水性農藥粒子在水中分散比較困難，通過加工過程，能在原藥粒子表面覆蓋一層表面活性劑，使表面活性劑的親水端指向外面，疏水端指向粒子。由于表面活性劑的作用，原本不親水的粒子通過表面活性劑表現出良好的親水性，從而達到加工目的。另外，由于粒子表面是同一形態離子的表面活性劑，也降低了微小粒子相互黏結的可能性，從而改善了農藥微粒在水中的分散性能。

農藥懸浮劑（SC、SE、OF、LSD、DF）產品的國家標準中要求其懸浮率≥70%，這就要求粒子細度小于5μm，大多數粒子的粒度分布要求粒徑在2μm以下。研磨粉碎設備是濕粉碎必不可少的設備。最常用的研磨粉碎設備是各種結構的砂磨機。

砂磨機的粉碎過程可以認為是懸浮液與研磨介質之間各種力相互作用的結果。農藥懸浮液、研磨介質可以看作一個研磨體系，砂磨機分散盤高速旋轉產生很大的離心力，離心力使研磨介質以三種方式運動：①研磨介質與懸浮體同方向流動。由于介質間可能產生速度差，對農藥顆粒產生剪切力；②研磨介質克服懸浮液的黏滯阻力，向砂磨機內壁沖擊，產生沖擊力；③研磨介質本身產生自轉。如果相鄰兩介質的相對自轉方向或速度不同，會對顆粒產生摩擦作用。由于上述三種運動和三種粉碎力（實際情況更復雜）的存在，顆粒被粉碎時最少要受到兩個力的同時作用。

早期使用的砂磨機為立式開放式和密閉式兩種，現在逐漸為能克服介質偏析、研磨不勻、不易啟動等缺點的臥式砂磨機所代替。臥式砂磨機研磨后的物料細而均勻，研磨介質為玻璃珠、天然砂、氧化鋯珠、陶瓷珠等，直徑為0.5～5mm，根據砂磨機的規格和產品粒度選定。靠它產生的剪切力將料液中的物料磨細，較粗的物料應先在預分散機等其他設備中預磨50～200目，再進入砂磨機研磨。

二、立式砂磨機

立式砂磨機又分敞開式和密閉式兩種，其工作原理基本相同。研磨介質和農藥懸浮液混合在一起，由于分散盤的高速旋轉產生離心力，研磨介質和農藥顆粒在離心力的作用下沖向磨筒的內壁，介質對農藥顆粒產生強烈的剪切、摩擦、沖擊和擠壓作用，農藥顆粒受到作用力后被粉碎。立式砂磨機的基本結構如圖2-1所示。

敞開式（簡稱開式）砂磨機截留研磨介質的金屬網暴露在外面。這種結構的特點是由于分離器的篩網露在外面，研磨介質與懸浮液的分離情況隨時可以觀察，結構簡單，清洗方便，維修容易，見圖2-2。缺點是研磨介質填充系數小，懸浮液的水分易蒸發，在分散器高速旋轉下，空氣容易進入懸浮液中，產生氣泡而降低磨效，有時要加入消泡劑。另外，對有機溶劑、有毒性物料、高黏度物料的研磨也受到一定限制。

密閉式（簡稱閉式）砂磨機分離介質的金屬網伸入到磨筒內，或設間隙式動態分離器，均與外界隔開。它的優點是介質的填充系數高，可以達到70%～90%，能研磨50Pa·s的高黏度物料。與敞開式相比，懸浮液的發泡率大大降低。應該說，密閉式砂磨機較敞開式砂磨機有更多的優點，見圖2-3。

三、雙冷卻系統攪拌棒式砂磨機

雙冷卻系統攪拌棒式砂磨機是德國20世紀80年代開發的新型濕式粉碎設備，適用于農藥、顏料、涂料、磁性材料、油墨等化工產品的分散及粉碎，可以把物料粉碎到微米級。

1. 結構原理和特點

普通砂磨機因其轉子外壁和定子內壁間距較大（即研磨間隙寬），磨室內的能量密度分布不均勻（見圖2-4）。距轉子外壁和定子內壁較近的地方能量密度較大，粉碎效果較好。反之，能量密度較小，粉碎作用甚微。這種能量密度分布不均衡的現象導致了被粉碎物料的粒度不均，且粒徑分布范圍較寬，粒徑較大的顆粒影響了產品質量。此外，磨室間隙寬導致砂磨機的平均能量密度低，僅為1.5kW/dm3左右，因而其粉碎和分散的效率都不高。

攪拌棒式砂磨機增大了攪拌分散軸直徑，大大縮小了轉子和定子之間的間隙，使磨室內的任何部位都具有幾乎相等的能量密度，提高了研磨、粉碎和分散效果。在該砂磨機的轉子和定子上分別設置的銷棒，強化了對物料的擠壓、摩擦、沖擊和剪切等復合粉碎作用，提高了粉碎效率和處理量，該設備外形見圖2-5。

如圖2-6所示，雙冷卻攪拌棒式砂磨機主要由轉子、定子、分離裝置及傳動裝置組成。轉子是圓柱形結構，內設雙冷卻水通道，形成空心軸結構。在頂端有密封蓋，以防止物料、研磨介質及空氣進入軸內，轉子外殼安裝有圓柱形銷棒。定子是圓筒形結構，外設通冷卻水夾套。在定子內側，有序排列許多圓柱形銷棒，排列位置與轉子錯開。分離裝置設在出料口上，動態分離裝置能夠連續把達到細度的物料與介質分開。

轉子和定子之間形成的環隙構成研磨室，進料口在研磨室底部，出料口在上部側面，傳動裝置在砂磨機頂端與轉子相連。

2. 設計原理

物料的研磨和粉碎不是發生在磨室壁之間，而是在研磨介質的珠球和物料顆粒之間。攪拌分散軸設計成大直徑的空心圓筒，縮小了分散軸與磨室壁之間的距離（研磨縫隙），保證了分散軸與珠球范圍內的沖擊速度，這樣可以使磨室內的任何部位都具有幾乎相等的研磨和粉碎效果。由于分散軸的高速旋轉，研磨介質和顆粒在分散軸上的各組銷棒力的作用下，產生了強烈的攪拌、摩擦、沖擊、剪切等復合粉碎作用，其中剪切力起著主要作用。料漿包圍著介質或在介質之間通過，其中固體顆粒因受上述力的作用而被研磨、粉碎，保證了研磨室內的能量密度均衡。靠近分散裝置的區域，其能量密度高，能量密度與珠球距分散裝置的距離有如下關系：

　　（2-1）

式中 ——能量密度，kW/dm3；

　 　a ——珠球距分散裝置的距度，dm。

磨室內能量密度的均衡消除了無用功的產生，節約了能源，并使料液中的顆粒細化，粒徑分布集中，從而可獲得理想的微粉碎效果。

3. 工作原理

懸浮液在送料泵的作用下從底部進入研磨室，與研磨介質混合。由于轉子的高速旋轉，轉子、定子及銷棒向介質傳遞能量，使進入介質活化區（粒子捕獲區）的物料顆粒受到來自介質的擠壓、剪切、摩擦等作用，在短時間內得到粉碎。研磨介質及較大的顆粒集中在定子壁附近，在這里形成一個具有高能量密度的有效研磨區域。由于研磨室為環狀，而且內外壁的距離較小，研磨室有很高的能量密度。轉子、定子、銷棒交錯排列，防止介質隨轉子周向運動，更加提高了研磨效率。介質的高速運動，使磨室從下至上每一個平面的介質數量都基本相同，無堆積現象和研磨死角。底部進料后把已經磨細的物料從頂部經分離器排出，系統為連續工作。如不加入研磨介質，還可以作分散、均質之用。除了上述優點以外，攪拌棒式砂磨機還有如下特點：

① 在筒形分散軸（轉子）和磨室殼體（定子）的夾套內分別設計了冷卻水流道結構，從而保證了磨室能在較低溫度下操作，能適應熱敏性物料和熔點較低物料的粉碎。

② 與普通砂磨機相比，磨室內研磨介質少，從而減少了物料黏附在介質上的黏附量，更換物料時減少了物料的浪費，提高了經濟效益。

③ 物料在密閉系統中連續操作，料漿不易起泡。當研磨、粉碎有毒有害物料（農藥）時，減少了液體揮發，改善了勞動條件，減輕了勞動強度。

④ 全套裝置結構緊湊，占地面積小，有利于安裝。

4. 使用方法

根據實際需要，亦可進行多次循環操作。此時，只要把從磨筒上部物料出口處排出的物料返入砂磨機旁的容器中，使物料在系統中循環，直至產品達到預定的要求。系統出料后再加入新的料液進行下一批循環操作。

四、臥式砂磨機

臥式砂磨機的磨筒水平放置，攪拌軸在磨筒中心也水平布置，外形見圖2-7。它的工作原理與立式砂磨機基本相同。臥式砂磨機除具備立式砂磨機的優點外，同立式砂磨機比較有如下優點：經研磨農藥的實驗表明，同體積的臥式砂磨機比立式砂磨機的生產能力高出2倍左右；臥式砂磨機的啟動功率低，消耗功率也低于立式砂磨機。但臥式砂磨機的軸承、密封、分離器的磨損較嚴重，加工制造對材料的要求都很高。圖2-8是臥式砂磨機的結構簡圖。根據不同物料的性質，設計出多種結構的分散盤，圖2-9是砂磨機常用分散盤的實物照片。

表2-1是國產臥式砂磨機主要技術參數，表2-2是德國耐馳精研磨技術有限公司制造的臥式砂磨機主要技術參數。

圖2-10是耐馳精研磨技術有限公司制造的臥式砂磨機。這種砂磨機一改主軸帶分散盤的結構，而是在加粗的主軸上安裝有銷棒而形成轉子，筒體內壁也安裝有固定的銷棒而形成定子。轉子和定子的銷棒交錯排列，研磨效率很高，該砂磨機轉子端面結構見圖2-11。

五、渦輪砂磨機

砂磨機的粉碎主要發生在研磨介質之間以及研磨介質與器壁的接觸區域。在摩擦、碾壓、剪切等力的作用下夾在研磨介質之間或研磨介質與器壁之間的固體顆粒被粉碎。但因傳統砂磨機一般為圓筒形結構，分散盤帶動研磨介質，因此研磨效果十分有限。而渦輪砂磨機增加了研磨介質與機體的摩擦面積，從而提高了研磨效率。

此砂磨機的外殼為臥式圓筒形結構，但在水平放置的圓筒式主軸上，串聯若干個渦輪式加速器，這是提高研磨效率的主要原因，見圖2-12。表2-3是渦輪砂磨機主要技術參數。

工作時，液體懸浮劑與研磨介質充滿于研磨筒內，在加速器的內外均充滿研磨介質，在離心力的作用下，高速旋轉的加速器將研磨介質高速甩出并沖向器壁，研磨介質在運動過程中，與加速器和外筒內壁均有撞擊和摩擦效果，加快了物料的粉碎。加速器使更多的研磨介質增加了沖擊能量，也強化了粉碎作用。

研磨介質在研磨室里經過渦輪加速器進行加速，基于砂磨機磨室內的優化設計，內部渦輪循環的研磨介質將在較短的時間里達到最高的能量密度，這種渦輪循環的研磨介質在強度和速度上都要比平流運動效果大幾倍。渦輪式砂磨機有如下特點：

① 渦輪加速器確保了研磨介質的高能量、均勻的運動，從而保證了高磨效；

② 理想的通道式和循環式生產工藝，連續不斷的高效能實現了粒徑分布最窄；

③ 使用高質量的材料（碳化硅、氧化鋯、硬鉻合金）確保了更長的使用壽命；

④ 高效的能量轉換降低了能耗；

⑤ 較小的研磨容積和理想的冷卻效果確保了對溫度敏感產品的順利研磨。

六、三室砂磨機

農藥在粉碎過程中，顆粒要經過粗分散、細分散和超細粉碎幾個階段。按照砂磨機分散、粉碎的特點，研磨介質直徑應由大到小逐級改變才能得到更好的粉碎效果。基于這個規律，國內開發出SW30×3三室臥式砂磨機。

SW30×3三室臥式砂磨機是具有三個水平磨室的研磨設備，由主機、傳動系統、供料系統及電器等部分組成。主機裝有密閉工作室，筒體的徑長比為1∶2.5，在工作室內部有分離裝置，結構如圖2-13所示。

電機通過液力耦合器把動力傳遞給主軸，物料由無級變速器帶動齒輪泵，懸浮液依次通過三個磨室，砂磨機通過圓筒鼓形篩圈出料。篩圈的最薄處為4mm，出料面積為25.2cm2。為了保證砂磨機的安全正常運行，該機裝有壓力和溫度自控連鎖安全裝置，設定壓力為0.1MPa，采用自動控制技術。分散盤也設計成螺旋形結構，強化了研磨效果。

農藥懸浮液通過齒輪泵送入磨室，分散盤的轉動使研磨介質與物料顆粒間產生研磨作用。第一磨室的作用是將粗大顆粒打碎并使其分散，需要較大的撞擊力，因此裝有較大粒徑的研磨介質，一般使用直徑為4mm的研磨介質。較大的團塊被分散后物料進入第二磨室，同理第二磨室改用直徑為3mm的研磨介質，同時，分散盤的轉速較第一磨室提高20%。第三磨室為超細研磨，因而介質直徑還要減小，采用直徑為2mm或更小的介質，同時，轉速比第二磨室提高20%，經過三個磨室的物料能夠達到細度要求，最后經分離出料。

七、Coball Mill砂磨機

Coball Mill砂磨機是FRYMA機械有限公司開發的產品。砂磨機的磨室是轉子與定子間形成的錐形環隙，工作時磨室具有幾乎相等的能量密度，克服了其他傳統砂磨機能量密度寬的缺點，在農藥粉碎中具有廣闊的應用前景。

（一）結構原理

Coball Mill砂磨機的結構及工作原理如圖2-14所示，主要由轉子、定子、冷卻室、動態分離器、主軸等組成。帶冷卻室的定子和轉子構成的縫隙就是研磨室，動態間隙分離器在磨室的上端，從底部進料，上部出料。

轉子、定子及上蓋等與介質接觸的表面均采用硬質合金或高耐磨防護層，這些防護層容易更換。MS-32以上規格均設有水壓裝置（水的壓力為0.2～0.6MPa），保證快速打開或關閉機器，以方便維修或清洗。當需要調節線速度時，通過改變傳動比來完成。動態分離器能夠連續把物料與研磨介質分開，以防介質流出機外。分離器的間隙不大于介質直徑的1/3，進料采用兩種輸料泵，當輸送有機溶劑時用齒輪泵，輸送懸浮劑時用Mhoo泵。進料速率由一個接觸型壓力表控制，一般進料壓力限制在0.1MPa。

懸浮液經進料泵送入研磨室，研磨室裝有一定數量的研磨介質。轉子的轉動帶動介質在懸浮液中高速旋轉，由于磨室很小，磨室中有相當高的能量密度，物料在短時間內得到粉碎。因底部不斷進料，被粉碎后的物料向上運動，經動態分離器分離排出機外。

（二）主要技術參數

1. 砂磨機的主要技術參數

Coball Mill砂磨機目前共有五個型號，主要技術參數見表2-4。

2. 研磨介質的選擇

不同的磨室裝填不同的研磨介質，磨室容積大，相應的介質直徑也大。研磨介質直徑與磨室間隙的關系見表2-5。

3. 介質填充率

本砂磨機的研磨介質可以用強化玻璃珠、鋼珠及氧化鋯珠等。介質填充率為理論磨室容積的60%～80%，見表2-6。

4. 砂磨機轉子轉速

砂磨機轉子的線速度是影響研磨效率的主要因素，Coball Mill砂磨機采用無級調速的方法，可根據物料溫度情況調節轉子轉速，見表2-7。

（三）Coball Mill砂磨機的特點

1. 能量密度高

一般砂磨機主要缺點是能量密度不均勻，不僅會造成更多的能源浪費，也會造成產品的粒度分布寬。Coball Mill砂磨機利用錐形研磨區域，對被研磨物料所施加的研磨能量在從進口至出口的全過程中逐步增加，不僅能量密度高，而且效率也很高，使產品粒度分布極窄。圖2-15是該砂磨機與普通砂磨機能量分布的對比。

2. 生產能力大

在相同處理量的情況下，普通砂磨機磨室容積比Coball Mill砂磨機要高3～5倍，因而后者節省研磨介質，降低了研磨介質的用量，也降低了操作費用，并減少物料中雜質含量。

3. 冷卻性能好

農藥是熱敏性物料，研磨介質的相互摩擦要產生大量熱量，致使懸浮液溫度上升，這些熱量不及時排出會造成農藥重新凝聚，使粉碎無法進行。Coball Mill砂磨機比其他砂磨機有更大的冷卻比表面積（冷卻面積與磨室容積之比），可以控制物料研磨時的工作溫度，圖2-16是Coball Mill砂磨機與普通砂磨機冷卻面積與磨室容積的比值曲線。

八、PM-DCP型砂磨機

PM-DCP型砂磨機由原聯邦德國的Drais公司制造（國內稱超級砂磨機）。該砂磨機適用于多種精細化學品的濕式粉碎，能夠將200μm的物料粉碎到1～2μm，是當今世界上較理想的濕式粉碎設備之一。

1. 砂磨機的結構

同前面幾種砂磨機一樣，PM-DCP型砂磨機也是由轉子、定子、分離裝置、液壓系統及控制系統組成。轉子是一個倒置的筒形結構，在筒壁的內外兩側有序排列許多圓柱形銷棒，向介質和物料傳遞能量。定子呈雙層筒型結構，兩個相對內壁也排列銷棒，位置與轉子交錯布置。分離裝置在砂磨機的定子內側上方中心出料口處，以使懸浮液和介質分離。轉子把定子分成內外兩個環形空間，故形成了內研磨室和外研磨室。兩研磨室在底部及上部設有通道，進料口在外研磨室上方。圖2-17是該砂磨機的結構圖，圖2-18是該設備的外形圖。

2. 工作原理

懸浮狀物料與研磨介質在磨室中混合，轉子、定子的銷棒強烈沖擊研磨介質，介質產生高速紊亂的運動造成撞擊，相互剪切、撞擊和摩擦使物料被粉碎。物料從外研磨室由上向下經底部通道進入內研磨室。在內研磨室自下向上流動，最后經分離器與介質分離后排出砂磨機外。研磨介質主要集中在外研磨室，因此外研磨室是粉碎的主要區域，圖2-19是該砂磨機的工作原理圖。

3. 設備特點

PM-DCP型砂磨機有如下特點：

① 砂磨機巧妙地運用了離心力作用，排出來的物料很少帶出研磨介質。

② 能量密度高，產品粒度分布窄。

③ 物料經過由外室向內室的外上→外下→內下→內上的運動，延長了物料在機內的運行路徑，使設備結構緊湊，生產能力大。一臺容積僅有6L的PM-DCP型砂磨機，生產能力與一臺250L的普通砂磨機相當。

④ 定子由液壓系統控制，可以進行升、降、轉動，操作方便。

九、間隙式砂磨機

謀求更高的能量密度、更大的冷卻比表面積是開發新型砂磨機的目的之一。對更高顆粒細度的要求導致使用更小的研磨介質，并因此產生更高成本的分離裝置。

20世紀80年代出現于市場的新型間隙式砂磨機便是專門滿足工業上這些高設計要求的。使用更小的研磨介質并使之處于更高的離心力場中。因此具有下列優點：

① 提高了慣性，盡管研磨介質質量更小，也能明顯改善研磨效果。

② 改善了分離效果，這是因為有更高的離心力作用于研磨介質，使之更易脫離被研磨的物料。

間隙式砂磨機的特點在于其有一個以研磨室內兩壁為界的特定的狹窄間隙，在此間隙里研磨介質和物料相互平均以10～16m/s的剪切速度運動。借助于0.2～3mm的研磨介質首先可利用其處于運動狀態的表面對物料進行碾壓，其次還可借助攪拌銷棒或凸輪加強研磨效果。研磨室的任何一段位置都能滿足這一要求，即兩壁之間的最小距離應比研磨介質的平均直徑大4～5倍。這是防止研磨介質擠壓和擠碎的必要條件。這種間隙式砂磨機的特點是其研磨介質小、耐磨強度高、能量利用率高，圖2-20示出其結構。

這種新型間隙式砂磨機是在極窄的間隙中進行研磨操作的，并在其每個粉碎室中都設有一個研磨介質的內返混通道。操作時離心力阻止了研磨介質，并鎖閉分離裝置。設置在每一粉碎室中的研磨介質內返混通道在研磨時可將大部分隨物料曳走的研磨介質重新輸送回原先的研磨區域。

同時，作用于返混通道的離心力還防止了研磨物料由前研磨區域向磨機出口運動時的短路現象，致使物料強制通過被稱為間隙的研磨區域。環繞整個研磨區域的冷卻室可將研磨過程產生的熱量完全散發掉，因此對一些熱敏性物料也可以進行粉碎加工。

該磨機在一個整體中設置了多個研磨室并以相同的動力傳動操作。標準型是三個研磨室，故其粉碎的經濟性也得到提高。根據顆粒尺寸的減小和黏度的增加，每一單體研磨室可以配置直徑尺寸各不相同的研磨介質，并選擇不同的研磨介質充填率進行操作，具體指標如下：

第一研磨室：研磨介質直徑φ1.5mm，充填率65%；

第二研磨室：研磨介質直徑φ1mm，充填率60%；

第三研磨室：研磨介質直徑φ0.5～0.75mm，充填率50%。

這種設計思想可使每個研磨室均有其表面光滑的界面，這樣就可使磨機無須因更換物料而拆卸清洗。只要轉動整臺磨機，通過專用接口就可注入或排出清洗液體。

同樣，有選擇地使較大顆粒截流在這一研磨區域內并通過返混道與研磨介質一起進行回流，同時可起到分離的作用。

間隙式砂磨機有如下特點：① 該砂磨機有較大的冷卻面積，可以控制磨室溫度，特別適用于農藥等熱敏性物料的研磨粉碎；② 磨機清洗方便，適用于需經常更換品種的操作；③ 三個磨室配以不同直徑、不同裝填量的研磨介質，使操作更合理，降低了能耗；④ 磨室為間隙式，能量密度高而且分布均勻，產品粒度分布窄，從而保證了產品質量。