金剛石微粉的發(fā)展現(xiàn)狀

金剛石微粉就其粒度而言屬于80μm以細(xì)的粉體，顆粒大小應(yīng)包括幾個(gè)層次：納米1-100nm、亞微米0.03-1μm、微粒1-10μm、細(xì)粒10-100μm、粗粒0.1-1mm等等。

納米顆粒與亞微米顆粒以粗粒粉體相比，其比表面積和比表面能明顯增大，因此在生產(chǎn)過程中顆粒相互之間的作用力大大增加。由此可見，金剛石微粉的生產(chǎn)過程存在一定的難度，這不僅僅是顆粒細(xì)化和粒度分級的過程，同時(shí)還伴隨著晶體結(jié)構(gòu)和表面物理、化學(xué)性質(zhì)等變化。所以說金剛石微粉的生產(chǎn)工藝是一個(gè)涉及機(jī)械、粉體工程、力學(xué)、物理、化學(xué)、礦物加工、現(xiàn)代儀器與測試技術(shù)等多學(xué)科的工程技術(shù)問題。

一、金剛石微粉生產(chǎn)中常見的工藝方法

金剛石微粉生產(chǎn)中常采用的生產(chǎn)工藝是：

金剛石原料→粉碎→整形→酸處理→水洗→超聲波分散處理→粒度分級→單號粒度酸處理→烘干→粒度檢查→稱重、包裝、入庫。

從上述生產(chǎn)流程來看，金剛石微粉是一種勞動密集型的生產(chǎn)方式，需耗費(fèi)大量的人工勞動和時(shí)間，而且生產(chǎn)效率很低。為滿足國內(nèi)外客戶對不同產(chǎn)品使用的要求，從54-80至0-0.1μm要分級出18或24種規(guī)格，所以生產(chǎn)周期較長。

進(jìn)入21世紀(jì)，尤其是近10年以來，微粉之鄉(xiāng)——柘城微粉行業(yè)受到縣委縣政府高度重視。積極響應(yīng)河南中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的發(fā)展戰(zhàn)略，按照縣政府的統(tǒng)一規(guī)劃，柘城縣金日金剛石磨料磨具有限公司、柘城縣金鑫磨料磨具有限公司、柘城縣鴻祥超硬材料有限公司等五家金剛石微粉廠連排集群入駐縣高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，柘城縣新源超硬材料制品有限公司、柘城縣翔泰磨料磨具有限公司、柘城縣華鑫超硬磨料磨具有限公司等企業(yè)也先后在縣開發(fā)區(qū)征地，紛紛走出家庭作坊式生產(chǎn)，建起一座座標(biāo)準(zhǔn)化廠房，增添了設(shè)備、改進(jìn)了工藝進(jìn)行金剛石微粉規(guī)?；a(chǎn)。 2010年 “河南省惠豐金剛石有限公司”在縣高新技術(shù)開發(fā)區(qū)占地80畝的面積上建起3幢標(biāo)準(zhǔn)化廠房及研發(fā)樓、辦公樓等，總建筑面積2萬余平方米，擁有一批HFX-1金剛石微粉自動分級機(jī)、大型離心機(jī)、氣流磨等關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備及激光粒度分析儀、ICP、掃描電鏡等進(jìn)口檢測儀器，為柘城地區(qū)金剛石微粉產(chǎn)業(yè)集群化發(fā)展起到領(lǐng)頭羊作用?；葚S公司連續(xù)14年被評為“縣級優(yōu)秀企業(yè)”，“商丘市守合同重信用企業(yè)”，榮獲中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會超硬材料分會骨干優(yōu)秀會員獎；2007年7月公司通過ISO9001:2008國際質(zhì)量管理體系認(rèn)證；2011年被河南省科技廳認(rèn)定為“河南省高新技術(shù)特色產(chǎn)業(yè)基地首批骨干企業(yè)”；2012年被省工信廳授予建立“微納級超硬材料工程技術(shù)中心”，被省科技廳評為“高新技術(shù)企業(yè)”，被省政府評定并建立起“金剛石微納粉體河南省工程實(shí)驗(yàn)室”。

改革開放帶來了我國經(jīng)濟(jì)的騰飛，也給超硬材料微粉的發(fā)展帶來了勃勃生機(jī)。全國金剛石生產(chǎn)的大型企業(yè)集中在河南，由于超硬材料原料充足，超硬材料微粉的規(guī)?；a(chǎn)企業(yè)也集中在河南。其中河南黃河旋風(fēng)股份有限公司、河南省豫星華晶微鉆有限公司、鄭州中南杰特超硬材料有限公司、河南富耐克超硬材料有限公司、河南飛孟金剛石工業(yè)有限公司、河南省亞龍超硬材料有限公司、河南省聯(lián)合磨料磨具有限公司、安陽高新區(qū)精達(dá)超硬材料研究所等為主的企業(yè)在2011年生產(chǎn)的金剛石微粉年產(chǎn)量約6億克拉，加上河南柘城地區(qū)金剛石微粉年產(chǎn)量4億克拉左右，共10億克拉；而我國南方（如湖南凱特超硬材料有限公司、長沙金晶粉體材料有限公司、深圳市納鎂金剛石粉體科技有限公司等）和北方（如北京國瑞升科技有限公司、北京新世紀(jì)北極星金剛石科貿(mào)有限公司、天津市乾宇超硬科技有限公司等）微粉企業(yè)的年產(chǎn)量約2.5億克拉，河南省金剛石微粉年產(chǎn)量約占全國金剛石微粉總量的80%。所以河南無愧于金剛石微粉生產(chǎn)大省，隨著國內(nèi)外市場的擴(kuò)大，產(chǎn)能提升的需要，在金剛石微粉生產(chǎn)工藝、品種、質(zhì)量等方面我們應(yīng)該抓住機(jī)遇，增強(qiáng)信心，統(tǒng)籌當(dāng)前與長遠(yuǎn)，更加注重拓寬增長空間，更加注重提高增長質(zhì)量。

今年國際貿(mào)易形勢仍然是嚴(yán)峻的，不利因素仍然較多。出口量下滑，給企業(yè)的運(yùn)營和發(fā)展帶來了困難。我們既要看到營銷市場的問題和風(fēng)險(xiǎn)，做好應(yīng)付準(zhǔn)備；也要看到市場發(fā)展的前景是好的，堅(jiān)定做好市場營銷的增長信心。

二、金剛石微粉質(zhì)量影響因素和控制

如何評價(jià)微粉的質(zhì)量，是微粉的生產(chǎn)和使用者所共同關(guān)心的問題。

實(shí)踐表明，要獲得質(zhì)量好的金剛石微粉必須對以下四項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格的控制：（1）粗顆粒的尺寸和含量；（2）粒度分布范圍；（3）顆粒形狀；（4）金剛石原料的強(qiáng)度。

粒度分布范圍和粗顆粒尺寸及含量是最重要的。微粉的強(qiáng)度決定于金剛石的內(nèi)在質(zhì)量，也是直接影響到粉碎整形后的顆粒形狀。

微粉的質(zhì)量檢測是保證微粉產(chǎn)品質(zhì)量是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要環(huán)節(jié)，只有選擇合適的檢測儀器和認(rèn)真對待才能生產(chǎn)出符合使用要求的高質(zhì)量微粉，滿足客戶需要。因此，自20世紀(jì)80年代中期以來，國內(nèi)外前后出現(xiàn)了一些生產(chǎn)金剛石微粉的現(xiàn)代設(shè)備、儀器。

（一）金剛石微粉的粉碎及整形設(shè)備

一般來說，將粗顆粒金剛石粉碎至微米或者亞微米級有三種基本機(jī)理，即壓碎、機(jī)械沖擊、高速（9m/s以上）運(yùn)動顆粒之間的直接碰撞和研磨。球磨機(jī)就是以壓碎作用為主兼有適量低速機(jī)械沖擊作用的粉碎設(shè)備。就粉碎方法而論，用球磨機(jī)對金剛石進(jìn)行粉碎是生產(chǎn)微粉最常用的方法。國內(nèi)金剛石微粉生產(chǎn)中多數(shù)企業(yè)采用此種粉碎方法，國外原De Beers Co.、原G.E.Co.的微粉生產(chǎn)均采用球磨粉碎，曾獲得滿意的效果，但由于生產(chǎn)效率低，目前已被一種快速粉碎法所取代。

日本SEISHIN公司研制的CO-JETSYSTEMa-MKⅡ型氣流粉碎機(jī)，據(jù)稱可用于金剛石的超細(xì)粉碎，其粉碎原理是利用高速運(yùn)動的顆粒之間直接碰撞和研磨，而實(shí)現(xiàn)金剛石的粉碎和整形。

我國在20世紀(jì)80年代初開始研制氣流粉碎機(jī)，以凈化的壓縮空氣為工作介質(zhì)，通過加料噴射器形成高速射流，將被粉碎物料射入粉碎腔。粉碎腔周圍還有粉碎噴嘴，以一定方向噴射高速氣流，使金剛石顆粒之間產(chǎn)生激烈的直接碰撞、剪切、研磨作用。高速沖擊碰撞使顆粒產(chǎn)生體積粉碎，而剪切和研磨作用則使顆粒產(chǎn)生表面粉碎，使顆粒得到整形。實(shí)踐表明，只要工藝參數(shù)設(shè)置合理，這種氣流粉碎機(jī)能生產(chǎn)出比較理想的顆粒形狀，因此說這種氣流粉碎機(jī)用于金剛石微粉的生產(chǎn)是有發(fā)展前景的，

金剛石微粉不少生產(chǎn)企業(yè)，已將氣流粉碎分級設(shè)備成功的用于金剛石微粉粉碎與整形，生產(chǎn)出顆粒形狀比較好的微粉產(chǎn)品。

如果在氣流粉碎分級后再經(jīng)過一道球磨整形，將能生產(chǎn)出顆粒形狀更好的金剛石微粉。

（二）金剛石微粉的粒度分級

粒度分級是金剛石微粉生產(chǎn)工藝中重要的工序。商業(yè)性生產(chǎn)金剛石微粉的分選方法很多，它涉及金剛石微粉的生產(chǎn)效率和粒度質(zhì)量。每種方法都有其固有特性。選擇哪種方法，對生產(chǎn)者來說這是一個(gè)技術(shù)問題。

國外早已普遍采用沉降法和離心法相結(jié)合的工藝來生產(chǎn)金剛石微粉，如原De Beers Co.，前蘇聯(lián)等一直采用此法生產(chǎn)微粉。目前國內(nèi)某些微粉生產(chǎn)廠也已采用沉降法和離心法相結(jié)合來生產(chǎn)金剛石微粉。但多數(shù)微粉生產(chǎn)廠仍采用經(jīng)典的沉降法生產(chǎn)金剛石微粉，這種分級方法的缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長，耗水量大，粒度質(zhì)量不穩(wěn)定。

1、金剛石微粉3μm以粗粒度的分級：20世紀(jì)90年代初，美國已研制出金剛石微粉的MSC分級法，該方法是采用電腦控制的沉降分級設(shè)備，是一種根據(jù)顆粒尺寸大小進(jìn)行定量分級的方法。有兩大特點(diǎn)：（1）采用電腦控制，可在無人看管的情況下24h連續(xù)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)粒度分級過程自動化；（2）采用使水自動加熱到一定溫度的不中斷循環(huán)水分級，從而加快了沉降分級速度，縮短了生產(chǎn)周期，解決了常規(guī)自由沉降分級法需要處理大量水的問題。據(jù)介紹，MSC分級系統(tǒng)一次可處理1萬克拉金剛石微粉，可精確分級出0-2至20-60μm多種不同粒度的產(chǎn)品。

20世紀(jì)90年代末，美國又推出了BTA22型半敞開式金剛石微粉自動分級機(jī)，工藝過程采用PLC控制，可一次投混合料5萬克拉，從細(xì)至粗連續(xù)分級出多種粒度的產(chǎn)品。

國內(nèi)生產(chǎn)的HFX-I型金剛石微粉自動分級機(jī)是模仿BTA22型半敞開式金剛石微粉自動分級機(jī)的產(chǎn)品。目前，金剛石行業(yè)不少生產(chǎn)廠已批量將該分級機(jī)用于金剛石微粉3μm以粗粒度的分級。

這標(biāo)志著我國金剛石微粉行業(yè)從作坊式生產(chǎn)，一舉上升為用PLC控制的工業(yè)自動化粒度分級，使金剛石微粉的粒度分級工藝有了突破性的進(jìn)展，值得慶賀。但是，目前生產(chǎn)的粒度分級裝置還存有一些不足，如：（1）粒度變號過程如何控制大粒；（2）分級缸攪拌不徹底，還存在些死角；（3）分級液面的不平穩(wěn)性；4）產(chǎn)品中間貯料桶內(nèi)壁粘附大粒問題等。如何實(shí)現(xiàn)一次投入混合料連續(xù)分級合格產(chǎn)品的問題仍需進(jìn)一步研究、改進(jìn)和完善。

空氣重力分級法是一種氣體力學(xué)粒度分級法,它比自由沉降分級法有明顯的優(yōu)越性,它為實(shí)現(xiàn)微粉分級機(jī)械化和減少生產(chǎn)過程的繁重勞動提供了可能性.。因此,英國、美國、日本、原蘇聯(lián)等工業(yè)發(fā)達(dá)國家在金剛石微粉的生產(chǎn)中已采用了這種分級法。

在20世紀(jì)70年代末，原De Beers Co.在金剛石微粉的生產(chǎn)中已采用了比利時(shí)制造的一種空氣重力分級設(shè)備。

 　美國VORTEC PRODUCTS Co. 生產(chǎn)的C－1型氣流分選機(jī)是依據(jù)精確控制的空氣離心流動原理，可精確分選3~60μm粉狀物料的一種風(fēng)力分選設(shè)備。它具有高精度的分級特點(diǎn)，微粉粒度的分級范圍精確到±2μm以內(nèi)，**偏差為±0.2μm，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好。按生產(chǎn)的粒級不同，生產(chǎn)能力可達(dá)2.27~22.7kg/h。據(jù)資料介紹，原G.E.Co. 已采用該設(shè)備生產(chǎn)金剛石微粉。

日本SEISHIN Co. 制造的CO－JETSYSTEMα－MKⅡ氣流粉碎機(jī)上也配備了空氣旋流器用于金剛石微粉的分級，最細(xì)粒度可達(dá)0.4μm。

 20世紀(jì)80年代以來，原蘇聯(lián)烏克蘭科學(xué)院超硬材料所一直在開展金剛石微粉的空氣動力學(xué)特性的研究，研究金剛石微粉用空氣旋流器分級時(shí)的旋流速度與阻力系數(shù)的計(jì)算方法，對空氣旋流器的設(shè)計(jì)制造具有重要意義。

 　原蘇聯(lián)在金剛石微粉生產(chǎn)中，對空氣重力分級法的應(yīng)用廣泛。可有效地分級14/20－40/60μm的金剛石微粉，其粒度組成中的基本粒含量由原來的22%-66%提高到74%－79%。

 　我國金剛石微粉空氣重力分級技術(shù)的研究目前尚處在啟蒙階段。

2、金剛石微粉3μm以細(xì)粒度分級：為了縮短生產(chǎn)周期，提高粒度分級效率和分級精度。自2005年以來，我國不少有實(shí)力的金剛石微粉生產(chǎn)企業(yè)，在小于3μm及亞微米級粒度中已成功采用大型離心機(jī)（6 x 1000ml）進(jìn)行粒度分級。離心分級工藝保證了微米級和亞微米級粒度的質(zhì)量，得到國內(nèi)外客戶的好評。

我國金剛石微粉生產(chǎn)裝備和工藝方法與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比還存有差距，在產(chǎn)品粒度劃分上與國外不差上下，但在品種、牌號上存有差距，產(chǎn)品質(zhì)量還不能完全滿足國內(nèi)外高端客戶的需求，影響國內(nèi)外市場的正常發(fā)展。因此，建議行業(yè)有關(guān)方面組織協(xié)調(diào)企業(yè)與專家結(jié)合對金剛石微粉生產(chǎn)中粉碎、整形、分級設(shè)備、工藝方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，采用先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)出高品質(zhì)的金剛石微粉，滿足國內(nèi)外高新技術(shù)加工領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量微粉的需求。值得慶幸的是：河南省惠豐金剛石有限公司已與河南工業(yè)大學(xué)聯(lián)合建立起“微納級超硬微粉技術(shù)研究中心”。

（三）金剛石微粉的質(zhì)量檢測

控制微粉粒度質(zhì)量是生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。由于金剛石微粉的粒度屬于微米級和亞微米級，操作工人是在肉眼看不見的情況下作業(yè)的，因此粒度質(zhì)量控制的難度很大。只有靠先進(jìn)的裝備和制造工藝、嚴(yán)格的生產(chǎn)管理和先進(jìn)的測試手段，才能保證生產(chǎn)出符合使用要求的高品質(zhì)微粉，滿足用戶需要。

從用戶的要求來說，影響金剛石微粉使用性能的幾何參數(shù)是：顆粒形狀、粒度、粒度分布和強(qiáng)度。粒徑是諸物性中最重要的特性，為了正確表達(dá)這一特性值，使同一粒度樣品的供需雙方對粒度形成共識和統(tǒng)一，需要在標(biāo)準(zhǔn)或供貨合同中規(guī)定粒度的測量方法和表示方法。以顆粒投影輪廓面積相等的圓的直徑（即等面積圓直徑）表示顆粒的粒徑是粉體工程學(xué)科中較為常見的做法，也是目前世界超硬材料微粉粒度檢測標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)實(shí)踐中通常采用的。見表1。

表1  顆粒測試方法對比    

對于金剛石微粉粒徑檢測來說，有多種儀器可以使用。目前生物顯微鏡、投影顯微鏡是微粉生產(chǎn)車間工人自檢控制粒度質(zhì)量的手段。我國微米級、亞微米級顆粒測試技術(shù)已經(jīng)走向成熟。多數(shù)微粉生產(chǎn)企業(yè)選擇了激光粒度分析儀檢測粒度；納米級產(chǎn)品采用動態(tài)光散射納米粒度分析儀、透射電鏡（TEM）、掃描電鏡（SEM）等方法檢測粒徑。

三、金剛石微粉生產(chǎn)過程的環(huán)境保護(hù)

金剛石微粉生產(chǎn)中對原料和產(chǎn)品要進(jìn)行酸堿處理，會排放有害氣體和廢水而危害操作者和污染環(huán)境。為了保護(hù)人們身體健康和生態(tài)平衡，國家環(huán)境保護(hù)條例對工業(yè)廢氣和廢水中的有害物質(zhì)都規(guī)定了排放標(biāo)準(zhǔn)，只有達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)廢氣廢水才能排放。

金剛石微粉酸處理中，會產(chǎn)生氯氣、氮氧化物、硫氧化物等有害氣體。具有規(guī)模的微粉企業(yè)在酸堿處理工序都設(shè)置有專用房間，有專用的通風(fēng)柜，將產(chǎn)生的廢氣集中排出室外進(jìn)入中和冷凝塔，通過三段中和處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的尾氣才能排放。

2009年，河南省豫星華晶微鉆有限公司巨資引進(jìn)國際先進(jìn)的節(jié)能減排整套廢氣廢水環(huán)保后處理系統(tǒng)，采用多套封閉式酸處理裝置。每一個(gè)單元有一個(gè)加熱裝置罐體與一個(gè)室內(nèi)中和冷凝塔連接，形成一個(gè)封閉系統(tǒng)。每一個(gè)罐體一次可投入幾十公斤金剛石原料或單號微粉粒度。酸處理中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)室內(nèi)中和冷凝塔處理后，再進(jìn)入室外中和冷凝塔二次中和處理，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的尾氣才能排放。

在該企業(yè)酸處理車間內(nèi)及廠房外均未聞到酸味，可以毫不夸張的說，該企業(yè)在酸處理上真正實(shí)現(xiàn)了保護(hù)環(huán)境、無公害污染的金剛石微粉處理技術(shù)，為超硬材料行業(yè)微粉生產(chǎn)中提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)生態(tài)平衡、無公害污染的示范作用。