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超细粉碎加工技术

日期:2016/4/6   浏览: 次

根据粉碎加工技术的深度和粉体物料物理化学性质及应用性能的变化,一般将细粉体和微细粉体分为10—1000μm(细粉),0.1—10μm(超细粉)和0.001—0.1μm的细粉一般采用传统的粉碎或磨粉设备及相应的分级设备等进行加工,这种加工技术称为磨粉;小于0.1μm的超微细粉目前还难以完全用机械粉碎的方法加工,需要采用其他物理,化学,方法进行加工;一般将加工0.1—10μ的超细粉体和相应的分级技术称为超细粉碎。
超细粉碎技术与现代产业发展
超细粉碎技术是伴随现代高技术和新材料产业,如微电子和信息工程,高技术陶瓷,高技术陶瓷和耐火材料,高聚物基复合材料,生物化工,航天技术,新能源等以及传统产业技术进步和资源综合利用及深加工等发展起来的一项新的粉碎工程技术。现已成为最重要的工矿物及其他原材料深加工技术之一,对现代高新技术产业的发展具有重要的意义。
超细粉体由于粉度细,分布窄,质量均匀,缺陷少,因而具有比表面积大,表面活性高,化学反应速度快,溶解度大,烧结温度低且烧结体强度高,填充补强性能好等特性以及独特的电性,磁性,光学性能,广泛应用与高科技陶瓷,微电子及信息材料,塑料,橡胶及复合材料填料,润滑剂及高温润滑材料,精细磨料及研磨抛光剂,造纸填料及涂料高级耐火材料及保温隔热材料等高技术和新材料产业。
具有特殊功能的高科技陶瓷是近20年迅速发展的新型材料,被称之为继金属材料和高分子材料后的第三大材料。在制备高性能陶瓷材料时,原料越纯,粒度约细,材料烧成温度约低,强度和韧性越高,一般要求原料的粒度小于1μm甚至0.1μm。

中国超细粉碎和精细分级

技术现状及发展

郑水林

(北京工业大学材料科学与工程学院,北京100022)

摘要:综述了中国超细粉碎与精细分级技术与设备的现状、近5 年的进展。20 世纪90 年代中期以来,中国超细粉碎和分级

技术取得了显著进步,现已具备了研制和生产气流粉碎机、高速机械冲击式超细粉碎机、搅拌球磨机、振动球磨机、塔式搅拌磨、

行星球磨机、高压射流磨、旋风自磨机等各类超细粉碎及涡轮式气流分级机和离心式水力分级机等设备的能力,并在流态化床

式气流粉碎机、飓风自磨机、搅拌球磨机和砂磨机、行星球磨机、高压水射流磨机以及精细分级原理和分级设备等方面取得了一

些进展,具有自主知识产权的新技术、新设备显著增多。指出中国目前在超细粉碎和精细分级领域仍然存在大型设备不足、工

艺控制技术落后、磨耗和单位产品能耗偏高、特殊粒形超细粉体的生产工艺和设备落后等问题。最后对21 世纪初中国超细粉

碎和分级技术的主要发展趋势进行了展望。

关键词:超细粉碎;精细分级;粉体技术

作者简介:郑水林,,1956 年生,博士,教授,中国颗粒学会理事、颗粒制备与处理专委会副主任委员,中国硅酸盐学会非金属矿分会理事、矿物

加工与矿物材料专委会主任,主要从事超细粉碎、粉体表面改性、非金属矿物材料等研究。

中国工业化的超细粉碎与精细分级技术的发展及设备的制造始于20 世纪70 年代末和80 年代初。迄今为止,中国超细粉碎技术与设备的发展大体上经历了3 个阶段:80 年代初至80 年代中期以引进国外技术和设备为主,期间国内的超细粉碎技术、设备制造和工艺刚刚起步,许多方面还基本上是空白;80 年代中期至90 年代中期是引进国外技术、设备与国内仿制、开发同步进行的时期,我国的主要超细粉碎和分级设备研发机构和制造厂商基本上是在这一阶段发展和形成的;90 年代中期以后,进入了自主开发和制造为主、引进为辅的阶段,期间建立的超细粉体加工厂大多采用国产技术和设备。从1995 年至今,我国超细粉碎与精细分级技术及设备取得了明显的进展,具有自主知识产权或发明专利的超细粉碎技术和设备的数量较前10 年显著增加。这一进展主要体现在设备的处理能力、耐磨性、工艺配套和自动控制等综合性能以及超细粉体的生产能力、产品质量、单位产品能耗等方面。

1 超细粉碎设备

目前,我国超细粉碎设备的主要类型有气流磨、高速机械冲击式磨机、搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、连续式行星球磨机、塔式磨、旋磨机、气旋流粉碎机、分级磨、高压射流粉碎机等。其中气流磨、高速机械冲击式磨机、旋磨或气旋流粉碎机、分级磨等为干式超细粉碎设备,高压射流粉碎机、搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、塔式磨等既可以用于干式也可以用于湿式超细粉碎[1 ]

111 气流磨

在国内超细粉碎设备厂商中,气流粉碎机,尤其是流化床式气流粉碎机的生产厂家最多(20 ) 。目前国产气流粉碎机主要有扁平(圆盘) 式、循环管式、靶式、对喷靶式、流化床逆向喷射式等几种机型,十余种规格。这些气流粉碎机广泛用于滑石、石墨、硅灰石、锆英石、高岭土、重晶石等非金属矿物以及磨料(碳化硅、氮化硼、石榴子石、刚玉等) 、化工原料、粉剂农药、颜料、保健药品、稀土等的超细粉碎加工。1995 年以来国产气流粉碎机在仿制和消化吸收国外设备的基础上有所创新,尤其是在靶式气流粉碎机、流化床式气流粉碎机以及提高气流粉碎机的耐磨性等方面。在国产塔靶式气流粉碎基础上改进的球靶式气流粉碎机,克服了现有靶式气流粉碎机的不足,使靶面磨损减轻、不易积料,提高了粉碎效率和粉碎细度。这种改进后的球靶式气流粉碎机的主要技术参数为:工作压力016 MPa ;耗气量1020 m3/ min ;压缩机功率75 kW;辅助功率10 kW;给料粒度≤150μm;产品细度( d97) 320 μm; 产量80160 kg/ h。这种气流粉碎机用于重质碳酸钙的超细粉碎加工,产品平均粒径( d50 ) = 015 μm , d95 = 2 μm; d97 = 3μm;最大粒径9μm[2 ] 。中国实用新型专利CN2302850Y(1999 1 6日公开) 公开了一种在ALPINE 流化床式气流粉碎机基础上改进的新式流化床式气流粉碎机。这种改进型对撞式流化床气流粉碎机的特点是:增大了现有对撞式流化床气流粉碎机传输区的长度,使其长径比达到310 ,在分级区和粉碎区之间增加足够高的磨体,使传输区气流平稳,分级轮负荷减少,能获得更高产量和理想的粒径,而且机器运转平稳可靠,调机工作量减少,改善了对撞式流化床气流粉碎机的性能。中国发明专利CN1129610A (1996 8 28 日公开) 所公开的流化床对喷式超细气流粉碎机的主要特点是:在每个超音速气流喷嘴产生的气射流前面都设置了混合管,使每股气流都能携带尽可能多的颗粒作高速运动,产生碰撞,提高了粉碎效率;在粉碎室内设置的上升筒及物粒流导向体使碰撞后的气固流得到控制,尤其是控制流化原料的气量,使流化气量既可保证原料均匀分布在各混合管的入口前,同时又不致使大颗粒上升到分级区,有利于分级;设置二次风口,引入的二次风可防止小颗粒随大颗粒一起下降到混合管的入口处,产生过磨现象,保证粒度的均匀性,同时提高产量。国产气流粉碎机与国外先进设备相比的主要差距之一是缺少大型(超细粉产量1 000 kg/ h 以上) 气流粉碎机。2000 年以来这方面也有所进展,昆山超微粉碎机厂继QYF720 型流化床式气流粉碎机之后又开发了QYF800 型流化床式气流粉碎机。

112 机械冲击式超细粉碎机

目前,机械冲击式超细粉碎机的主要机型有:在引进日本细川公司(Hosokawa Micron Corporation) 超细粉磨机基础上开发生产的CM51 型超细粉碎机、多级粉碎及分级磨机和CLM22 型多级高效旋磨分选超细粉磨机(中国实用新型专利CN2250807Y,1997 4 2 日公开) 以及近3 年开发生产的JCF1000 型机械粉碎机、JZC2400 型分级式冲击磨、CZM冲击式粉碎机、QZP 内分级冲击型超细粉碎机、CWJ 超微粉碎机等。这些超细粉碎机广泛应用于煤系高岭土、方解石、大理石、白垩、滑石、叶蜡石等中等硬度以下非金属矿物以及化工原料、农药等的超细粉碎加工, 产品细度一般可达到d97 = 10 μm(1 250) ,配以高性能的精细分级机后可以生产d97 = 510μm 的超细粉体产品。机械冲击式超细粉碎机是国内超细粉碎技术与设备研制开发成效最显著的领域之一,5 年来发展迅速,如获得中国实用新型专利的高产窄分布超细粉磨机(中国实用新型专利CN2313663Y,1999 4 14 日公开) 、立式高速离心超细粉碎机(中国实用新型专利CN2290402Y,1998 9 9 日公开) 、立式风选超细度涡轮粉碎装置(中国实用新型专利.??.年..月郑水林:中国超细粉碎和精细分级技术现状及发展·11 ·CN2295530Y,1998 10 28 日公开) 、双吸双磨超细磨机(中国实用新型专利CN2310621Y,1999 317 日公开) 、旋风式无介质精细磨机(中国实用新型专利CN2321522Y,1999 6 2 日公开) 、多功能超级微粉机(中国实用新型专利CN2230184Y,19967 3 日公开) 、离心式超细粉磨机(中国实用新型专利CN2274985Y,1998 2 25 日公开) 、湍流超细粉磨装置(中国实用新型专利CN2247561Y,1997 2 19 日公开) 等。旋风或飓风超细自磨机是我国自主研制开发的一种新型干式细粉碎和超细粉碎设备。它利用特殊设计的高速回转装置产生高频脉动旋转气流场,使加入粉碎机内的颗粒物料互相冲击、摩擦、剪切或切削,实现粉碎。表1 JFM 型飓风自磨机的主要技术参数。

1 JFM飓风超细自磨机型号及主要技术参数

主要技术参数JFM2650 JFM2700 JFM2750 JFM2800 JFM2850 JFM2900

进料粒度/ mm 35 35 35 40 40 40

产品细度( d97) /μm 1040 1040 1040 1040 1040 1040

产量/ t·h - 1 013110 015115 017210 110215 113312 116410

粉碎机转速/ r·min - 1 2970 2970 2970 2970 2970 2970

分级机转速/ r·min - 1 5003000 5003000 5003000 5003000 5003000 5003000

外形尺寸/ mm <2400 ×3800 <2600 ×4000 <2800 ×4300 <3000 ×4500 <3200 ×4600 <3400 ×5000

机重/ t 614 718 1115 1312 1510 1610功率/ kW主机55 90 110 132 160 200 配套40 50 56 65 78 88

这种粉碎机已用于石灰石、方解石、大理岩、滑石、硅灰石、高岭石、重晶石、长石、炉渣等物料的粉碎加工,给料粒度≤40 mm ,产品细度可在d97 = 1040μm(4001 250 ) 之间不停机地进行调节。外置精细分级机后,这种设备可生产d97 = 67μm 左右的超细粉体产品。用JFM800 对石灰石进行的试生产结果如下:产品细度d97 = 1520μm(600800) , 产量1 400 1 800 kg/ h , 产品能耗60 80kW·h/ t 。这种超细自磨机适用于加工针状硅灰石粉,JFM2800 生产的针状硅灰石粉体样品检测结果表明:颗粒的长径比平均达12 以上,平均粒径615μm ,产量1 0001 500 kg/ h ,产品能耗100150kW·h/ t

113 介质超细研磨机

介质超细研磨机有搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机和研磨剥片机、塔式磨、砂磨机、连续式行星球磨机等几种类型[3 ] 。国产搅拌球磨机在磨机结构和搅拌机构等方面有所改进,如棒盘搅拌超细湿磨机(中国实用新型专利CN2249636Y1997 3 19 日公开) ,这种搅拌磨机的结构特点是在每层圆盘之间有12 层呈十字交叉排列的半椭圆型搅拌棒,具有起动力矩小、单位产品能耗低等优点,已用于高岭土、重质碳酸钙等非金属矿的湿式超细粉碎,产品细度达d97 = 2μm 左右。国产研磨剥片机采用多级串联配置、连续湿法研磨方式,产品细度可达d95 = 2μm 左右,1995 年以来累计已有上百台80 型研磨剥片机在煤系高岭土和重质碳酸钙的湿法超细粉碎生产线中使用,3 年开发的300 500 型大型研磨剥片机在原80 型的基础上做了较大的改进,不仅提高了单机产量,而且降低了能耗、提高了研磨效率、简化了超细研磨工艺。JM型立式螺旋搅拌球磨机是在塔式磨基础上开发的一种新型搅拌球磨机,既可湿式粉碎也可干式粉碎,湿式粉碎产品细度可达d90 = 2μm 左右,干式粉碎产品细度可达d97 = 10μm 左右,已经在电解锰、重质碳酸钙、云母、高岭土、重晶石、氧化铁红、铁氧体、锆英砂、炉渣等的细磨或超细磨以及金银矿、钼矿、铜矿、铅锌矿等的再磨中得到应用[4 ] 。中国实用新型专利CN2267858Y(1997 11 19 日公开) 公开的是一种新型的搅拌塔式磨机,其特点是:螺旋搅拌器采用变径的螺旋体,使搅拌在不同的浓度、不同的压力区间具有不同的工作状态,增强了介质与物料间的冲击、摩擦、剪切作用,从而提高研磨效率;螺旋搅拌器的尾轴端设置在底座内的轴承座上,消除了容易偏心的缺陷,提高了螺旋搅拌器工作旋转的稳定性,减少了噪声和振动,降低了能耗,提高了整机的使用寿命。中国发明专利CN1203123A(1998 12 30 日公开) 公开了一种新型结构的卧式、多室/ 鼠笼转子搅拌磨机,其主要特点是: 传动装置采用液力耦合器,当磨机力矩超限时可自动进行保护;磨筒分隔成多个分室,各分室介质粒度可相同,也可不相同;鼠笼转子结构,使介质产生圆周运动、径向运动、轴向运动、高频振动等综合运动,提高了分散等作用,提高磨矿效率;由于磨机的机械能主要转化为粉碎能,热损耗少;不设冷却装置。获得中国实用新型专利的JCM 型超细立式搅拌高能球磨机是一种新型的干式超细搅拌磨机。这种搅拌磨机的主要特点是超细粉磨与分级在一机内完成,即构成内闭路,可以较好地控制产品的粒度分布。装机37 kWJCM35 型立式搅拌高能球磨机用于超细陶瓷粉的粉碎结果为: d50 = 3102 μm , d90 =3102μm , 产量平均190 kg/ h (中国实用新型专利CN2341714Y,1999 10 6 日公开) 。连续式行星球磨机的大型工业化是我国超细粉碎技术领域的一项重要进展之一,该技术以江苏省“八五”科技攻关成果为背景,解决了多年来制约行星球磨机大规模发展的连续化、大型化、粘壁、磨损和产品细度控制等相关的技术难题,采用独特的“自保护”技术克服了设备磨损和粉碎过程中的产品污染问题,率先在我国乃至世界上实现了这种设备的大型工业化。扬州群发公司的XQ600 ×1500 ×3 型连续式行星球磨机用于滑石、方解石等物料的超细加工,进料粒度≤5 mm ,产品细度d97 10μm ,产量达2 0003 000 kg/ h ,具有产品粒度细、粉碎效率高、生产能力大、单位产品能耗低等显著特点。国产振动球磨机近年来最主要的进展之一是西安理工大学研制开发的WGM3 型双电机驱动自同步激振超细振动磨机(019 m3 ,69 个重力加速度) ,该振动磨机在采用三维动力有限元法对磨机结进行了三维振型分析,实现了对磨机振动参数的有效控制,使该设备在研磨产品细度、产量、单位产品能耗、噪音及耐磨性等方面有较大进步。这种新型振动磨机已在高岭土、重质碳酸钙、矿渣、水泥熟料、重晶石等物料的超细粉磨中得到应用[5 ] ZMF 内分级式振动磨是振动磨粉碎原理和结构上的另一创新。这种振动磨采用独特的环形粉碎腔,并将粉碎和分级集于一身,便于控制产品细度和粒度分布;由于介质充填率高达80 %以及独特的三元回转(垂直翻滚和水平) 运动,介质对物料的作用强度大、能量利用率较高。这种内分级式振动磨的振幅为35 mm ,给料粒度≤1 mm ,产品细度( d97)可达10μm ,但目前ZMF 内分级式振动磨的应用或生产实践还很少[6 ] 。广西煤炭科学研究所研制开发的新型消振式离心振动磨机,综合应用振动磨粉碎原理和离心磨粉碎原理,兼有离心磨与振动磨的优点。这种消振式离心振动磨机的主要结构和性能特点是:采用单根弹簧轴,而且弹簧不直接支承筒体,即弹簧不参与筒体的振动;振动强度大,达到16 个重力加速度;半振幅1524 mm;振动频率771510215 ;电机功率小于40 kW;经过5 000 h 的工业试生产表明,该机运行可靠,单位产品能耗较低。

114 高压射流式粉碎机

北京航空航天大学流体力学研究所研制了一种利用高压空气流的JFC 高压射流式粉碎机。它将干燥无油的压缩空气加速成超音速气流,该气流携带物料作高速运动,使物料相互碰撞、摩擦而粉碎,未达到粒度要求的粉料由分级器返回到粉碎室继续粉碎。这种粉碎机可粉碎莫氏硬度110 的物料,产品平均粒度( d97) 可在120μm 范围内调节,其工艺特点是气流与物料分路进入粉碎室,故喷嘴和粉碎室磨损小。这种粉碎机已在工业矿物、化工原料、保健食品等中得到应用[7 ] 。另一种高压射流式粉碎机是利用高压(2060MPa) 水射流的强大冲击力和压力突然降低的穴蚀效应使物料因冲击和爆裂作用而被粉碎的超细剥片均化机。中国矿业大学研制的这种设备已在云母和高岭土的超细粉碎中得到应用,依给料粒度的不同,一次粉碎的产品细度可达到d97 = 1040μm。一种等浓度超细均化工艺设备进一步提高了高压水射流磨的工艺性能,它借助高压水作动力,使被处理的浆料在料罐内处于高压状态,高压状态的料浆通过喷嘴高压喷出,射在挡板上,达到料浆超细粉碎和均化的目的(中国发明专利CN1148520A ,19974 30 日公开)

115 其他

雷蒙磨是粉体加工行业广泛应用的一种微粉加工设备。传统的雷蒙磨产品细度一般在100325(45150μm) ,近几年来国内一些高等院校和科研单位对传统的雷蒙磨生产工艺进行了技术改造,主要集中在磨辊压力、风送和分级系统,使产品细度提高到d97 = 1520μm(600800 ) 。朝阳市超细粉体工程有限责任公司经过几年的努力,研制了一套可加工d97 = 10μm(1 250 ) 超细粉体的新型雷蒙磨机,2 所列为这种改进的雷蒙磨机的生产技术性能[8 ]

2 精细分级设备

211 干式分级机

干式精细分级机大多是伴随高速机械冲击式超细粉磨机和气流粉碎机,尤其是对喷式流化床气流粉碎机的引进和开发而发展起来的。目前,占主导地位的几种干式精细分级机,如咸阳非金属矿研究设计院粉体工程中心制造的QF 型空气分级机,上海化机三厂的FQZFYZ型超微分级机,沈阳飞机研究所粉体工程公司的FJJ 型分级机和昆山市超微粉碎机厂的WFJ 型涡轮式分级机等是在国外MSMSS 和德国的ATP 单轮或多轮涡轮式分级机技术的基础上发展的。这些干式精细分级机基本上都是与相应的机械冲击式超细粉磨机或气流磨配套使用的,其分级粒径可在较大范围内进行调节,其中类似于MS 的分级机的分级产品细度可达d97 = 10μm 左右,类似于MSS ATP 型分级机的分级产品细度可达d97 = 56μm 左右。依分级机规格或尺寸的不同,单机处理能力从每小时几十公斤到5 t/ h 左右不等,5 t/ h 以上的干式精细分级机的规格和数量还很少。国产干法精细分级技术的重要进展之一是分级流场的研究成果和LHB 型涡轮式分级机及射流式超细分级机的发展。徐政等人[9 ]对影响分级机的主要工艺因素(转速和风量) 对叶片间流场的影响进行了数值模拟研究,并研究了流场对涡轮式分级机分级性能的影响。结果得出转速增加,叶片间流场湍流化程度增大,不利于粉体的精细分级;但另一方面,叶轮转速增加使叶片间颗粒所受的离心力增大,分级粒径降低。因此,需要综合考虑转速对分级性能的影响,而不是简单地增加转速以达到超细分级的目的。孙国刚等人[10 ]用智能型五孔球****测量了涡轮式分级机的流场,结果得出涡轮式分级机内是一种复杂的多区旋转流场,分级轮附近气流旋转速度比分级轮外缘的旋转线速度低许多,进入分级轮的径向速度非常不均匀。根据实测的流场结果,取分级圆半径略大于分级轮外缘半径,可得到与实验值一致的切割粒径。潍坊正远工程设备有限公司开发的LHB 型涡轮式精细分级机的主要特点是转速低(1 2001 900r/ min) 、分级细度可调( d97 = 530μm) ,分级精度及分级效率高,比能耗低。用LHB2N 型分级机(总装机容量70 kW) 连续48 h 对重质碳酸钙进行的工业试生产结果(平均值) :给料d50 = 7118μm , d97 =19151μm , dmax = 26100 μm;细产品: d50 = 2181 μm ,d97 = 6179μm , dmax = 8120μm;处理量2 080 kg/ h ;细产品产量853 kg/ h ;粒径≤7μm 超细粉提取(回收)82102 %;单位() 产品能耗5710 kW·h/ t

212 湿式分级机

国产湿式精细分级机的

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