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超细粉碎与分级设备进展
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粉体技术被看作是支持高技术工业 重要的基础技术之一，现代工程技术的发展要求呈粉体状态的原料和制品具有细而均匀的粒度和尽可能低的污染程度。颗粒粒度细化后，比表面积增大，可在各种场合，如填料、染料、颜料、医药、催化剂、磁记忆元件、 磨料、固体润滑剂、精细陶瓷、化妆品等方面都表现出很好的性能。近年来在工业需求的刺激下，粉体的精细加工技术有了较大的进步。研究和应用的现状进一步说明了粉体界元老Rumf教授早在60年代所说“Fine particle t be fine.”这句双关语的正确性。零维材料的概念已逐渐被大家所接收，对重新认识物质的存在和变化提供了新的思维模式。
获得超细粉体的主要方法是从固体原料破碎粉磨开始，辅以超细分级技术使之达到对超细粉体的各种要求。这是一项高能耗的工业过程，随着各类超细粉体的需求量增大，国内外相关部门都在研究各种超细粉碎设备、方法和理论，以满足工业界的要求。就国内的现状来看，该技术应用的热点主要集中在材料工业原料深加工、新种类食品和新型药物开发等方面，这一趋势是符合工业发展规律。随着我国经济从仅需满足量需求的计划经济，向满足质需求的市场经济的转化，各工业部门都在力求原料和产品的精细化，并在保证质量的前提下尽可能降低成本。设备成为国内外研究单位和开发公司的关注热点，国际上粉碎设备的研究没有太大的进展，新材料的应用、提高设备的耐磨性能是一发展方向。国内基本上从仿制阶段过渡到研制开发适合中国机械加工和用户水平的新型设备的阶段，重复研究生产较多，设备设计与工艺研究脱节现象严重。超细粉状产品和普通产品之问的可观差价成为中国粉体加工设备发展的原动力。本文将着重对超细粉碎和分级设备的进展进行评述分析。
1超细粉碎典型设备
1.1搅拌球磨机
搅拌球磨机是超细粉碎机中 有发展前途，而且能量利用率 的一种超细粉碎设备。在搅拌球磨机中设有搅拌装置，它使球介质和物料在整个筒体内不规则地翻滚，使球介质与物料之间产生相互撞击和研磨的双重作用，致使产品磨得很细，并达到均匀分散的效果。基于这一原理，研制了适用于不同产品粒度和物料性质的各种类型的搅拌球磨机，并大都已商业化。特别是立式搅拌式磨机，以其构造简单、操作容易、维护方便等优点成为目前工业上应用 广泛的细磨设备之一。
早在30年代末期，美国矿山局 发明了一种搅拌磨，如图1所示。当初是用于浮选之前清理矿物表面。它由安装在一个立式圆筒内的转子和定子组成。由转子和定子之间的相对运动产生颗粒之间的磨擦来清理矿物表面。在定子上端装有冷却水管。以散发机体内的热量。人们后来发现该装置是1台很有效的细磨设备。在60年代初，美国矿山局对该机进行了大量的细磨开发研究，并用来大规模加工高岭土和钛白粉。
另一类搅拌式磨机是由扎格瓦瑞，于1956年发明，如图2所示。该磨机采用了由细长铁棒组成的搅拌器，并在机体外面装有冷却水套，粉碎是在垂直的圆筒形容器中进行。给料粒度范围40μm-1mm。典型的产品粒度为10-20μm。磨矿介质材料包括不锈钢、钨碳钢、陶瓷等，尺寸从3mm-6mm不等。
与扎格瓦瑞搅拌式磨机相似的塔式磨机是50年代由日本塔式磨公司发展起来的。塔式磨机采用螺旋式搅拌器，这种搅拌器除了搅拌外还有助于物料的上升运动。给矿粒度通常<3mm，由底部泵入，产品由顶部溢出。在排矿口下端安装有内部分级机，将粗粒物料返回磨机进行再磨产品粒度越细，使用的介质尺寸则越小。当产品粒度较粗时，塔式磨机的能耗与常规球磨机几乎相同。塔式磨机已经被广泛应用，目前全世界已有300多台塔式磨机在生产上使用。长沙矿冶研究院开发的塔式磨机已被金矿、氧化铁红等生产厂家所采用。90年代初，瑞典萨拉公司推出了一种新型的搅拌式磨。该机与扎格瓦瑞搅拌式磨机的主要区别是加大了搅拌器轴的直径。直径增大后的搅拌器可增加搅拌棒的数目，从而减少搅拌器的磨损，并可提高磨矿效率。
70年代以来，人们对搅拌式磨机的排料装置进行了不断的改进，使搅拌器转速不断提高，产生了卧式高能量密度的搅拌式磨机。卧式搅拌磨机虽然名称繁多，但基本结构大同小异。在粉磨过程中，排矿系统将研磨介质留在机内，而将研磨产品以浆料形式靠泵的压力排出机外;另一特点是研磨介质在一定料浆流量下沿轴向均匀分布，使磨损降低，效率提高。
搅拌式磨机采用高转速和高介质充填率，可使磨机内获得极高的功率密度，从而使细颗粒物料的研磨时间大大缩短，研磨效率大大提高;采用小介质尺寸，则能细化产品。高功率密度搅拌磨机适用于 大粒度小于微米以下的产品。在颜料、陶瓷、造纸、涂料、化工产品及食品等工业中已获得了成功。目前，高功率密度搅拌磨在工业上的大规模应用，还存在处理量小和磨损成本过高两大难题。随着高性能耐磨材料的出现，相信这些问题都能得到解决。
为了避免对湿式粉磨产品的干燥过程，干式搅拌磨成为搅拌超细粉碎的新热点。近年来，瑞士、德国、日本等国家相继推出了立式连续干式搅拌磨。清华大学在国内外调研考查的基础上。经过两年多的研究和试验工作，掌握了连续干式搅拌磨机及相关超细分级设备的原理和特性，并开发了1500L大型装置。该机电机动力为132kW，配套设备动力30kW;占地40m2，高8m;设备的处理能力依原料和产品细度要求的不同，可达150-1500kg/h。粉磨滑石和重质碳酸钙的平均细度可选亚微米级。该设备的工作原理是原料与粉碎介质分别从顶部给入，在转子搅拌混合下将原料研磨粉碎;被粉碎的产品与介质同时向下移动并从磨机底部向外排出。在磨机的底部将粉料和介质分开后，物料送入超细分级机进行分级处理;细粉作为产品用陈尘器捕集，粗粉送回磨机再磨。介质循环使用，以便将磨机内热量带出。对生产超细粉来说，原料的 大粒径小于300μm， 是40-100μm 。粉碎介质主要采用陶瓷球和钢球。为获得高纯产品，磨机的定子和转子均采用耐磨材料或表面包层。
1.2冲击式粉碎机
高速冲击式粉碎机按转子的布置方式和锤头的个数、形式分为多种，其特点是粉碎效率高、粉碎比大、结构简单、运转稳定，适合于中、软硬度物料的粉碎，广泛应用在矿业、化工、建材、食品、药物等行业。冲击式粉碎机借助于转子上锤头以50-100m/s的高速对物料施行打击而将其粉碎，处于定子和转子间隙处的物料被剪切和反弹到粉碎室内，与后续高速飞来的颗粒相撞，使粉碎过程反复进行。这类冲击式粉碎机不仅具有冲击和摩擦两种粉碎作用，而且还具有气流粉碎作用。定子衬圈和转子端部锤刃之间形成强有力的高速湍流场，其中产生的强大压力变化可使物料受到交变应力而破碎和分散。粉碎成品的颗粒细度和形态，由转子上锤头的运转状态和定子、转子间间隙来决定。低速冲击可得细长的颗粒，而高速冲击则易得物料结晶状态相同的颗粒。
1.2.1 CZM 型系列冲击式粉碎机
该机是清华大学与沈阳重型机械厂开发的多段冲击式粉碎机。特点：①将粉碎室和粉磨室两大部分组合一体，依次完成物料的破碎、粉碎和超细粉碎。②粉碎室由装有锤头的中速圆盘、定子板所组成，腔体呈扩大型的锥体，可容纳较多的物料滞留。下部中速圆盘边缘线速度为10-30m/s，装有6-12只锤头。块状物料在这里受到中速圆盘端部锤头的冲击而被粉碎，块状物料之间产生强烈的自磨而成为细粉。③粉磨室由装有小锤头的高速圆盘、上定子板组成，高速圆盘边缘锤头的线速度为60-150m/s。粉碎室产出的细粉在空气的挟带下，通过上部圆盘和定子板之闻的缝隙时，又受到强涡流的剪切作用被粉碎成微细粉体。④上下两个粉碎圆盘同时固定在主轴上旋转，采用同一电机做动力。
应用实例：粉碎方解石，总动力122kW，给料10-100mm左右的块状物，产品中细度小于10μm含量大于97%，处理能力为500kg/h。该设备适合于中等硬度矿物及建材物料的粉碎，如方解石、滑石、石膏、石墨、高岭土等。小型装置也用于食品和塑料制品的粉碎。
1.2.2 ZPS型冲击式粉碎-分级机
该机是美国、德国数家公司的产品，如图4所示。它将冲击粉碎机和卧式离心转子分级机组合为一体，具有结构简单、整体性好的特点。分级部用法兰与粉碎部相连，借助于液压装置可方便地将设备打开检修。被粉碎物料通常从管道给人磨机内部，给料中的合格产品在气流的夹带下可直接进入分级机进行预先分级;给料中的粗大颗粒在冲击粉碎区域完成粉磨过程后进入分级机分级，细粉作为产品而被捕集，粗粉返回粉碎区域再度粉碎。若给料已达到一定的细度，可将给料口改为下部风送给料，强化定子和转子间缝隙的气流剪切粉碎作用。
1.2.3 ACM 型冲击式粉碎机
该机在国外较为流行，有美国、日本几家公司生产，国内也有几家工厂在生产类似的机型，如图5所示。物料由螺旋给料机强制进人粉碎区域，在高速旋转的锤头打击和与定子壁面的冲击研磨下被粉碎，粉碎产品在导向环的引导下进人中心分级区分级。微粉作为产品从中心管排出机外，粗粉返回粉碎区再次粉碎。根据被粉碎物料的不同，粉碎机的锤头有多种选择。它具有结构简单、加工造价低、适应物料范围广的特点，加上大风量输进物料，传热效果好、粉碎区域温度较低，可用于某些热敏性物料的粉碎，这是其它设备所难于比拟的。
1.2.4 SUPER-MICRON型冲击式粉碎机
该机 早是由日本开发生产的，国内也有几家工厂生产类似的机型。其原理：粉碎轴上风机叶片旋转，在进料口产生负压，给料在重力和负压的作用下进入粉碎机内腔，在粉碎锤头的打击、剪切和与外壁的碰撞摩擦作用下而被粉碎。同轴上还装有分级叶片，可调整产品的细度。不纯的杂质可从排渣口由螺旋输送机排出机外。若与分级机组成闭路循环系统，其产品细度和处理能力都有较大的提高。 大装机功率为55kW。针对中、软质物料，该机的粉碎能力强、细度调节容易、运转平稳、结构简单，可广泛应用化工、矿山、食品、医药等行业。根据物料性质的不同，产品细度从数微米到数十微米不等。
1.3 气流式粉碎机
1.3.1 圆盘式气流粉碎机
这类气流粉碎机的腔体成圆盘状，故而得名，如图6所示。圆周上的多个气流入口与固定的喷射环管成一定角度，使喷射气流所产生的旋转涡流既能使粒子得到良好的冲撞、摩擦，又能在离心力的作用下达到分级的目的。喷嘴喷射出来的空气膨胀的作用能降低粉碎室的温度。
1.3.2 O型环气流粉碎机
O型环(循环管式)气流粉碎机，如图7所示。原料由文丘里喷嘴加入粉碎区，气流经一组喷嘴喷入不等径变曲率的O型循环管式粉碎室，并加速颗粒使之相互冲击、碰撞、摩擦而粉碎。同时旋流还带动被粉碎的颗粒沿上行管向上运动进入分级区。在分级区离心力场的作用下，使密集的料流分流，细粒在内层经百叶窗式惯性分级器分级后排出，即为产品;粗粒在外层沿下行管返回继续循环粉碎。循环管的特殊形状具有加速颗粒运动和加大离心力场的功能，以提高粉碎和分级效果。
1.3.3 冲击靶式气流粉碎机
冲击靶式气流粉碎机的结构原理：压缩空气从下部空气管送入，为了达到强制给料的目的，右上方安装有螺旋加料器，空气和物料在混台室内混合并以超音速与冲击板相冲击，从而将颗粒粉碎。气流连续喷射，颗粒经过一次冲击之后进入上升管，并在湍流作用下相互间撞击摩擦，从而达到超微粉碎的目的。
1.3.4 对撞式气流粉碎机
它是利用两股相对运动的高速气流夹带着颗粒对撞在一起，从而达到粉碎的目的。颗粒之间在混合气流作用下无规则的碰撞中向低压区移动，大量的混合粉体经连通管向上移动。细粉从上部排出;粗粉向下落，并在二次空气的夹带下通过料管重新进入粉碎区。
1.3.5 流化床对撞式气流粉碎机
该类型气流粉碎机目前在国内外有多家公司生产，如图8所示。其工作过程是物料通过翻板阀进入料仓，由螺旋输送机或借助于重力将物料送入粉碎室。气流通过喷嘴进入流化床，3个喷嘴在同一水平面上呈对称分布;4个喷嘴呈立体对称排布。较大的粉碎腔体可保证有较多的物料滞留，形成料层。高压空气夹带颗粒从料层底部的喷射交点碰撞，向上翻腾，料层成流态化。高浓度的颗粒床层提高了粉碎气流的利用率。粉碎点位于流化床中心，颗粒间相互碰撞对器壁的冲击不大，所以磨损很小。一般，流化床气流粉碎机上部设有分级机，粗粉返回粉碎区域再度粉碎。
2 气力超细分级典型设备
粉碎是一个概率过程，其产物具有一定的粒度分布。将合格细度的产品取出或将不希望的大颗粒去除是获得指定产品的重要步骤。随着所需粉体细度的提高和产量的增加，分级技术的难度也越来越高。粉体分级问题已成为制约机械法制备粉体技术发展的关键。
2.1 MC型微粉分级机
这种分级机无运动部件.靠两相流沿器壁的旋转流动所产生的离心力场进行分级。其原理是夹带分散颗粒的气固两相流在负压的吸引下进入上部的涡旋腔，在导向圆锥体的引导下以稳定的浓度进入分级室，在离心力的作用下被分离成粗细两种颗粒。细粉通过分级锥体上部的中心通道，由入口进入的二次空气夹带下。从出口排出分级机;粗粉则沿着分级锥体落入粗粉室。该机的分级切割粒度范围在5-50μm之间，可通过改变导向锥体和分级锥体之间的缝隙、二次空气量以及不同区域的压力来调节，其处理能力为0.5-l000kg/h。
2.2 DS型分级机
这也是一种无转子的半自由涡式分级机，含有微细颗粒的两相流，在负压的作用下旋转进入分级机。经沿上部筒体壁旋转分离后，部分空气和微粉通过插入管离开分级机;剩余部分需要进一步分级的物料，通过中心锥体进入到分级区，由于离心力的作用被分成粗粉和细粉。二次空气经过可调整角度的叶片进入分级室，以使颗粒充分分散，提高其分级效率。粗粉经过环形通道进入卸料仓，细粉从中心锥体下部排出机外。分级细度的调节也是通过调整中心锥体的高度和二次风量来完成。DS型分级机的切割粒径为1-300μm，分级深度可达1000g/m3，处理量为10-4000kg/h。
2.3 Mikroplex分级机
这是一种叶片导向式自由涡轮分级机。它与引风机做成一体，确保无粉尘泄露。物料由给料口加入分级室，与气流充分混合后进入分级区域;通过调整导向叶片的空气形成一个强旋涡。在这一强旋涡的离心力作用下，粗粉沿外边缘流进卸料环的内部，由螺旋输送机进走。细粉在空气的夹带下进入引风机排出机外。分级室两壁随风机转子同步旋转，保证了分级区域内流场的均匀性。该机通过导向叶片的角度和风量来调整分级粒径的大小。分级切割粒径为2.5-60μm。这种分级机的能力为20-7000kg/h，需要的功率为2.2-45kW。
2.4 SPC型涡轮分级机
SPC型涡轮分级机是在80年代后期出现的。其工作原理是粉体进入分级机后，由分散叶片和圆盘两级分散系统充分分散。粗颗粒在转子的离心力的作用下抛向出口方向，细颗粒与附属叶片产生的空气流混合，通过分级叶片后进人涡型管罩中，由布袋收尘器收集。分级机的切割粒径可通过改变转子速度或空气流速来调整。这种分级机的生产能力为10-8000kg/h，空气量为1-200m3/min，转子转速为200-1300r/min (小型机为700-1300r/min)，分级精度为0.5(1μm的细粉)和0.95(粗粉)。切割粒径为0.5-150μm。
2.5 离心转子式分级机
该分级机是分级设备中的主导产品，现有多家公司生产，其关键部件略有不同。分级机工作部件主要是一高速旋转的转子，当气固两相流通过转子间隙由外向内运动时，颗粒在离心力场作高速旋转。较大的颗粒在强大离心力的作用下，被抛向器壁而失去动能，并在重力作用下，由排料口排出;较小的颗粒则在气体粘滞力的作用下，随气流向转子内部运动，成为产品而由出料口排出。为提高分级机的分级效率，在设计中采用了二次分散风，其流量可任意调节，为使得气流在整个分级腔内分配均匀，保持分级机工况稳定，给风均采用整流装置。
2.6 ACUCUT型分级机
该分级机 早由美国DONALDSON公司开发生产的，迄今也有20年的历史。结构及原理如下：中间部分为分级转子，转子外侧是固定壁，上下盖板将分级室密封。转轴上段空心轴作为细粉出口，下段实心轴装有皮带轮，由电机带动旋转。转子由上下转盘和叶片构成，转子旋转形成离心力场。同时在空心部分产生负压区，使气流随着转子旋转，并沿径向流向空心轴部，由此构成离心力场与压力场共同作用的流体流动。分级室内颗粒受到流体夹带的作用，若颗粒受到径向夹带力大于离心力，则颗粒通过细粉出口排出，粗粉由切向出口排出。该机的特点是分级精度高，切割粒径可小于1μm，分级细度仅靠调整转子转速即可。 大处理量达1t/h。
2.7 多转子微粉分级机
本分级机是由上部多个转子构成的分级腔和底部分散装置组成的大处理量分级机，如图10所示。原料在分级机的底部被流化分散，然后被上升气流带入分级区。细粉通过转子叶片后在上部提出，进入收集器。粗粉及团聚颗粒在下落过滤中，与切向导入的二次气流相遇再次分散后，通过底部的出口阀卸出。该机专门为高细度、大处理量的分级过程而设计。其能力为1-6t/h，空气耗量为15-600m3/min，转子的转速为300-2300r/min。分级切割粒径为5-15μm。
2.8 多次分散超微粉分级机
针对微细粉体的精密分级，在传统转子式分级机的基础上发展了带有多次分散风的分级机，这是一种切割粒径小至1μm的精密分级机。原料在一次空气的夹带下切向进入转子分级区域，沿器壁流动的同时被径向三次风吹散，空气与合格的细粉经过叶轮和细颗粒出口作为产品而收集;粗颗粒和团聚颗粒在下落的过程中，通过一个导向叶片环被分级区底部切向导入的二次空气再次分散。其处理能力为50-1500kg/h，空气耗量为15-150m3/min，转子转速为800-2300r/min，高速下可使d97<2μm。本分级机可调参数较多，需要控制系统来保证工况条件和产品质量。
2.9 卧式转子分级机
如图11所示。它的原理与MS型分级机类同，都是借助于高速转子旋转所形成的离心力场来工作。国内外有数家公司生产。它 大的特点是转子直径小、转速高，卧式安装。小直径、高转速保证了在高分级精度条件下的大处理量，为了满足更大处理量的要求，也采用了多转子方案，由3个或4个转子组成。转子与出口之间的动态密封是保证分级精度的关键，多采用高压空气密封。原料由重力斜槽喂进分级机中，在下落的过程中与上升气流相遇并分散，粗粉和团聚颗粒在下部百叶窗形分散处再次被分散，以保证较高分级精度。该分级机处理能力为50kg/h-35t/h，动力为4-45kW，d97=3-180μm。
2.10 附壁交叉射流式分级机
该分级机是德国Rumf教授发明的，现在国内外有多家公司生产，亦称交叉弯管式气流机。它利用高速射流的附壁效应，同时将物料分成不同细度的4个等级。颗粒在压缩空气的夹带下，通过加料喷嘴进入分级机，流动中的颗粒轨迹是由颗粒惯量及空气阻力所决定的，通过附壁块曲线表面时，由于附壁效应形成流动偏向。因为每个颗粒根据其大小不同而惯量不一样，较小的颗粒具有较强的附壁效应，而贴着附壁块表面流动.大颗粒因惯性大而被空气夹带得更远。颗粒将按大小不同形成一个扇面轨迹，在二次空气流量和压力的调节下，可从不同的角度上获得多种产品。这种分级机没有运动部件，对0.5-10μm范围的粉体其分级效率 。该分级机单位体积的产量高，能力从1kg/h(实验室模型)到2000kg/h，要求压缩机排风量为2-100m3/min(相当于2.2-117kW)，切割粒径为O.5-50μm，分级点可自动地调整和控制。因强烈的高速磨损，这类设备的分级对象多为软质物料。
3 结论
综上所述，超细粉碎和分级设备在我国研制和应用已发展到相当高的水平，但也存在一些问题，将有待今后不断深入研究和解决。相信不久，我国超细粉碎和分级设备的研制和应用将获得更大的发展。
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