超细粉碎技术现状及发展趋势

作者：张更超 应富强

欢迎访问e展厅 展厅 10 其它通用机械展厅 粉碎机, 混油机, 搅拌器, 搅拌机, 上料机, ... 摘 要：综述了国内外超细粉碎技术及设备的现状，从工作原理、结构特点等方面详细介绍了其典型设备，同时指出了近年来国内外在此领域中的新进展，并基于现存问题指出了今后超细粉碎研究方向。 关键词：超细粉碎；粉体 超细粉碎技术是从20世纪40年代逐步发展起来的，至今已成为各国重要的非金属矿及其他高新原材料深加工技术之一。由于各国科研技术水平不一，到目前为止超细粉碎仍没有严格的统一定义。一般将加工粒径为0．1～lOμm的超细粉体的粉碎和相应的分级技术称为超细粉碎。超细粉碎和超细分级是物料深加工中的难题，也是粉体技术中的关键。 物料细化后，往往会出现许多新的优良性能。由于超细粉体粒度极细，比表面积大，加之缺陷少，因而其表面活性高，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，又具有独特的光、电、磁性能等，故被广泛应用于高档涂料、医药、高技术陶瓷、微电子及信息材料、高级耐火及保温材料、填料和新材料产业。因此，提高超细粉碎技术对现代高技术新材料产业的发展有着极其重要的意义。 1 超细粉碎设备 国外对于超细粉碎技术的研究起步较早，从20世纪40年代就开始注重以超细粉碎、分级及改性为基础的深加工技术，到60年代该技术已取得迅速发展。目前英、日、美、德等国具备较高水平的超细粉碎技术和设备，可以加工细度为0．5～lOμm窄级别的超细粉体。相对而言，国内对超细粉碎技术的研究起步较晚。但经过近年来努力，到目前为止，我国已能生产各种类型的超细粉碎设备，其性能可与国外先进机种相媲美，基本上能满足我国非金属矿实际生产中的需要。 发展至今，超细粉体的制备有诸多方法，但用于实际生产中的主要有两种：机械粉碎法和化学合成法。其中，化学合成法置备的超细粉，粒度细，纯度高，但成本高，产量低，且生产工艺复杂；而机械粉碎法成本较低，产量高，工艺简单，且能改良物料性能。因此，除了少量超细粉碎不得已用化学合成法外，绝大多数非金属矿的粉碎采用机械粉碎法。国内外制备超细粉体的机械粉碎设备主要有高速机械冲击式磨机、气流磨、介质搅拌磨、振动磨等。其中，高速机械冲击式磨机和气流磨属于干法超细粉碎设备，而介质搅拌磨和振动磨既可用于干法超细粉碎也可作为湿法超细粉碎。 1．1 高速机械冲击式磨机 高速机械冲击式磨机是一种应用较普遍的粉碎设备，其工作原理：利用高速旋转的回转体(锤头、叶片等)对物料进行猛烈的打击，使其与固定体、物料之间产生冲击、磨擦，从而达到细碎目的。其结构简单，粉碎效率高，粉碎比大，且可连续作业，运转平稳，故被广泛地应用于矿业、化工、食品、药物、建材等行业。但由于回转体的高速运转及与物料的冲击、磨擦、碰撞，必造成一定的磨损，所以冲击式磨机适于加工中硬、软物料。 目前，国外冲击式磨机主要机型有日本细川公司的Super-Micron型超细粉磨机、德国Alpine公司的Circoplex分级研磨机、美国P．M．C公司的喷射粉磨机等，国内主要机型有咸阳非金属矿研究院和西安飞机制造公司联合研制的CM型系列超细粉磨机、清华大学和沈阳重型机械厂共同开发的CZM型分级研磨机。高速机械冲击式磨机是我国超细粉碎技术与设备研制开发成效最显著的领域之一，近几年来涌现了大量的这方面发明专利：立式高速离心超细粉碎机(中国实用新型专利CN2290402Y)、多功能超细微粉机(中国实用新型专利N2230184Y)、旋风式无介质超细磨(中国实用新型专利CN232l522Y)、离心超细粉磨机(中国实用新型专利CN2274985Y)、湍流超细粉磨机(中国实用新型专利CN224756lY)等。 Circoplex分级研磨机（图1）是一种集粉碎、分级功能于一体的典型冲击式磨机，现在已被广泛应用于糖、合成树脂、可可、化工原料及非金属矿等中等硬度以下物料的超细粉碎。 其工作原理：原料由控制阀给入分级室，经预先分级后，合格细粒物料从产品出口排出，粗粒物料进入研磨室由冲击锤粉碎；粉碎后的物料在由进气管进入的上升气流作用下输送到涡轮超细分级器进行分级；分级后，合格细粒物料从产品出口排出并收集为成品，不合格粗粒物料再次进入研磨室进行粉碎至合格产品为止。该机特点：① 内置的超细分级器既有预先分级功能又具检查分级功能，从而提高了粉碎效率，降低了能耗；② 由于冲击粉碎机和分级机采用一体组合，故结构紧凑，运转平稳，整体性好；③根据需要，通过调节涡轮分级器的转速可得到不同细度的产品；④冲击锤和研磨轨道等易磨损部件可以更换，粉碎部与分级部由法兰盘连接，在液压驱动下可将装置打开，从而使维修方便。 1．2 气流磨 气流磨是一种技术较成熟的干式超细粉碎设备，它借助由喷嘴喷出的高速气流(300～500m／s)或热气流(300～400~C)的能量，使颗粒相互发生碰撞、剪切、摩擦，致使物料破碎。由于气流磨采用干法生产，从而省去了物料的脱水、烘干等工艺；其产品纯度高、活性大、分散性好，粒度细且分布较窄，颗粒表面光滑，所以气流磨在粉碎行业很受欢迎，广泛地应用于非金属矿、化工原料、颜料、磨料、保健药品等行业的超细粉碎中。但气流磨也存在一些不足之处：①设备制造成本高，能耗大，加工成本也较大；②单机处理能力较差(产量均小于lt／h)，不适合大规模生产； ③产品粒度难以达到亚微米级，在l0μm左右时效果最佳，在l0μm以下时产量大幅度下降，加工成本急剧上升。 气流磨自20世纪40年代问世以来，技术已趋于成熟，目前主要机型有圆盘式、循环管式、对喷式、靶式和流化床式等五大类。J—O—Mizer型循环管式气流磨（图2）是目前应用较广的气流磨，其工作原理：物料经加料器进入下部位置的粉碎区，气流经过一组研磨喷嘴进入粉碎室并将物料颗粒加速，使颗粒相互冲击、碰撞、摩擦而粉碎；气流挟带粉碎后的颗粒沿上行管向上运动进入分级区；在分级区离心场的作用下，使密集的颗粒流分流，内层细料经百叶窗式惯性分级器分级后排出即为成品；外层粗料沿下行管返回继续循环粉碎，直至合格细料。 该机结构特点：①粉碎室的内腔截面并非真正的圆截面，循环管各处均为非等截面，而且分级区和粉碎区弧形部分的曲率半径也是非等径的。这种特殊结构，既能加速颗粒运动，又能增强离心力场的作用，从而提高了粉碎和分级效率；②分级区的弯曲管壁设计成减磨曲线状，从而使磨损大大减轻。目前，国内循环管式气流磨主要品种有上海化工机械三厂研制的QON75、QON 100及宜兴清新粉体机械有限公司开发的JOM 系列。 近10年来，国内在吸收国外先进设备技术基础上，对气流磨特别是靶式气流磨和流化床式气流磨做了相应的改进，提高了设备的耐磨性、粉碎效率等性能。例如，在Alpine流化床式气流磨基础上改进后的对喷式流化床超细气流粉碎机(中国实用新型发明专利CNl129610A)，提高了粉碎效率、分级精度，减少了磨损，保证了产品粒度的均匀性，同时又提高了产量。又如，江苏昆山超微粉碎机厂在引进德国630AFG机型的基础上研制的QYF-720型流化床气流磨粉碎机，提高了国产流化床气流磨粉碎机的单机处理能力。 1．3 介质搅拌磨 介质搅拌磨主要由一个静置的内填小直径研磨介质(钢球、陶瓷球、玻璃球等)的研磨筒和一个旋转搅拌器构成，其工作原理：通过搅拌器搅动研磨介质产生冲击、摩擦、剪切等作用使物料粉碎。由于搅拌磨在超细粉磨设备中效率较高，能耗较低，可以得到平均粒径1μm以下的产品，所以被广泛应用于高级陶瓷原料、颜料、云母、硅灰石等非金属矿的超细粉碎。 介质搅拌磨在工业上应用已有半个世纪，至今已发展成为一类种类繁多、品种齐全的超细粉碎设备，根据结构大致可分为立式、卧式、环式和塔式四种；根据操作方法可分为间歇式、连续式和循环式三种类型。目前，国外主要机型有：美国联合工艺公司(Union Process)研制的S型、SC型系列搅拌磨及C／H系列立式连续搅拌磨，瑞士AGMW公司制造的WPM型立式湿法连续式搅拌磨，德国耐驰精磨技术股份有限公司(NETZSCH)的LME卧式砂磨机及法国BEFS Technology MPSP Department的干式和湿式搅拌磨等。国内搅拌磨生产厂家和科研机构在国外搅拌磨基础上，经过不断摸索、创新，在搅拌器和磨机整体机构等方面做了相应的改进，这突出表现在棒盘式搅拌磨(中国实用新型专利CN2249636Y)、搅拌塔式磨机(中国实用新型专利CN2267858Y)、鼠笼转子搅拌磨(中国实用新型专利CN1203123A)、JCM 型超细立式搅拌高能球磨机(中国实用新型专利CN2341714Y)等搅拌磨的成功研制 。其中，搅拌塔式磨机（图3）采用固定在底端轴承座上的变径螺旋体作为搅拌器，使搅拌在不同压力、浓度区间中处于不同的工作状态，增强了介质与物料之间的摩擦、冲击和碰撞作用，从而提高了制粉效率；螺旋搅拌器的尾轴端设置在底座上的轴承座上，消除了偏心旋转现象，提高了搅拌器的工作稳定性，减少了噪音和振动，降低了能耗，提高了磨机的使用寿命。 1．4 振动磨 振动磨是国内外广泛应用的机械粉碎设备，其工作原理：利用研磨介质(球形或棒形)在作高频振动的简体内对物料进行冲击、摩擦、剪切等作用，从而使物料达到粉碎。其产品细度可达亚微米级，且具有较强的机械化学效应，能耗较低，易于工业大规模生产，所以振动磨在超细粉碎加工中占有一定的比重，广泛地应用于建材、化工、陶瓷、耐火材料和非金属矿等行业的粉体加工。 国外振动磨主要机型有德国Humboldt公司的Palla型振动磨、美国Allis-CHALMERS公司的CHLMERS型单筒式振动磨、日本的CH型及CKC型等。其中，最著名的是德国的Palla型振动磨，该磨机的直径和长度分别达到200～650mm和1 300～4 300mm，电机最大功率为200kW，是目前世界上应用较广的一种机型。德国柏林工业大学在研究管式振动磨内动力和运动学的基础上，研制了一种新型管式振动磨——旋转腔式振动磨，与常规管式振动磨相比较，其显著特点：①提高了能量利用率，主要表现在处理量提高0．5～1．0倍、单位能耗降低20％～40％； ②消除了内衬及研磨介质的不均匀磨损，并使产品粒度分布较均匀。 我国对振动磨的研制开始于20世纪60年代，80年代取得了较大进展， 目前国内振动磨主要机型有：洛阳矿山机械研究所和青岛矿山设备厂研制的ZMF型内分级式振动磨；西安理工大学振动研磨技术研究中心研制的WGM-3型超细振动磨；烟台卓悦机械有限公司制造的CZM900单筒式超细振动磨、MGZ-1型高幅振动磨等。其中，MGZ-1型高幅振动磨是我国20世纪80年代研制较成功的振动磨，现已广泛应用于工业生产中。该磨机振幅高达15mm，其生产能力比同规格的Palla型高出30～40倍，功率消耗降低约30％ 。西安理工大学研制的WGM-3型超细振动磨，采用了三维动力有限元法对磨机结构进行了三维振型分析，使磨机振动参数得到了控制。该磨机得到的产品粒度均匀，产量高，且单位能耗低，噪音污染轻，耐磨性能较好，振动频率、强度均可调。经过近20a的努力国内振动磨虽然取得了长足发展，但仍存在着一些问题：单机处理能力差，能耗大，缺乏与之相配套的分级装置等。 1．5 其他设备 中国矿业大学研制的CBY型超细剥片均化机(中国实用新型专利CN148520A)，利用高压射流的强大冲力和压力突然降低后的穴蚀效应，使物料因冲击和爆裂作用而被粉碎。该设备借助高压水作动力，使被处理的矿浆在料罐里处于高压状态，高压状态的料浆通过细小喷嘴高压喷出，射在特制的靶体上，从而达到料浆超细粉碎和均化的目的。这种设备适用于中等硬度以下物料，如高岭土、云母、伊利石等的湿式超细粉碎或剥片。以CBY—C型超细剥片均化机为例，主要技术参数：装机容量小于125kW，处理能力(折干计)1 400～6 O00kg／h，工作压力20～40MPa，流量80～200L／min，主机重量3．5t。 重庆万达超细粉体工程设备有限公司研制的CXM气旋流粉碎机是一种新型干式超细粉碎设备，其工作原理：利用高速回转装置产生的高压高频脉动旋转气流场，使颗粒物料做气固三元螺旋运动，通过相互冲击碰撞、摩擦、剪切等作用实现超细粉碎。该设备主要特点：①机件磨损和物料污染较轻；②粉碎比大，能量利用率较高； ③结构紧凑，占地面积小；④产品细度和粒度分布可在不停机情况下得以调整。以CXM一1 10型气旋流粉碎机为例，主要技术参数：进料粒径≤40 in，产品细度5～40μm，单位产量350～4 O00t／h，粉碎主机功率110kW 。 沈阳新光动力机械公司生产的JTM系列立式胶体磨，利用快速旋转盘式转齿和静止定齿的相对运动产生强列的剪切、摩擦、冲击等作用力，使被处理的物料通过二者之间的间隙时，在上述诸力及高频振动的作用下，被有效分散、粉碎。该磨机结构紧凑，操作维修方便，且其产品精度高、粒度均匀。以JTM120型立式胶体磨为例，主要技术参数：电机功率13kW，单位产量300～1 O00kg／h，产品粒度1～20μm，机重140kg。 2 现存问题及发展趋势 随着高新技术和新材料产业的发展，实际生产对超细粉体产品粒度、纯度及粒度分布等各项精度要求也相应提高，同时又面临着节约能源、保护自然环境等资源可持续性发展战略的严峻挑战，超细粉碎技术面临的困难也越来越大。为了满足社会生产发展的需要，在今后超细粉碎技术研究中应注重以下方面： (1)加强超细粉碎基础理论的研究。在深入研究超细粉碎理论和技术的基础上，注重学科交叉，积极借鉴其他学科知识。在深入研究机械粉碎法技术的同时，探寻化学合成法、物理法等其他非机械力超细粉碎技术，以适应不同特性物料对设备性能的具体要求；重视超细粒子的表面特性和表面改性，进一步研究超微细粉的团聚机理，探索消除团聚的有效途径。 (2)改进现有超细粉碎设备，发展新型设备。在现有设备基础上，通过改进设备结构、完善设备生产工艺，开发多功能一体化超细粉碎设备，提高单机处理能力、自动控制能力和综合配套性能，降低能耗、噪音、污染等不利因素，使得到的超细粉体粒度细、粒度分布窄、精度高，又能适应易燃易爆、高硬度物料等的加工。 (3)完善、优化超细粉碎设备和精细分级设备的配套。纵观超细粉碎发展历史可知，精细分级设备总是滞后于超细粉碎设备的发展。基于此，可以在现有超细粉碎设备基础上，研制与之相配套的精细分级设备及产品输送等其他辅助工艺设备，优化超细粉碎设备和精细分级设备的配套组合工艺，从而大大提高生产效率，降低能耗，保证了产品的精度要求。 (4)注重超细粒子的测试和测试仪器研究。由于超细粒子的粒度、比表面、表面电荷等其他特性的测试本身是一个极其复杂的过程，且测试结果受仪器种类和测试条件的影响极大，因此对测试仪器和测试条件的要求极为严格。方便、准确、快捷的超细粒子分析仪，尤其是能实现生产过程产品细度和级配自动控制的在线粒度分析仪将是主要的发展趋势，也是今后研究的重点。 (5)寻求解决超细粉碎过程中磨损的有效途径。在超细粉加工过程中，由于受到强烈的摩擦、碰撞、冲击等作用研磨介质和搅拌器的磨损很严重，不仅降低了设备的使用寿命，又对产品造成了污染。研制高密度、高硬度研磨介质，解决设备磨损部件的材质问题也应是超细粉碎技术研究的重点。 3 结语 随着现代工程技术的飞速发展，越来越多的超细粉碎技术在高新技术、新材料的研究开发中发挥着重要作用，超细粉碎技术在很大程度影响着现代工业技术的发展。正因如此，世界各国都加大了该领域的研究。目前，世界上超细粉碎技术的研究正处于活跃阶段；今后，超细粉碎仍是粉体技术的工作重心。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/10/2010)