18662537949
根據粉碎加工技術的深度和粉體物料物理化學性質及應用性能的變化，一般將細粉體和微細粉體分為10—1000μm（細粉），0.1—10μm（超細粉）和0.001—0.1μm的細粉一般采用傳統的粉碎或磨粉設備及相應的分級設備等進行加工，這種加工技術稱為磨粉；小于0.1μm的超微細粉目前還難以完全用機械粉碎的方法加工，需要采用其他物理，化學，方法進行加工；一般將加工0.1—10μ的超細粉體和相應的分級技術稱為超細粉碎。
超細粉碎技術與現代產業發展
超細粉碎技術是伴隨現代高技術和新材料產業，如微電子和信息工程，高技術陶瓷，高技術陶瓷和耐火材料，高聚物基復合材料，生物化工，航天技術，新能源等以及傳統產業技術進步和資源綜合利用及深加工等發展起來的一項新的粉碎工程技術�，F已成為最重要的工礦物及其他原材料深加工技術之一，對現代高新技術產業的發展具有重要的意義。
超細粉體由于粉度細，分布窄，質量均勻，缺陷少，因而具有比表面積大，表面活性高，化學反應速度快，溶解度大，燒結溫度低且燒結體強度高，填充補強性能好等特性以及獨特的電性，磁性，光學性能，廣泛應用與高科技陶瓷，微電子及信息材料，塑料，橡膠及復合材料填料，潤滑劑及高溫潤滑材料，精細磨料及研磨拋光劑，造紙填料及涂料高級耐火材料及保溫隔熱材料等高技術和新材料產業。
具有特殊功能的高科技陶瓷是近20年迅速發展的新型材料，被稱之為繼金屬材料和高分子材料后的第三大材料。在制備高性能陶瓷材料時，原料越純，粒度約細，材料燒成溫度約低，強度和韌性越高，一般要求原料的粒度小于1μm甚至0.1μm。
中國超細粉碎和精細分級
技術現狀及發展
鄭水林
(北京工業大學材料科學與工程學院,北京100022)
摘要:綜述了中國超細粉碎與精細分級技術與設備的現狀、近5 年的進展。20 世紀90 年代中期以來,中國超細粉碎和分級
技術取得了顯著進步,現已具備了研制和生產氣流粉碎機、高速機械沖擊式超細粉碎機、攪拌球磨機、振動球磨機、塔式攪拌磨、
行星球磨機、高壓射流磨、旋風自磨機等各類超細粉碎及渦輪式氣流分級機和離心式水力分級機等設備的能力,并在流態化床
式氣流粉碎機、颶風自磨機、攪拌球磨機和砂磨機、行星球磨機、高壓水射流磨機以及精細分級原理和分級設備等方面取得了一
些進展,具有自主知識產權的新技術、新設備顯著增多。指出中國目前在超細粉碎和精細分級領域仍然存在大型設備不足、工
藝控制技術落后、磨耗和單位產品能耗偏高、特殊粒形超細粉體的生產工藝和設備落后等問題。最后對21 世紀初中國超細粉
碎和分級技術的主要發展趨勢進行了展望。
關鍵詞:超細粉碎;精細分級;粉體技術
作者簡介:鄭水林,男,1956 年生,博士,教授,中國顆粒學會理事、顆粒制備與處理專委會副主任委員,中國硅酸鹽學會非金屬礦分會理事、礦物
加工與礦物材料專委會主任,主要從事超細粉碎、粉體表面改性、非金屬礦物材料等研究。
中國工業化的超細粉碎與精細分級技術的發展及設備的制造始于20 世紀70 年代末和80 年代初。迄今為止,中國超細粉碎技術與設備的發展大體上經歷了3 個階段:從80 年代初至80 年代中期以引進國外技術和設備為主,期間國內的超細粉碎技術、設備制造和工藝剛剛起步,許多方面還基本上是空白;80 年代中期至90 年代中期是引進國外技術、設備與國內仿制、開發同步進行的時期,我國的主要超細粉碎和分級設備研發機構和制造廠商基本上是在這一階段發展和形成的;90 年代中期以后,進入了自主開發和制造為主、引進為輔的階段,期間建立的超細粉體加工廠大多采用國產技術和設備。從1995 年至今,我國超細粉碎與精細分級技術及設備取得了明顯的進展,具有自主知識產權或發明專利的超細粉碎技術和設備的數量較前10 年顯著增加。這一進展主要體現在設備的處理能力、耐磨性、工藝配套和自動控制等綜合性能以及超細粉體的生產能力、產品質量、單位產品能耗等方面。
1 超細粉碎設備
目前,我國超細粉碎設備的主要類型有氣流磨、高速機械沖擊式磨機、攪拌球磨機、振動球磨機、旋轉筒式球磨機、連續式行星球磨機、塔式磨、旋磨機、氣旋流粉碎機、分級磨、高壓射流粉碎機等。其中氣流磨、高速機械沖擊式磨機、旋磨或氣旋流粉碎機、分級磨等為干式超細粉碎設備,高壓射流粉碎機、攪拌球磨機、振動球磨機、旋轉筒式球磨機、塔式磨等既可以用于干式也可以用于濕式超細粉碎[1 ] 。
111 氣流磨
在國內超細粉碎設備廠商中,氣流粉碎機,尤其是流化床式氣流粉碎機的生產廠家最多(約20 家) 。目前國產氣流粉碎機主要有扁平(圓盤) 式、循環管式、靶式、對噴靶式、流化床逆向噴射式等幾種機型,十余種規格。這些氣流粉碎機廣泛用于滑石、石墨、硅灰石、鋯英石、高嶺土、重晶石等非金屬礦物以及磨料(碳化硅、氮化硼、石榴子石、剛玉等) 、化工原料、粉劑農藥、顏料、保健藥品、稀土等的超細粉碎加工。1995 年以來國產氣流粉碎機在仿制和消化吸收國外設備的基礎上有所創新,尤其是在靶式氣流粉碎機、流化床式氣流粉碎機以及提高氣流粉碎機的耐磨性等方面。在國產塔靶式氣流粉碎基礎上改進的球靶式氣流粉碎機,克服了現有靶式氣流粉碎機的不足,使靶面磨損減輕、不易積料,提高了粉碎效率和粉碎細度。這種改進后的球靶式氣流粉碎機的主要技術參數為:工作壓力016 MPa ;耗氣量10～20 m3/ min ;壓縮機功率75 kW;輔助功率10 kW;給料粒度≤150μm;產品細度( d97) 3～20 μm; 產量80～160 kg/ h。這種氣流粉碎機用于重質碳酸鈣的超細粉碎加工,產品平均粒徑( d50 ) = 015 μm , d95 = 2 μm; d97 = 3μm;最大粒徑9μm[2 ] 。中國實用新型專利CN2302850Y(1999 年1 月6日公開) 公開了一種在ALPINE 流化床式氣流粉碎機基礎上改進的新式流化床式氣流粉碎機。這種改進型對撞式流化床氣流粉碎機的特點是:增大了現有對撞式流化床氣流粉碎機傳輸區的長度,使其長徑比達到3～10 ,在分級區和粉碎區之間增加足夠高的磨體,使傳輸區氣流平穩,分級輪負荷減少,能獲得更高產量和理想的粒徑,而且機器運轉平穩可靠,調機工作量減少,改善了對撞式流化床氣流粉碎機的性能。中國發明專利CN1129610A (1996 年8 月28 日公開) 所公開的流化床對噴式超細氣流粉碎機的主要特點是:在每個超音速氣流噴嘴產生的氣射流前面都設置了混合管,使每股氣流都能攜帶盡可能多的顆粒作高速運動,產生碰撞,提高了粉碎效率;在粉碎室內設置的上升筒及物粒流導向體使碰撞后的氣固流得到控制,尤其是控制流化原料的氣量,使流化氣量既可保證原料均勻分布在各混合管的入口前,同時又不致使大顆粒上升到分級區,有利于分級;設置二次風口,引入的二次風可防止小顆粒隨大顆粒一起下降到混合管的入口處,產生過磨現象,保證粒度的均勻性,同時提高產量。國產氣流粉碎機與國外先進設備相比的主要差距之一是缺少大型(超細粉產量1 000 kg/ h 以上) 氣流粉碎機。2000 年以來這方面也有所進展,昆山超微粉碎機廠繼QYF720 型流化床式氣流粉碎機之后又開發了QYF800 型流化床式氣流粉碎機。
112 機械沖擊式超細粉碎機
目前,機械沖擊式超細粉碎機的主要機型有:在引進日本細川公司(Hosokawa Micron Corporation) 超細粉磨機基礎上開發生產的CM51 型超細粉碎機、多級粉碎及分級磨機和CLM22 型多級高效旋磨分選超細粉磨機(中國實用新型專利CN2250807Y,1997 年4 月2 日公開) 以及近3 年開發生產的JCF1000 型機械粉碎機、JZC2400 型分級式沖擊磨、CZM沖擊式粉碎機、QZP 內分級沖擊型超細粉碎機、CWJ 超微粉碎機等。這些超細粉碎機廣泛應用于煤系高嶺土、方解石、大理石、白堊、滑石、葉蠟石等中等硬度以下非金屬礦物以及化工原料、農藥等的超細粉碎加工, 產品細度一般可達到d97 = 10 μm(1 250目) ,配以高性能的精細分級機后可以生產d97 = 5～10μm 的超細粉體產品。機械沖擊式超細粉碎機是國內超細粉碎技術與設備研制開發成效最顯著的領域之一,近5 年來發展迅速,如獲得中國實用新型專利的高產窄分布超細粉磨機(中國實用新型專利CN2313663Y,1999 年4 月14 日公開) 、立式高速離心超細粉碎機(中國實用新型專利CN2290402Y,1998 年9 月9 日公開) 、立式風選超細度渦輪粉碎裝置(中國實用新型專利.??.年..月鄭水林:中國超細粉碎和精細分級技術現狀及發展·11 ·CN2295530Y,1998 年10 月28 日公開) 、雙吸雙磨超細磨機(中國實用新型專利CN2310621Y,1999 年3月17 日公開) 、旋風式無介質精細磨機(中國實用新型專利CN2321522Y,1999 年6 月2 日公開) 、多功能超級微粉機(中國實用新型專利CN2230184Y,1996年7 月3 日公開) 、離心式超細粉磨機(中國實用新型專利CN2274985Y,1998 年2 月25 日公開) 、湍流超細粉磨裝置(中國實用新型專利CN2247561Y,1997 年2 月19 日公開) 等。旋風或颶風超細自磨機是我國自主研制開發的一種新型干式細粉碎和超細粉碎設備。它利用特殊設計的高速回轉裝置產生高頻脈動旋轉氣流場,使加入粉碎機內的顆粒物料互相沖擊、摩擦、剪切或切削,實現粉碎。表1 為JFM 型颶風自磨機的主要技術參數。
表1 JFM颶風超細自磨機型號及主要技術參數
主要技術參數JFM2650 JFM2700 JFM2750 JFM2800 JFM2850 JFM2900
進料粒度/ mm ≤35 ≤35 ≤35 ≤40 ≤40 ≤40
產品細度( d97) /μm 10～40 10～40 10～40 10～40 10～40 10～40
產量/ t·h - 1 013～110 015～115 017～210 110～215 113～312 116～410
粉碎機轉速/ r·min - 1 2970 2970 2970 2970 2970 2970
分級機轉速/ r·min - 1 500～3000 500～3000 500～3000 500～3000 500～3000 500～3000
外形尺寸/ mm <2400 ×3800 <2600 ×4000 <2800 ×4300 <3000 ×4500 <3200 ×4600 <3400 ×5000
機重/ t 614 718 1115 1312 1510 1610功率/ kW主機55 90 110 132 160 200 配套40 50 56 65 78 88
這種粉碎機已用于石灰石、方解石、大理巖、滑石、硅灰石、高嶺石、重晶石、長石、爐渣等物料的粉碎加工,給料粒度≤40 mm ,產品細度可在d97 = 10～40μm(400～1 250 目) 之間不停機地進行調節。外置精細分級機后,這種設備可生產d97 = 6～7μm 左右的超細粉體產品。用JFM800 對石灰石進行的試生產結果如下:產品細度d97 = 15～20μm(600～800目) , 產量1 400 ～ 1 800 kg/ h , 產品能耗60 ～ 80kW·h/ t 。這種超細自磨機適用于加工針狀硅灰石粉,用JFM2800 生產的針狀硅灰石粉體樣品檢測結果表明:顆粒的長徑比平均達12 以上,平均粒徑6～15μm ,產量1 000～1 500 kg/ h ,產品能耗100～150kW·h/ t 。
113 介質超細研磨機
介質超細研磨機有攪拌球磨機、振動球磨機、旋轉筒式球磨機和研磨剝片機、塔式磨、砂磨機、連續式行星球磨機等幾種類型[3 ] 。國產攪拌球磨機在磨機結構和攪拌機構等方面有所改進,如棒盤攪拌超細濕磨機(中國實用新型專利CN2249636Y1997 年3 月19 日公開) ,這種攪拌磨機的結構特點是在每層圓盤之間有1～2 層呈十字交叉排列的半橢圓型攪拌棒,具有起動力矩小、單位產品能耗低等優點,已用于高嶺土、重質碳酸鈣等非金屬礦的濕式超細粉碎,產品細度達d97 = 2μm 左右。國產研磨剝片機采用多級串聯配置、連續濕法研磨方式,產品細度可達d95 = 2μm 左右,自1995 年以來累計已有上百臺80 型研磨剝片機在煤系高嶺土和重質碳酸鈣的濕法超細粉碎生產線中使用,近3 年開發的300 和500 型大型研磨剝片機在原80 型的基礎上做了較大的改進,不僅提高了單機產量,而且降低了能耗、提高了研磨效率、簡化了超細研磨工藝。JM型立式螺旋攪拌球磨機是在塔式磨基礎上開發的一種新型攪拌球磨機,既可濕式粉碎也可干式粉碎,濕式粉碎產品細度可達d90 = 2μm 左右,干式粉碎產品細度可達d97 = 10μm 左右,已經在電解錳、重質碳酸鈣、云母、高嶺土、重晶石、氧化鐵紅、鐵氧體、鋯英砂、爐渣等的細磨或超細磨以及金銀礦、鉬礦、銅礦、鉛鋅礦等的再磨中得到應用[4 ] 。中國實用新型專利CN2267858Y(1997 年11 月19 日公開) 公開的是一種新型的攪拌塔式磨機,其特點是:螺旋攪拌器采用變徑的螺旋體,使攪拌在不同的濃度、不同的壓力區間具有不同的工作狀態,增強了介質與物料間的沖擊、摩擦、剪切作用,從而提高研磨效率;螺旋攪拌器的尾軸端設置在底座內的軸承座上,消除了容易偏心的缺陷,提高了螺旋攪拌器工作旋轉的穩定性,減少了噪聲和振動,降低了能耗,提高了整機的使用壽命。中國發明專利CN1203123A(1998 年12 月30 日公開) 公開了一種新型結構的臥式、多室/ 鼠籠轉子攪拌磨機,其主要特點是: 傳動裝置采用液力耦合器,當磨機力矩超限時可自動進行保護;磨筒分隔成多個分室,各分室介質粒度可相同,也可不相同;鼠籠轉子結構,使介質產生圓周運動、徑向運動、軸向運動、高頻振動等綜合運動,提高了分散等作用,提高磨礦效率;由于磨機的機械能主要轉化為粉碎能,熱損耗少;不設冷卻裝置。獲得中國實用新型專利的JCM 型超細立式攪拌高能球磨機是一種新型的干式超細攪拌磨機。這種攪拌磨機的主要特點是超細粉磨與分級在一機內完成,即構成內閉路,可以較好地控制產品的粒度分布。裝機37 kW的JCM35 型立式攪拌高能球磨機用于超細陶瓷粉的粉碎結果為: d50 = 3102 μm , d90 =3102μm , 產量平均190 kg/ h (中國實用新型專利CN2341714Y,1999 年10 月6 日公開) 。連續式行星球磨機的大型工業化是我國超細粉碎技術領域的一項重要進展之一,該技術以江蘇省“八五”科技攻關成果為背景,解決了多年來制約行星球磨機大規模發展的連續化、大型化、粘壁、磨損和產品細度控制等相關的技術難題,采用獨特的“自保護”技術克服了設備磨損和粉碎過程中的產品污染問題,率先在我國乃至世界上實現了這種設備的大型工業化。揚州群發公司的XQ600 ×1500 ×3 型連續式行星球磨機用于滑石、方解石等物料的超細加工,進料粒度≤5 mm ,產品細度d97 ≤10μm ,產量達2 000～3 000 kg/ h ,具有產品粒度細、粉碎效率高、生產能力大、單位產品能耗低等顯著特點。國產振動球磨機近年來最主要的進展之一是西安理工大學研制開發的WGM—3 型雙電機驅動自同步激振超細振動磨機(019 m3 ,6～9 個重力加速度) ,該振動磨機在采用三維動力有限元法對磨機結進行了三維振型分析,實現了對磨機振動參數的有效控制,使該設備在研磨產品細度、產量、單位產品能耗、噪音及耐磨性等方面有較大進步。這種新型振動磨機已在高嶺土、重質碳酸鈣、礦渣、水泥熟料、重晶石等物料的超細粉磨中得到應用[5 ] 。ZMF 內分級式振動磨是振動磨粉碎原理和結構上的另一創新。這種振動磨采用獨特的環形粉碎腔,并將粉碎和分級集于一身,便于控制產品細度和粒度分布;由于介質充填率高達80 %以及獨特的三元回轉(垂直翻滾和水平) 運動,介質對物料的作用強度大、能量利用率較高。這種內分級式振動磨的振幅為3～5 mm ,給料粒度≤1 mm ,產品細度( d97)可達10μm ,但目前ZMF 內分級式振動磨的應用或生產實踐還很少[6 ] 。廣西煤炭科學研究所研制開發的新型消振式離心振動磨機,綜合應用振動磨粉碎原理和離心磨粉碎原理,兼有離心磨與振動磨的優點。這種消振式離心振動磨機的主要結構和性能特點是:采用單根彈簧軸,而且彈簧不直接支承筒體,即彈簧不參與筒體的振動;振動強度大,達到16 個重力加速度;半振幅15～24 mm;振動頻率7715～10215 ;電機功率小于40 kW;經過5 000 h 的工業試生產表明,該機運行可靠,單位產品能耗較低。
114 高壓射流式粉碎機
北京航空航天大學流體力學研究所研制了一種利用高壓空氣流的JFC 高壓射流式粉碎機。它將干燥無油的壓縮空氣加速成超音速氣流,該氣流攜帶物料作高速運動,使物料相互碰撞、摩擦而粉碎,未達到粒度要求的粉料由分級器返回到粉碎室繼續粉碎。這種粉碎機可粉碎莫氏硬度1～10 的物料,產品平均粒度( d97) 可在1～20μm 范圍內調節,其工藝特點是氣流與物料分路進入粉碎室,故噴嘴和粉碎室磨損小。這種粉碎機已在工業礦物、化工原料、保健食品等中得到應用[7 ] 。另一種高壓射流式粉碎機是利用高壓(20～60MPa) 水射流的強大沖擊力和壓力突然降低的穴蝕效應使物料因沖擊和爆裂作用而被粉碎的超細剝片均化機。中國礦業大學研制的這種設備已在云母和高嶺土的超細粉碎中得到應用,依給料粒度的不同,一次粉碎的產品細度可達到d97 = 10～40μm。一種等濃度超細均化工藝設備進一步提高了高壓水射流磨的工藝性能,它借助高壓水作動力,使被處理的漿料在料罐內處于高壓狀態,高壓狀態的料漿通過噴嘴高壓噴出,射在擋板上,達到料漿超細粉碎和均化的目的(中國發明專利CN1148520A ,1997年4 月30 日公開) 。
115 其他
雷蒙磨是粉體加工行業廣泛應用的一種微粉加工設備。傳統的雷蒙磨產品細度一般在100～325目(45～150μm) ,近幾年來國內一些高等院校和科研單位對傳統的雷蒙磨生產工藝進行了技術改造,主要集中在磨輥壓力、風送和分級系統,使產品細度提高到d97 = 15～20μm(即600～800 目) 。朝陽市超細粉體工程有限責任公司經過幾年的努力,研制了一套可加工d97 = 10μm(1 250 目) 超細粉體的新型雷蒙磨機,表2 所列為這種改進的雷蒙磨機的生產技術性能[8 ]
2 精細分級設備
211 干式分級機
干式精細分級機大多是伴隨高速機械沖擊式超細粉磨機和氣流粉碎機,尤其是對噴式流化床氣流粉碎機的引進和開發而發展起來的。目前,占主導地位的幾種干式精細分級機,如咸陽非金屬礦研究設計院粉體工程中心制造的QF 型空氣分級機,上�；瘷C三廠的FQZ和FYZ型超微分級機,沈陽飛機研究所粉體工程公司的FJJ 型分級機和昆山市超微粉碎機廠的WFJ 型渦輪式分級機等是在國外MS、MSS 和德國的ATP 單輪或多輪渦輪式分級機技術的基礎上發展的。這些干式精細分級機基本上都是與相應的機械沖擊式超細粉磨機或氣流磨配套使用的,其分級粒徑可在較大范圍內進行調節,其中類似于MS 的分級機的分級產品細度可達d97 = 10μm 左右,類似于MSS 和ATP 型分級機的分級產品細度可達d97 = 5～6μm 左右。依分級機規格或尺寸的不同,單機處理能力從每小時幾十公斤到5 t/ h 左右不等,5 t/ h 以上的干式精細分級機的規格和數量還很少。國產干法精細分級技術的重要進展之一是分級流場的研究成果和LHB 型渦輪式分級機及射流式超細分級機的發展。徐政等人[9 ]對影響分級機的主要工藝因素(轉速和風量) 對葉片間流場的影響進行了數值模擬研究,并研究了流場對渦輪式分級機分級性能的影響。結果得出轉速增加,葉片間流場湍流化程度增大,不利于粉體的精細分級;但另一方面,葉輪轉速增加使葉片間顆粒所受的離心力增大,分級粒徑降低。因此,需要綜合考慮轉速對分級性能的影響,而不是簡單地增加轉速以達到超細分級的目的。孫國剛等人[10 ]用智能型五孔球****測量了渦輪式分級機的流場,結果得出渦輪式分級機內是一種復雜的多區旋轉流場,分級輪附近氣流旋轉速度比分級輪外緣的旋轉線速度低許多,進入分級輪的徑向速度非常不均勻。根據實測的流場結果,取分級圓半徑略大于分級輪外緣半徑,可得到與實驗值一致的切割粒徑。濰坊正遠工程設備有限公司開發的LHB 型渦輪式精細分級機的主要特點是轉速低(1 200～1 900r/ min) 、分級細度可調( d97 = 5～30μm) ,分級精度及分級效率高,比能耗低。用LHB2N 型分級機(總裝機容量70 kW) 連續48 h 對重質碳酸鈣進行的工業試生產結果(平均值) 是:給料d50 = 7118μm , d97 =19151μm , dmax = 26100 μm;細產品: d50 = 2181 μm ,d97 = 6179μm , dmax = 8120μm;處理量2 080 kg/ h ;細產品產量853 kg/ h ;粒徑≤7μm 超細粉提取(回收)率82102 %;單位(細) 產品能耗5710 kW·h/ t 。
212 濕式分級機
國產濕式精細分級機的