复合式双效气流粉碎机的应用研究

第九届“挑战杯”甘肃省大学生课外学术科技作品竞赛序号： 编码： 第九届“挑战杯”甘肃省大学生课外学术科技作品竞赛 作 品 说 明 书作 品 名 称： 复合式双效气流粉碎机的应用研究 类别： 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作A类 科技发明制作B类摘 要本文主要介绍一项新型实用专利-复合式双效气流粉碎机在生产中的应用。它的有益效果在于：待碎物料通过料斗进入进料管与高压气流相混合，高速冲击靶板而被粉碎，通过粉碎室进入扁平式气流粉碎机进行二次粉碎，由于采用两次粉碎，粉碎效果好。 关键词：汽流粉碎原理； 复合式双效气粉机；超细粉碎设备AbstractThis paper mainly introduces a new practical patent- Combined type economic benefits and social benefits Jet mill，Applications in production，this utility model beneficial effect lie in : treat mince material by hopper get into inlet pipe with high pressure draught phase mixing , high-speed assault target plate and by smash , by smash room get into flat Jet mill go on regrinding .Because adopt twice smash , smash effectual .Key words：Steam flow crushing principle; Combined type economic benefits and social benefits Jet mill；ultrafine grinding equipment.目 录一、前 言4二、国内气流粉机的现状51、靶式气流粉碎机粉碎原理52、扁平式气流粉碎机粉碎原理5三、气流粉碎机工作原理及对粉碎的要求71、工作原理71.1循环管式气流磨71.2流化床对喷式气流磨81.3对撞式气流磨91.4复合式双效气流粉碎机92、粉碎的要求103、钛白粉非金属矿生产对气流粉碎机的选择10四、汽粉系统111、湿法收集112、干法收集11五、气流粉碎在我国钛白粉非金属矿生产中的发展及应用121、气流粉碎机的发展122、气流磨在钛白生产中的应用12六、小结141、复合式双效气流粉碎机取得了国家专利142、技术指标143、本发明的积极效果144、经济效益14参 考 文 献16八、附录163甘肃省第九届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛复合式双效气流粉碎机的应用研究一、前 言近年来，随着科学技术的发展，在陶瓷、涂料、塑料、橡胶、微电子及信息材料、精细磨料、药品、生化材料及化工许多领域对微米级超细粉体的需求日益增加，对粉体粒度及粒度分布，纯净度、颗粒形状等的要求日益严格。而作为超细粉碎的重要设备之一， 气流粉碎机，因其具有优异的解聚及自分级功能，在许多行业有着不可替代的地位。超细粉体是指粒径小于10m 的粉体。物料经过超细粉碎后，物料的粒度减小而且晶体结构和物理化学性质也发生改变。超微粉体不仅本身是一种功能材料，而且为新的功能材料的复合与开发展现了广阔的应用背景，在工业中有着广泛的应用。但气粉机作为一种特殊的粉碎设备，因其具有的高技术含量，国外对我国的技术封锁很严。故而在1997年之前，国内钛白生产企业所用的大规格气粉机均是从国外整机进口，价格非常昂贵，从一定程度上制约了国内钛白的发展。从1997年，国内的一些企业开始研制大规格气粉机，并于1998年投入钛白生产线，取得了较好的使用效果。随着研究的不断深入，对气粉机的不断改进，到2000年以后，国产大规格气粉机已能达到钛白粉的生产要求，可完全替代进口设备，为国内钛白行业的发展也起到了一定的推动作用。二、国内气流粉机的现状近年来，随着科学技术的发展，在众多领域对微米级或亚微米级的超细粉体的需求日益增加，对粉体质量的要求也日益严格。但国内现通用的靶式气流粉碎机与扁平式气流粉碎机，因其本身结构的原因，在单独应用时，则造成粉碎强度低、气量消耗大，能耗高，粉碎效率低，分级效果差等缺点，使其应用受到了一定的限制。现国内通用的是靶式气流粉碎机与扁平式气流粉碎机。其原理如下。1、靶式气流粉碎机粉碎原理 靶式气流粉碎机工作时，混合物料在混合管中与高压气流相混合并加速，高速冲击靶板而被粉碎，细粉随气流从出口排出，并进入分级器中；粗粉返回加料斗重新导入粉碎室继续粉碎。优点：粉碎强度大，结构简单，操作方便缺点：能耗大，产品粒度分布宽（即粒度大小不均），必须外加分级装置。2、扁平式气流粉碎机粉碎原理待碎物料由文丘里喷嘴加速到超音速导入粉碎室，高压气流经入口进入气流分配室，分配室与粉碎室相通，气流在自身压力下强行通过研磨喷嘴时产生高达每秒几百米的气流速度。由于研磨喷嘴与粉碎室的相应半径成一锐角，物料在由研磨喷嘴喷射出的高速旋流带动下做循环运动，颗粒间、颗粒与机体间产生相互冲击、碰撞、摩擦而粉碎。粗粉在离心力作用下甩向粉碎室周壁做循环粉碎，而细粉在离心气流带动下被导入粉碎机中心的出口管，进入旋风分离器加以收集。该气流磨相应的生产能力从0.2kg/h到4000kg/h；产品粒度从325m到0.2m。 该气流磨的优点：由于具有自分级功能，产品粒度分布窄（即粒度大小均匀）。产品粒度分布通过调整参数可控制在很窄的范围；无机械转动部件，对产品污染少；可以用过热蒸汽为粉碎工质，能耗较压缩空气降低13；并且产品流动性好、表面清洁度高，应用分散性好。缺点：现通用的扁平式气流粉碎机，因其结构有不合理之处，造成粉碎强度较低，气体消耗量大，能耗高，粉碎效率低，分级效果差等缺点，使其应用受到了一定限制。冲击动能不大，粉碎强度低，送料气耗大（一般占总耗气量的15-30%）而该气耗只起到将物料送入粉室的作用，无粉碎作用，故能耗高。 另外粉碎硬度在莫氏7级以上的物料时，粉碎室内壁的磨损较大，对粉碎室内壁的材料要求很高。适用范围：可加工各种物料，特别适宜于加工由各种聚集体或凝聚体构成的物料。 三、气流粉碎机工作原理及对粉碎的要求1、工作原理气流粉碎机亦称气流磨、喷射磨或流能磨，它是利用高速气流或过热蒸汽的能量使颗粒相互产生冲击、碰撞、摩擦而实现超细粉碎或解聚的设备。气流粉碎的一般原理：将干燥无油的压缩空气或过热蒸汽通过拉瓦尔喷管加速成超音速气流，喷出的高速射流带动物料做高速运动，使颗粒相互碰撞、摩擦而被粉，被粉碎的物料随气流到达分级区，达到细度要求的物料最终由捕集器收集，没有达到要求的物料再返回粉碎室继续粉碎，直至达到所需细度并被捕集为止。气流磨产品除粒度细之外，还具有粒度分布窄、颗粒形状规整、纯度高、活性大、分散性好等特点。虽然气流磨粉碎原理大致相同，但不同类型的气流磨也有各自不同的特点，目前工业上应用的气流粉碎机主要有以下几种类型：靶式气流粉碎机；扁平式（亦称水平圆盘式）气流粉碎机；循环管式气流粉碎机；流化态对喷式气流粉碎机；对撞式气流磨等。靶式气流粉碎机；扁平式（亦称水平圆盘式）气流粉碎机；循环管式气流粉碎机的工作原理已在前面做了说明，下面就其余的三种国内常用的气流粉碎机及复合式双效气流粉碎机工作原理再分别作一简单介绍。 1.1循环管式气流磨 工作原理图31丘里喷嘴 2气流喷嘴 3粉碎室4分级器 L压缩空气 F细粉 A粗粉工作原理：原料由文丘里喷嘴1加入粉碎区3，气流经一组喷嘴2喷入不等径变曲率的跑道形循环管式粉碎室，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4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。该气流磨粉碎粒度可达3m0.2m，产量从100kg/h3000kg/h。优点：具有自分级功能，无机械转动部件，结构相对简单；缺点：粉碎效率是各类气流磨中最低的，能耗最大；气流及物料对内壁的冲刷、磨损严重，容易污染物料；粒度分布宽；适用范围：适用于脆性、低硬度物料；1.2流化床对喷式气流磨工作原理图4工作原理：喂入磨内的物料利用二维或三维设置的数个喷嘴（37个）喷汇的气流冲击能，及其气流膨胀呈流化床悬浮翻腾而产生的碰撞、摩擦进行粉碎，并在负压气流带动下通过顶部设置的涡轮式分及装置，细粉排出机外由旋风分离器及袋式收尘器捕集，粗粉受重力沉降返回沉降区继续粉碎。显然，这一流化床对喷式气流磨是在对喷式气流磨的基础上开发的新产品，它是90年代最新型的超细粉碎设备。特点：产品细度高达d97=310m，粒度分布窄且无大颗粒；粉磨效率高，能耗低，比其它类型气流磨节能30；采用Al2O3、SiC或Pu（钚）作易磨损件，磨耗低，产品受污染少，可加工无铁质污染的粉体产品和莫氏10级的物料；结构紧凑、噪音小、操作自动化，但成本贵。另外该磨采用涡轮分级，转速高，使用过热蒸汽为粉碎工质时，难以实现。分级粒度也较扁平式宽。1.3对撞式气流磨工作原理：利用一对或若干对喷嘴相对喷射时产生的超音速气流，使物料彼此从两个或多个方向相互进行冲击和碰撞而粉碎。产品粒度可达200m至亚微米级，产量从10kg/h到5000kg/h。优点：物料高速直接对撞，冲击强度大，能量利用率高；克服了靶式和循环管式磨体易磨损的弱点，减小了产品的污染，延长了使用寿命。缺点：体积庞大，结构较为复杂、能耗高、能量利用率较低、仍有磨损现象；粒度分布较宽。适用范围：脆性、韧性、高硬度的各种物料；1.4复合式双效气流粉碎机复合式双重气流粉碎机，是将靶式与扁平式气流粉碎机集合为一体的双重气流粉碎机，属新型超细粉碎设备（如图）。其特征在于：进料管的前端设置有送料喷咀，进料管的上部焊接有料斗，进料管的后端与粉碎室连接，粉碎室与扁平式气流粉碎机底座连接。进料管与粉碎室的连接处设置有靶板。本实用新型的有益效果在于：待碎物料通过料斗进入进料管与高压气流相混合，高速冲击靶板而被粉碎，通过粉碎室进入扁平式气流粉碎机进行二次粉碎。由于采用两次粉碎，粉碎效果好。 2、粉碎的要求作为颜料使用的钛白粉，具有优异的光学性能和稳定的化学性能。因此，钛白粉对粒度及粒度分布，纯度要求非常高。一般钛白粉的制取粒径是按可见光的波长段为标准的，即在0.15m0.35m。并且作为白色基础颜料，对杂质特别是铁质杂质的增加非常敏感，要求粉碎时增加量小于5PPm。除此之外，还要求钛白粉在不同的涂料体系中具有良好的分散性。因此，一般的机械式粉碎设备难以达到要求，所以钛白粉的最终粉碎（成品粉碎），目前国内外均选用汽流粉碎机。 3、钛白粉非金属矿生产对气流粉碎机的选择二十世纪钛白粉工业的重要进展之一，就是选用气流粉碎机作为成品的最终粉碎。根据钛白粉的粉碎要求：粒度分布窄、夹杂增加少、分散性好等，及钛白粉物料特性：粘度高、流动性差、粒度细容易附壁等，目前国内外钛白生产厂家均选用具有自分级功能的扁平式（亦称水平圆盘式）气流粉碎机作为钛白粉的最终粉碎设备；并且使用过热蒸汽为粉碎工质。因蒸汽易得，便宜，蒸汽工质的压强比压缩空气高得多且也易提高，因而蒸汽气流动能比压空大。同时过热蒸汽的洁净度比压空高，粘度低、不带静电、而且粉碎的同时，可以消除物料因碰撞、摩擦而产生的静电，减少粉后物料的二次内聚现象。并且，在高温状况下粉碎，可提高钛白粉的应用分散性，增加钛白粉的流动性。能耗低，仅为压空的1/32/3。另外，使用扁平式气流磨，可在粉碎的同时，加入有机助剂，对钛白粉进行表面有机改性，以增加钛白粉在不同应用体系中的分散性。 四、汽粉系统1、湿法收集以前汽粉的收集方式主要为湿法收集，即从汽粉机出来的物料，先进入旋风器进行汽固分离，分离出的物料经旋风下部的星形卸料器卸出进行冷却包装，未分离的物料随汽流进入喷淋塔进行喷淋冷却、收集，经喷淋塔收集的物料为浆状，须经沉降、压滤、干燥后再返回汽粉机。该工艺一次收得率很低，最高达90%，能耗大，尾汽余热无法利用，现已基本淘汰。2、干法收集目前汽粉的收集方式主要为干法收集，即从汽粉机出来的物料，先进入高温袋滤器进行汽固分离，现在的表面覆膜耐高温滤料，分离率可达99.5%以上，分离出的物料，经高温袋滤器下部星形卸料器卸出，进行冷却包装，分离出的高温尾汽从高温袋滤器上部净气室排出，进入尾汽余热回收装置进行余热利用。其工艺流程图（见附图1）工艺流程说明：物料经汽粉前料仓、输送计量螺旋，定量、连续均速地加入汽粉机，物料粉碎后，随上升汽流进入高温袋滤器进行汽固分离，分离出的物料，经高温袋滤器下部星形卸料器卸出，被风送至低温袋滤器收集，在风送的同时，物料被冷却至50以下，低温袋滤器收集的物料，经低温袋滤器下部星形卸料器卸至包装料仓进行包装；分离后的高温尾汽，从高温袋滤器上部出口进入空塔喷淋装置，根据热量平衡，计算出喷淋水用量，利用高温尾汽的热量，可将喷淋水加热至5060，喷淋水应为工艺用水，加热后的热水可返回工艺使用。五、气流粉碎在我国钛白粉非金属矿生产中的发展及应用1、气流粉碎机的发展 上世纪七十年代，国内少数几家钛白生产厂引进并研制小规格汽粉机，最大粉碎室内径为600毫米，产量低，难以满足大规模钛白生产的需要。上世纪八十年代末之前，发展较为缓慢，生产企业多为1万吨/年以下的小型生产厂家，并且产品多为低档的锐钛型钛白粉的小型企业。直至上世纪八十年代末，九十年代初，国内引进了三条1.5万吨/年金红石型钛白粉生产线，大规格的扁平式汽粉机（英寸）才得以在国内钛白粉生产中得到充分的使用。并随着国内钛白行业的发展，得到了推广使用。国内从上世纪九十年代末开始研制大规格汽粉机，通过近几年的不断改进，已能满足钛白粉生产的需要，目前现国内绝大部分钛白生产企业都已选择了国产汽粉机。随着钛白工业的急速发展,对设备的要求也越来越高。在满足工艺条件、质量要求的前提下，设备的大型化及系统化显得尤为重要，气流粉碎亦伴随着钛白的发展在不断的提高。气粉机产能也从最初的1.2 t/h1.5t/h，到现在2.5 t/h4.0t/h，气粉系统的生产能力也从单线1万吨/年，到现在的单线2-3万吨/年，收集方式也从较为落后的湿法收集改为先进的干法收集，极大地提高了一次收得率，减少了浪费。 2、气流磨在钛白生产中的应用作为钛白粉中的高档产品金红石型钛白粉，煅烧后必须经：前粉碎表面处理干燥微粉，才能充分发挥其光学性能和颜料性能。一般机械式粉碎机虽然也能粉得很细，但从粒径分布、粒子形状、产品纯度等方面很难达到要求，目前最好的办法是用汽（气）流粉碎机来完成。气流粉碎机可以把固体物料粉碎成亚微米级，而且粒径分布很窄、污染小、粉碎过程不产生热量，还可以在气流粉碎机内进行简单的化学反应。二十世纪钛白粉工业的重要进展之一，就是采用气流粉碎机作为钛白粉的最终粉碎手段。气流粉碎机的种类及特点前面已经介绍。再根据钛白粉的物料特性粘度高、流动性差、粒度细容易附壁等及粉碎要求， 采用气流磨作为钛白粉的最终粉碎设备，并且使用过热蒸汽为粉碎工质，因蒸汽易得、便宜，蒸汽工质的压强比压缩空气高得多且也易提高，因而它的动能大。同时过热蒸汽的粘度比空气低，不带静电，可以减小物料的内聚现象。并且气固比低、产品纯度高、流动性好、应用分散性好。 经煅烧或表面处理后制取的二氧化钛，全部都是大小不等的聚集体和烧结物，必须通过粉碎至原来的基本原料尺寸（约0.15m0.35m），才能充分体现它的光学性质和颜料性能。二氧化钛的粉碎一般分前粉碎（煅烧后未经表面处理的粉碎）和后粉碎（经表面处理后的粉碎）二种.因钛白粉是一种优越的白色颜料，所以对粉碎设备的要求很高。首先是对产品的污染要小，其次在粉碎时能对细度进行分级，并且能做到产量大、能耗小。目前国内外钛白粉生产厂家前粉碎大都采用雷蒙磨。雷蒙磨的工作原理是靠磨辊和磨环之间的挤压作用来进行粉碎，因此在粉碎过程中又有一些细小的颗粒被挤压粘附在一起成为较软的片状颗粒。故对一些分散性要求很高的产品，如：造纸、化纤用钛白粉，在雷蒙磨粉碎后，必须再经二次粉碎以打破粘附在一起的聚集颗粒。国内锐钛型钛白粉生产厂家，基本上是采用雷蒙磨粉碎后，即作为成品包装出售。但雷蒙磨粉碎的产品，在粒度分布、颗粒形状等方面，远远达不到气流粉碎的效果。具有关资料介绍，经雷蒙磨粉碎的成品，着色力、白度以及研磨分散性都差，消色力相差510，成品的研磨分散性经刮板细度计测量，也很难达到20m以下。 水平圆盘式气流磨在国外的钛白粉生产中的应用已非常成熟，并且设备制造水平也相当高。国内的气流磨制造厂家是从上世纪九十年代末，才对大规格的水平圆盘式气流磨进行研究、试制，通过近几年的发展，已有少数几家能够制造大规格水平圆盘式气流磨，并有了定型的产品。目前国内几家大型金红石型钛白生产厂家，气流粉碎都已实现了国产化。应用较广的有：兰州中益金属制品有限公司生产的ZY系列气流磨；四川绵阳昊泰科技有限公司生产的HT系列汽粉磨；重庆通用机械厂及江苏宜兴非标金属设备厂生产的气流磨。虽然近几年国内的气流磨生产厂家在大规格水平圆盘式气流磨的制造上取得了一些突破，但与国外先进水平相比仍有一定的差距，特别是在汽粉系统的设计、配置上有较大的差距。另外单台汽粉的能力也低，国外现单台汽粉产量已能达到2.5 t/h3t/h，而国内单台汽粉产量最高才达1.6 t/h，因此如何为钛白粉生产厂家提供最合理的汽粉系统，如何提高效能，是国内汽粉磨制造厂家的重要任务。六、小结1、复合式双效气流粉碎机取得了国家专利气流粉碎机是非金属矿行业制备超细粒子的最有效手段之一，气流粉碎机也是超细粉碎的重要设备，在钛白粉的生产中起着无可替代的重要作用。汽流粉碎发展到现在，已基本能满足钛白粉生产的需要，但汽粉机的使用寿命及粉碎效果仍需进一步提高，并且汽粉系统的配置及自动化控制仍需完善，超大产能的高效汽粉机仍需研制，兰州中益金属制品有限公司生产的ZY系列的复合式双效气流粉碎机取得了国家专利，专利号： 200820223419。授权日为2009-9-30。（见附图1）本实用新型属超细粉碎设备，尤其涉及一种复合式双效气流粉碎机。发明本专利的目的是按一种能实现高强度超细粉碎并实现自分级功能的复合式双重气流粉碎机。是按以下方式实现的：将扁平式气流粉碎机的送料装置改为靶式气流粉碎机，即物料先经过靶式气流粉碎机的一级粉碎后，再进入扁平式气流粉碎机进行二级粉碎并分级。该机克服了以上两种机型单独使用的缺点，集合了其优点。2、技术指标气流粉碎最大的消耗是粉碎工作介质(气体)的消耗,