超细粉体制备工艺设计与实验研究

1、第25卷第5期非金属矿Vol125No15 2002年9月Non2Metallic Mines Sep,2002超细粉体制备工艺设计与实验研究方莹陈传文张少明(南京工业大学材料科学与工程学院,南京210009摘要在综合分析超细粉制备工艺、粉磨设备及超细分级技术现状的基础上,确定了新的制备工艺,设计研制了离心涡轮式超细分级机,并进行了实验研究。结果表明:工艺设计合理,设备性能优越,可制备出不同粒度等级的超细粉体。关键词制备工艺超细粉粉磨设备分级机1超细粉制备工艺比较超细粉体的制备途径,有机械粉碎法和化学法(即造粒法两种。前者成本低、产量高,已实现工业化生产,制备工艺也较为简单,但同时也存在能耗高

2、、效率低、所得粉体不够细、易混入杂质等缺点;后者所得粉末粒度细、纯度高,但制备工艺复杂、成本高、产量低,很难达到工业化生产的规模。在采用机械粉碎法时,同时存在干法与湿法两种工艺。在干法粉碎过程中,随着被粉碎物料粒子的变小,其表面能明显增加,粒子相互间容易团聚或附着在器壁上,形成一缓冲层,致使能量无法集中在单粒子上,使粉碎效率下降,因此必须配合超细分级。而在湿法粉碎过程中,通过水或添加某些药剂降低粒子的表面能,可防止或抑制粉料的团聚,同时也可使粒子的破碎强度降低,有利于粉碎过程的进行。所以,对于超细加工,湿法粉碎要比干法优越。但在实际生产中,湿法加工的产品需固液分离和干燥,对干燥过程引起的结块需

3、解聚或二次粉碎,工艺复杂、固定资产投资及生产成本较高1。鉴于上述两方面的考虑,当对超细粉的粒度、纯度要求不高(产品粒度在微米级,产量较大,需达到工业化应用要求时,通常采用干法机械粉碎加超细分级工艺制备超细粉体。2超细粉碎设备种类及选配随着超细粉碎设备的新型化、高效化和对超细粉体需求的增长以及产业化发展的需要,机械法制备超细粉体在材料及矿物加工工业中已显示出更大优越性。至今,国内外已开发出雷蒙磨、气流磨、高压辊磨、离心磨、球磨、胶体磨、振动磨、搅拌磨等超细粉碎设备,以及与之相配套的精细分级、输送、包装、计量、检测、控制等工艺设备。超细粉碎设备是机械法制备超细粉体的基础,在设计上应具有以下两个条件

4、:¹粉碎能量高度集中;º对物料要施以强烈的剪切和磨剥作用。下面就几种常用超细粉碎设备的性能作一简单介绍。211搅拌磨2、3是目前能量利用率最高、也是目前获得亚微米级产品唯一可行的超细粉碎设备。在搅拌磨中设有搅拌装置,它使球介质与物料在整个筒体内不规则翻滚,使球介质与物料间产生相互撞击和研磨的双重作用,致使产品磨得更细,并达到均匀分散的效果。搅拌磨起步较晚,但发展迅速,国产湿法搅拌磨在非金属矿的超细粉碎中得到广泛应用,并取得良好效果。搅拌磨多用于湿法粉磨工艺,干法工艺因涉及到搅拌器与研磨介质的磨损严重,材质要求较高,而较少应用。212气流磨4、5气流磨种类繁多,广泛应用于中等

5、硬度以下物料的超细粉碎,产品细度d97可达到5 10L m左右。气流磨具有产量大、产品细度细、粒度分布窄、产品受污染程度低等优点;但同时也有入料粒度小、配套设备多、流程相对复杂、一次性投资大、单位产品能耗高及产品成本高等不足之处。因此,气流磨适用于物料硬度较低、对产品质量要求高、产品增值大的高档物料的超细粉体的生产。213振动磨6振动磨是一种高效节能的粉磨设备,可用于各种硬度物料的超细粉碎,产品粒度d50可达到1L m以下,且具有较强的机械力化学效应,能耗较低,易于工业化生产,现国内有多家厂家生产不同规格、型号的振动磨应用于非金属矿深加工。近年来,由于国内对超细粉体技术的要求不断提高,在超细粉

6、碎设备的开发研制方面,几乎涉及了目前世界上所有的机种,如高速冲击式超细粉碎机、高速行星式辊轮磨机等。在工艺设计选型时,必须考虑被粉碎物料的物性、产品纯度和细度的要求、各种超细粉碎设备的性能及适用范围等因素。在实验研究中,我们采用振动磨作为超细粉碎设备;而在工业化应用中,超细粉碎设备可根据所需产品的细度要求进行选择,当产品细度d97大于10L m时,可采用球磨机;小于10L m时,采用振动磨。为对以后的工业化应用提供必要的设计依据,我们还对实验研究用振动磨工艺参数进行了以下几方面的研究:¹在设备性能方面,对机械的振动强度与物料平均滞留时间及产品细度之间的关系、比功耗与产品细度之间的关系

7、等进行了研究;º对配套设备的选型设计进行了考虑,主要解决设备的连续、均匀供料及降低粉尘污染问题;»在磨介的选择方面,主要考虑磨介的材质、耐磨性及合理级配等问题;¼在强化工艺过程方面,主要考虑了磨介、物料量、水份的关系以及能降低颗粒硬度、促进裂纹扩展的助磨剂的合理选用等问题。3超细分级设备种类与设计超细粉碎是一概率过程,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能满足要求的大颗粒去除,是获得指定细度产品的重要环节。随着所需粉体细度的提高及产量的增加,分级技术的难度也越来越大,超细粉体的分级技术已成为制约机械法制备超细粉体技术发展的关键。目前,国内外研制的超

8、细分级机种类繁多,在生产中应用的主要有以下几种79。311MC型超细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旋流腔,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,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550L m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,处理能力为0151000kg/h。312SPC型涡轮分级机SPC型涡轮分级机是在8

9、0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,通过分级叶片后进入涡型管罩中,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。这种分级机的处理能力为108000kg/h,切割粒径为015150L m。313离心转子式超细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

10、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。这种分级机的处理能力为30 8000kg/h,切割粒径为01560L m。314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。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程中,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

11、专门为高细度、大处理量的分级过程而设计。其能力为16t/h,空气耗量为15 600m3/min,转子的转速为3004000r/min。分级切割粒径为120L m。315离心涡轮式超细分极机我们在完成江苏省/八五0重点攻关项目/机械法粉料制备干湿法分级超细粉技术0的基础上,结合分析上述各类超细分级机的结构与性能特点,研制开发了高效离心涡轮式超细分级机。实验用分级机的处理能力240kg/ h,转子转速12003500r/min,主轴电机功率415kW,产品细度d97为11530L m,产品细度可根据工艺要求,通过改变分级机的操作参数调节控制,分级机的结构示意图见图1 。图1离心涡轮式超细分级机结构

12、示意图12转子;22出风管;32静压密封环;42筒体;52二次风导流腔;62一次风管;72粗粉出口;82二次风进口;92传动轴;102轴承座离心涡轮式超细分级机的工作原理如下:物料经一次风携带由一次风管加入分级机,并上升至筒体上部即转子表面附近的区域,在高速旋转转子的作用下,转子表面附近的气流及物料也同时作高速旋转,这样颗粒便主要受到离心力与气体阻力的作用(微细颗粒所受重力可忽略不计。在这两个力的作用下,细粉由气体携带出分级机,再经袋式除尘器收集;粗粉则贴壁下降,经粗粉出口卸出。为达到较高的分级精度,设计中采用旋转二次风,使分级机内产生旋转流场,以加速粗粉的贴壁沉降,并达到二次分选的作用;为方

13、便调节与控制产品细度,分级机转子采用变频调速电机控制。在超细分级机的结构设计上,主体采用高速旋转的转子,外侧设置导流叶片,以维持分级流场的稳定,保证分级机具有较高的分级精度;加料采用一次风携带物料进入分级室,并设置二次风及二次分选装置,使物料得到均匀、充分的分散;在转子与出风口之间采用压缩空气动态密封,防止气体在转子高速转动下产生的反压而导致的短路现象,为分级机具有较高的分级性能提供了保障。对分级机的分级性能,主要考虑了分级机的分级效率、分级精度、切割粒径及产品细度与分级机操作参数(转子转速、处理风量、分级室内粉尘浓度及原料粒度大小之间的关系;我们采用正交实验,在实验条件下探索了分级机的最优工

14、况。对配套设备的选型,主要解决设备的连续均匀供料、成品的高效率分离回收、气固分离设备的配套选型计算等问题。4超细粉制备试验411超细粉制备工艺根据上述分析,在本研究中超细粉磨设备采用搅拌磨,超细分级设备采用自行研究开发的高效离心涡轮式超细分级机,其工艺流程:料仓y给料y振动磨y超细分级机(粗粉回磨 y袋式收尘y成品。该制备工艺的特点是:¹该流程为闭路粉磨系统,经粉磨后的粉体进行超细分级,可根据工艺要求用于各类超细粉体的生产。º系统具有较高的粉磨效率。该系统借助于超细分级机将细颗粒及时选出,避免了过粉碎现象,同时也减轻了包球现象,介质的有效研磨和冲击的效果得到改善,降低了粉磨

15、能耗。»系统可调、对物料的适应性强。该系统的超细分级机产品细度可调,振动磨机给料也可定量控制,使系统产品细度、产量和系统内的循环负荷率得到灵活的控制;¼利用粉碎过程中剧烈摩擦产生的热量,引起被粉碎物料产生一定的机械力化学变化,可在超细粉碎的同时对物料进行表面改性处理,以满足工艺要求。½物料的粉碎过程中,可根据被粉碎物料的物性选择合适的助磨剂,并通过选择助磨介质的材质及合理的级配,以有效地提高振动磨的粉磨效率。412实验研究结果因实验室场地的限制,不能组成完整的工艺流程,故在实验研究中,物料采用间歇粉磨的方法来进行。先将一定量的被粉碎物料与粉磨介质一起加入振动磨,据

16、需要粉磨一定时间得到待分级的中间产品;再将得到的已粉磨物料作为原料加入超细分级机中进行分级,得到成品与粗粉;再对所得到的粉料进行测试分析,经处理得到评价分级机分级性能与成品细度指标的各项数据。实验原矿粒度(L m分布(%:010,1815;10 20,1718;2030,1512;3040,1115;4050, 816;5060,812;6070,516;7080,417;>80, 919。d50=2816L m,d97=8614L m。原矿在振动磨中的粉磨时间为120min,物料量为1kg,分级机的主轴转速为14003000r/min,处理风量为015215m3/min,加料时间为20

17、min。表1为矿样经振动磨粉磨和经分级机在不同转速分级后的成品粒度组成;图2为在处理风量(115m3/min不变时,成品中位径随转子转速的变化情况;图3为转子转速(2600r/min不变时,成品 中位径随处理风量的变化情况。图2中位径与转子转速的关系(处理风量115m3/min、加料时间 20min图3中位径与处理风量的关系(转子转速2600r/min、加料时间20min由上述实验结果可以发现,实验用振动磨具有较高的粉磨效率,随着粉磨时间的延长,产品粒度显著减低,再经过粉磨工艺及助磨剂的合理选用,可得到更高的粉磨效率。分级机的产品细度随着转子转速的提高而变细,随着处理风量的增加而变粗;另外,在

18、同样的操作条件下,降低入料(进分级机原料的粒度可得到更细的产品。在上述工况下,分级机的分级精度(K=d25/d75在01420155之间,牛顿效率达50%,具有良好的分级性能。上述超细粉制备工艺,已在山西太原的一条500kg/h的超细碳酸钙的生产线上得到应用,效果良好,分别得到了d97小于20、10、5L m的不同细度级别的产品。表1样品超细粉磨及分级成品粒度分布(%粒径/L m d50d970225588101015152020252530>30粉磨120min518281624122113191714121011415318212分级成品粒度分布1400r/mi n316191439

19、1728151214813511314117019 2200r/mi n118151453172415817516411211112 3000r/mi n112913671816198164151180145结论11该超细粉制备工艺对物料的适应性强,可对多种不同种类的矿物进行深加工,并具有较高的效率,可根据工艺要求,得到d97小于20、10、5L m的不同细度级别的产品。21通过对粉磨工艺的优化与合适助磨剂的选择,使振动磨具有更高的粉磨效率。当产品细度要求不高时,可采用其他粉磨设备代替(如球磨机,以解决振动磨稳定性较差、运转费用较高的矛盾。31研制开发的高效离心涡轮式分级机具有良好的分级性能,

20、产品细度可通过改变操作参数灵活调节。参考文献1张佑林1粉体的流体分级技术与设备M1武汉:武汉工业大学出版社,19972杨华明,邱冠周,高太峰1搅拌磨超细粉碎的工艺与应用研究J.有色金属,1998,50(3:473李征宇1干法超细搅拌球磨机的结构形式特点及其应用J1中国粉体技术,2000,6(4:364钱海燕,叶旭初,张少明1扁平式气流磨制备超细粉体的研究J.中国粉体技术,2001,7(3:235孙鸿亮1微粉分级技术研究J1中国粉体技术,2000,6(S1:24 6常有海,邵玲1振动磨机粉磨腔型的改进J1矿山机械,1998(10:287梅芳,陆厚根1涡轮式气流分级机分级效率数学模型的研究J1同济

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