金属粉制备新设备新工艺的研究

金属粉制备新设备新工艺的研究

根据目前中国超细粉体技术的现状和国情，将粒径小于30m的100%粉末称为超细粉体。随着物质的超细化,其表面分子排列、电子分布结构和晶体结构均发生了变化,产生了奇特的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应,从而使得超细粉体与常规材料相比具有一系列优异的物理、化学及表面与界面性质。因此,具有超常的特性和使用效果。例如火炸药中的固体成分,经超细化后,由于表面能提高,表面活性增大,因此,它们的燃烧和爆炸性能提高。又如超细金属粉,颗粒尺寸小,比表面积大,具有不同于常规金属材料优良的力学性能,特殊的磁性能,高的扩散性和导电性,高的反应活性和催化性能,很强的吸收电磁波的性能等。这些特殊性能使得超细金属粉材料在航空、航天、舰船、汽车、冶金、化工领域得到了越来越广泛的应用。而粒径小于3μm且成片状的金属粉由于其特殊的二维平面结构,更具良好的附着力,显著的屏蔽效应,反射光线的能力以及优良的导电性能。因此,片状金属粉在颜料、涂料、以及导电浆料等应用领域,显示出优于其它形状粉体的性能,被广泛采用。制备金属粉的方法多种多样,主要有机械法、物理法、化学法等。机械法有球磨法、超声波粉碎法等。物理法有低压气体蒸发法,溅射法,物化法。化学法主要有溶胶-凝胶法,化学气相沉积法,水热法,液相化学还原法。在这几种方法中目前使用最多的是机械法。机械法由于产量大,工艺简单,且能制备一些常规方法难以获得的高熔点金属或合金材料的粉末,还可以制备不参与化学反应的一些材料的粉末而被广泛采用。在机械法中球磨法是使用最多的1种方法,其优点是适应性强,对大多数物料都能粉碎。然而要想得到3μm以下的片状金属粉,用一般的球磨粉碎是很难达到要求的。因此必须对球磨机进行改进,使其达到理想的产品要求。1研磨机研磨原理的分析1.1球磨机的粉碎普通球磨机的主要工作部件是靠1个旋转的筒体带动筒体内装入的各种物料和形状不同的研磨介质(如棒、球等)的相互冲击和研磨作用把物料粉碎,对于较粗物料的粉体能起到良好的粉碎作用,对于极细的物料作用不明显,而对于某些特殊物料,即使延长研磨时间也不能达到理想效果。当物质粉碎得较细时,粉体易互相联结成小块或小饼,使颗粒增大,形成“反粉碎”现象。研究还表明:在粉碎粒径d80>10μm时,随着d80的减小,相对比功耗的增加相对缓慢;当d80<10μm时,随着d80的减小,相对比功耗急剧增加,这表明用普通球磨机进行超细粉碎时,粉碎效率将会急剧降低。多年来,围绕普通球磨机电耗高,钢耗高,能量利用率低的问题,有关专家及专业工作者作了大量研究工作,如在筒体内增设各种不同形状的衬板,改变球磨筒体直径与长度之比,改变筒体内料、球的比例,但问题一直没有从根本上得到解决。搅拌球磨机是依靠磨腔中的机械搅拌棒、齿或片等旋转动件带动研磨介质运动,利用研磨介质之间的挤压力使物料粉碎,但外筒体是静止的,它实质上是1种内部有动件的球磨机,靠内部旋转动件带动研磨介质运动来对物料进行粉碎,因而粉碎效率不高。目前国内外湿式搅拌球磨机种类较多,有卧式、立式2大类,都可以使物质粉碎到d50<3μm,但产品干燥后粒度又会增大。另外,粉碎过程中,粉体易沉于底层(卧式)或浮于上层(立式)。目前,最典型的干式搅拌球磨机设备是德国的Alpine公司研制的立式干式搅拌磨及行星搅拌磨。上述设备都可使物质粉碎很细,但粉碎效率低,往往需要十几到几十小时的粉碎才能达到要求,产品片状化程度差,往往为球形。另外,粉碎过程中,被粉碎物质会沉底,粉碎均匀性差,系统中还往往缺少安全保护措施及防氧化措施。1.2双向旋转球磨粉碎设备的设计我们通过对普通球磨机的粉碎原理研究,认为要提高这类球磨机的粉碎效果,关键是要提高磨球间的有效粉碎区域面积、磨体的转速和磨球间的研磨作用力。搅拌球磨机与普通球磨机的不同之处在于其搅拌器以转动的形式将动能传递给研磨介质;而普通的球磨机是靠球磨机筒体旋转带动研磨介质运动,将动能传递给研磨介质。普通球磨机的致命弱点是研磨介质间的研磨效果差,而且腔体中心易形成空洞,被研磨的物料易从中心逃出,未受到介质的冲击及研磨作用,因而产品粒度较粗,分散性较大。而搅拌球磨机正是克服了普通球磨机的上述缺点,因而粉碎效果好,产品粒度细,分布范围窄,但生产效率低。综合分析球磨机与搅拌球磨机的粉碎原理,我们设计出1种双向旋转球磨粉碎设备。其原理见图1,图2为双向旋转球磨粉碎机内部结构示意图。这种粉碎机外筒体的旋转方向与内搅拌装置的转动方向相反,在粉碎过程中,外筒体带动磨球随筒体作旋转运动,内搅拌装置带动磨球作反向运动,破坏了中心空洞区,避免了“短路”现象,并使磨球在筒体内作不规则运动,因而大大提高了粉碎效果。另外,筒体内搅拌器作高速反向搅拌,使沉积于底部并相互联结、结块的粉体被打散,因而大大提高了对粉体的分散效果,有效的防止了粉体的团聚与反粉碎,使颗粒粉碎得更细,从而获得分散性良好的干粉体。另外,环状粉碎室经密封处理,设有抽真空、充保护气体及喷入保护气氛气体的装置,对新生超细粉体表面进行惰性气体或分散剂的表面包覆处理,既提高了物料粉体的分散性,又防止了粉体被空气氧化产生燃烧或爆炸的可能性。2性能比较2.1球磨机粉碎铝粉的实验结果用双向旋转球磨机与上述2种球磨机的粉碎效果与效率进行了对比试验。试验时,控制外筒体的转速与普通球磨机的转速相同,控制内搅拌器的转速与搅拌球磨机的转速相同,粉碎物质相同,试验结果见表1。我们还进行了以下试验,采用普通球磨机将原料为d50=30μm的铝粉,粉碎30h,细度只能达到d50=5μm,无法达到d50<2μm,而且许多细微的铝粉互相黏连在一起,“反粉碎”现象十分严重。用搅拌球磨机干式粉碎d50=30μm铝粉时,当粒度达到3μm后,再延长粉碎时间已无粉碎效果,也出现了细微的铝粉互相黏连的“反粉碎”现象(均未加助磨剂)。多次试验结果均表明,在相同条件下,双向旋转球磨机的粉碎效果均高于上述2种球磨机,通常普通球磨机需要30h(包括行星磨)达到的结果,双向旋转球磨机只要5～7h就可以达到。2.2粉碎设备的选择我们将研制成功的双向旋转球磨机与高效振动磨、气流粉碎磨和行星磨的粉碎效果进行比较试验。试验时,各种设备的粉碎时间与次数及条件不受限制,都是干法粉碎,不加助磨剂,为防止粉碎时燃爆,气流粉碎只粉碎了少量样品。每种设备都使其效率充分发挥,对比各种设备所获得最细产品的细度,试验选用Ni作为粉碎对象,试验结果见表2。试验表明,行星磨虽然获得的产品较细,但其生产效率较低,粉碎过程中物料易沉底,且设备生产能力较小,不能满足工业化生产要求,而双向旋转球磨机则可满足工业化生产需求。3旋转中心试验项目和结果3.1颗粒消散化试验双向旋转球磨机最大的特点是可以使多种金属进行机械合金化,而且还可使金属颗粒片状化。我们将V(Cu)∶V(Al)∶V(Ni)按1∶1∶1进行合金化试验,图3为Cu,Al,Ni球磨5h的合金照片;将Cu或Al单独进行片状化研磨试验,图4为Al颗粒球磨4h的片状化照片。3.2超细金属粉的制备为了制备无氧化或氧化层极少的超细金属粉(片)或合金粉(片),可采用双向旋转超细球磨机。粉碎时,先将磨球及粉料装入环状粉碎室内,然后抽真空至10-2～10-3Pa,排出粉碎腔内空气,继续抽真空30min,使粉料表面吸附的空气排除,再充入惰性气体(N2或Ar),就可开始进行粉碎。采用该技术设备与在空气中粉碎相比,超细金属粉的表面氧化值仅为在空气中粉碎时(不抽真空、不充惰性气体)的0.1%～0.2%,氧化层极少。本技术设备已用于强氧化剂及可燃物生产,产品细度均匀,可达1μm以下,完全可工业化生产。如已成功在上海建成1条年产500t超细木炭、竹炭粉生产线。平均粒径在5μm以内,可用于高档涂料、高档化妆品、纺织品,医用、食品、环境净化等领域(可防霉、防腐、防虫、防紫外线)。环形粉碎室内抽真空和充填惰性气体或喷入表面包覆剂,可以对易燃易爆材料进行超细粉碎。另外,还可以