超細粉體制備工藝設(shè)計與實驗研究

1、第25卷第5期非金屬礦Vol125No15 2002年9月Non2Metallic Mines Sep,2002超細粉體制備工藝設(shè)計與實驗研究方瑩陳傳文張少明(南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京210009摘要在綜合分析超細粉制備工藝、粉磨設(shè)備及超細分級技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,確定了新的制備工藝,設(shè)計研制了離心渦輪式超細分級機,并進行了實驗研究。結(jié)果表明:工藝設(shè)計合理,設(shè)備性能優(yōu)越,可制備出不同粒度等級的超細粉體。關(guān)鍵詞制備工藝超細粉粉磨設(shè)備分級機1超細粉制備工藝比較超細粉體的制備途徑,有機械粉碎法和化學(xué)法(即造粒法兩種。前者成本低、產(chǎn)量高,已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),制備工藝也較為簡單,但同時也存在能耗高

2、、效率低、所得粉體不夠細、易混入雜質(zhì)等缺點;后者所得粉末粒度細、純度高,但制備工藝復(fù)雜、成本高、產(chǎn)量低,很難達到工業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)模。在采用機械粉碎法時,同時存在干法與濕法兩種工藝。在干法粉碎過程中,隨著被粉碎物料粒子的變小,其表面能明顯增加,粒子相互間容易團聚或附著在器壁上,形成一緩沖層,致使能量無法集中在單粒子上,使粉碎效率下降,因此必須配合超細分級。而在濕法粉碎過程中,通過水或添加某些藥劑降低粒子的表面能,可防止或抑制粉料的團聚,同時也可使粒子的破碎強度降低,有利于粉碎過程的進行。所以,對于超細加工,濕法粉碎要比干法優(yōu)越。但在實際生產(chǎn)中,濕法加工的產(chǎn)品需固液分離和干燥,對干燥過程引起的結(jié)塊需

3、解聚或二次粉碎,工藝復(fù)雜、固定資產(chǎn)投資及生產(chǎn)成本較高1。鑒于上述兩方面的考慮,當(dāng)對超細粉的粒度、純度要求不高(產(chǎn)品粒度在微米級,產(chǎn)量較大,需達到工業(yè)化應(yīng)用要求時,通常采用干法機械粉碎加超細分級工藝制備超細粉體。2超細粉碎設(shè)備種類及選配隨著超細粉碎設(shè)備的新型化、高效化和對超細粉體需求的增長以及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要,機械法制備超細粉體在材料及礦物加工工業(yè)中已顯示出更大優(yōu)越性。至今,國內(nèi)外已開發(fā)出雷蒙磨、氣流磨、高壓輥磨、離心磨、球磨、膠體磨、振動磨、攪拌磨等超細粉碎設(shè)備,以及與之相配套的精細分級、輸送、包裝、計量、檢測、控制等工藝設(shè)備。超細粉碎設(shè)備是機械法制備超細粉體的基礎(chǔ),在設(shè)計上應(yīng)具有以下兩個條件

4、:¹粉碎能量高度集中;º對物料要施以強烈的剪切和磨剝作用。下面就幾種常用超細粉碎設(shè)備的性能作一簡單介紹。211攪拌磨2、3是目前能量利用率最高、也是目前獲得亞微米級產(chǎn)品唯一可行的超細粉碎設(shè)備。在攪拌磨中設(shè)有攪拌裝置,它使球介質(zhì)與物料在整個筒體內(nèi)不規(guī)則翻滾,使球介質(zhì)與物料間產(chǎn)生相互撞擊和研磨的雙重作用,致使產(chǎn)品磨得更細,并達到均勻分散的效果。攪拌磨起步較晚,但發(fā)展迅速,國產(chǎn)濕法攪拌磨在非金屬礦的超細粉碎中得到廣泛應(yīng)用,并取得良好效果。攪拌磨多用于濕法粉磨工藝,干法工藝因涉及到攪拌器與研磨介質(zhì)的磨損嚴(yán)重,材質(zhì)要求較高,而較少應(yīng)用。212氣流磨4、5氣流磨種類繁多,廣泛應(yīng)用于中等

5、硬度以下物料的超細粉碎,產(chǎn)品細度d97可達到5 10L m左右。氣流磨具有產(chǎn)量大、產(chǎn)品細度細、粒度分布窄、產(chǎn)品受污染程度低等優(yōu)點;但同時也有入料粒度小、配套設(shè)備多、流程相對復(fù)雜、一次性投資大、單位產(chǎn)品能耗高及產(chǎn)品成本高等不足之處。因此,氣流磨適用于物料硬度較低、對產(chǎn)品質(zhì)量要求高、產(chǎn)品增值大的高檔物料的超細粉體的生產(chǎn)。213振動磨6振動磨是一種高效節(jié)能的粉磨設(shè)備,可用于各種硬度物料的超細粉碎,產(chǎn)品粒度d50可達到1L m以下,且具有較強的機械力化學(xué)效應(yīng),能耗較低,易于工業(yè)化生產(chǎn),現(xiàn)國內(nèi)有多家廠家生產(chǎn)不同規(guī)格、型號的振動磨應(yīng)用于非金屬礦深加工。近年來,由于國內(nèi)對超細粉體技術(shù)的要求不斷提高,在超細粉

6、碎設(shè)備的開發(fā)研制方面,幾乎涉及了目前世界上所有的機種,如高速沖擊式超細粉碎機、高速行星式輥輪磨機等。在工藝設(shè)計選型時,必須考慮被粉碎物料的物性、產(chǎn)品純度和細度的要求、各種超細粉碎設(shè)備的性能及適用范圍等因素。在實驗研究中,我們采用振動磨作為超細粉碎設(shè)備;而在工業(yè)化應(yīng)用中,超細粉碎設(shè)備可根據(jù)所需產(chǎn)品的細度要求進行選擇,當(dāng)產(chǎn)品細度d97大于10L m時,可采用球磨機;小于10L m時,采用振動磨。為對以后的工業(yè)化應(yīng)用提供必要的設(shè)計依據(jù),我們還對實驗研究用振動磨工藝參數(shù)進行了以下幾方面的研究:¹在設(shè)備性能方面,對機械的振動強度與物料平均滯留時間及產(chǎn)品細度之間的關(guān)系、比功耗與產(chǎn)品細度之間的關(guān)系

7、等進行了研究;º對配套設(shè)備的選型設(shè)計進行了考慮,主要解決設(shè)備的連續(xù)、均勻供料及降低粉塵污染問題;»在磨介的選擇方面,主要考慮磨介的材質(zhì)、耐磨性及合理級配等問題;¼在強化工藝過程方面,主要考慮了磨介、物料量、水份的關(guān)系以及能降低顆粒硬度、促進裂紋擴展的助磨劑的合理選用等問題。3超細分級設(shè)備種類與設(shè)計超細粉碎是一概率過程,其產(chǎn)物具有一定的粒度分布,將合格細度的產(chǎn)品取出或?qū)⒉荒軡M足要求的大顆粒去除,是獲得指定細度產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。隨著所需粉體細度的提高及產(chǎn)量的增加,分級技術(shù)的難度也越來越大,超細粉體的分級技術(shù)已成為制約機械法制備超細粉體技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前,國內(nèi)外研制的超

8、細分級機種類繁多,在生產(chǎn)中應(yīng)用的主要有以下幾種79。311MC型超細分級機這種分級機無運動部件,靠兩相流沿器壁的旋轉(zhuǎn)流動所產(chǎn)生的離心力場進行分級。其原理是:夾帶分散顆粒的氣固兩相流在負壓的吸引下進入上部的旋流腔,在導(dǎo)向圓錐體的引導(dǎo)下以穩(wěn)定的濃度進入分級室,在離心力的作用下被分離成粗細兩種顆粒。細粉通過分級錐體上部的中心通道,由入口進入的二次空氣夾帶,從出口排出分級機;粗粉則沿著分級錐體落入粗粉室。該機的分級切割粒度范圍在550L m之間,可通過改變導(dǎo)向錐體和分級錐體之間的縫隙、二次空氣量以及不同區(qū)域的壓力來調(diào)節(jié),處理能力為0151000kg/h。312SPC型渦輪分級機SPC型渦輪分級機是在8

9、0年代后期出現(xiàn)的。其工作原理是:粉體進入分級機后,由分散葉片和圓盤兩級分散系統(tǒng)充分分散,粗顆粒在轉(zhuǎn)子的離心力的作用下拋向出口方向,細顆粒與附屬葉片產(chǎn)生的空氣流混合,通過分級葉片后進入渦型管罩中,由布袋收塵器收集。分級機的切割粒徑可通過改變轉(zhuǎn)子速度或空氣流速來調(diào)整。這種分級機的處理能力為108000kg/h,切割粒徑為015150L m。313離心轉(zhuǎn)子式超細分級機該分級機是分級設(shè)備中的主導(dǎo)產(chǎn)品,現(xiàn)有多家公司生產(chǎn),其關(guān)鍵部件略有不同。分級機工作部件主要是一高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,當(dāng)氣固兩相流通過轉(zhuǎn)子間隙由外向內(nèi)運動時,顆粒在離心力場作高速旋轉(zhuǎn)。較大的顆粒在強大離心力的作用下,被拋向器壁而失去動能,并在重力

10、作用下,由排料口排出;較小的顆粒則在氣體粘滯力的作用下,隨氣流向轉(zhuǎn)子內(nèi)部運動,成為產(chǎn)品而由出料口排出。為提高分級機的分級效率,在設(shè)計中采用了二次分散風(fēng),其流量可任意調(diào)節(jié);為使得氣流在整個分級腔內(nèi)分配均勻,保持分級機工況穩(wěn)定,給風(fēng)均采用整流裝置。這種分級機的處理能力為30 8000kg/h,切割粒徑為01560L m。314多轉(zhuǎn)子微粉分級機本分級機是由上部多個轉(zhuǎn)子構(gòu)成的分級腔和底部分散裝置組成的大處理量分級機。原料在分級機的底部被流化分散,然后被上升氣流帶入分級區(qū)。細粉通過轉(zhuǎn)子葉片后在上部提出,進入收集器。粗粉及團聚顆粒在下落過程中,與切向?qū)氲亩螝饬飨嘤鲈俅畏稚⒑?通過底部的出口閥卸出。該機

11、專門為高細度、大處理量的分級過程而設(shè)計。其能力為16t/h,空氣耗量為15 600m3/min,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為3004000r/min。分級切割粒徑為120L m。315離心渦輪式超細分極機我們在完成江蘇省/八五0重點攻關(guān)項目/機械法粉料制備干濕法分級超細粉技術(shù)0的基礎(chǔ)上,結(jié)合分析上述各類超細分級機的結(jié)構(gòu)與性能特點,研制開發(fā)了高效離心渦輪式超細分級機。實驗用分級機的處理能力240kg/ h,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速12003500r/min,主軸電機功率415kW,產(chǎn)品細度d97為11530L m,產(chǎn)品細度可根據(jù)工藝要求,通過改變分級機的操作參數(shù)調(diào)節(jié)控制,分級機的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1 。圖1離心渦輪式超細分級機結(jié)構(gòu)

12、示意圖12轉(zhuǎn)子;22出風(fēng)管;32靜壓密封環(huán);42筒體;52二次風(fēng)導(dǎo)流腔;62一次風(fēng)管;72粗粉出口;82二次風(fēng)進口;92傳動軸;102軸承座離心渦輪式超細分級機的工作原理如下:物料經(jīng)一次風(fēng)攜帶由一次風(fēng)管加入分級機,并上升至筒體上部即轉(zhuǎn)子表面附近的區(qū)域,在高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的作用下,轉(zhuǎn)子表面附近的氣流及物料也同時作高速旋轉(zhuǎn),這樣顆粒便主要受到離心力與氣體阻力的作用(微細顆粒所受重力可忽略不計。在這兩個力的作用下,細粉由氣體攜帶出分級機,再經(jīng)袋式除塵器收集;粗粉則貼壁下降,經(jīng)粗粉出口卸出。為達到較高的分級精度,設(shè)計中采用旋轉(zhuǎn)二次風(fēng),使分級機內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流場,以加速粗粉的貼壁沉降,并達到二次分選的作用;為方

13、便調(diào)節(jié)與控制產(chǎn)品細度,分級機轉(zhuǎn)子采用變頻調(diào)速電機控制。在超細分級機的結(jié)構(gòu)設(shè)計上,主體采用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,外側(cè)設(shè)置導(dǎo)流葉片,以維持分級流場的穩(wěn)定,保證分級機具有較高的分級精度;加料采用一次風(fēng)攜帶物料進入分級室,并設(shè)置二次風(fēng)及二次分選裝置,使物料得到均勻、充分的分散;在轉(zhuǎn)子與出風(fēng)口之間采用壓縮空氣動態(tài)密封,防止氣體在轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動下產(chǎn)生的反壓而導(dǎo)致的短路現(xiàn)象,為分級機具有較高的分級性能提供了保障。對分級機的分級性能,主要考慮了分級機的分級效率、分級精度、切割粒徑及產(chǎn)品細度與分級機操作參數(shù)(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、處理風(fēng)量、分級室內(nèi)粉塵濃度及原料粒度大小之間的關(guān)系;我們采用正交實驗,在實驗條件下探索了分級機的最優(yōu)工

14、況。對配套設(shè)備的選型,主要解決設(shè)備的連續(xù)均勻供料、成品的高效率分離回收、氣固分離設(shè)備的配套選型計算等問題。4超細粉制備試驗411超細粉制備工藝根據(jù)上述分析,在本研究中超細粉磨設(shè)備采用攪拌磨,超細分級設(shè)備采用自行研究開發(fā)的高效離心渦輪式超細分級機,其工藝流程:料倉y給料y振動磨y超細分級機(粗粉回磨 y袋式收塵y成品。該制備工藝的特點是:¹該流程為閉路粉磨系統(tǒng),經(jīng)粉磨后的粉體進行超細分級,可根據(jù)工藝要求用于各類超細粉體的生產(chǎn)。º系統(tǒng)具有較高的粉磨效率。該系統(tǒng)借助于超細分級機將細顆粒及時選出,避免了過粉碎現(xiàn)象,同時也減輕了包球現(xiàn)象,介質(zhì)的有效研磨和沖擊的效果得到改善,降低了粉磨

15、能耗。»系統(tǒng)可調(diào)、對物料的適應(yīng)性強。該系統(tǒng)的超細分級機產(chǎn)品細度可調(diào),振動磨機給料也可定量控制,使系統(tǒng)產(chǎn)品細度、產(chǎn)量和系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)負荷率得到靈活的控制;¼利用粉碎過程中劇烈摩擦產(chǎn)生的熱量,引起被粉碎物料產(chǎn)生一定的機械力化學(xué)變化,可在超細粉碎的同時對物料進行表面改性處理,以滿足工藝要求。½物料的粉碎過程中,可根據(jù)被粉碎物料的物性選擇合適的助磨劑,并通過選擇助磨介質(zhì)的材質(zhì)及合理的級配,以有效地提高振動磨的粉磨效率。412實驗研究結(jié)果因?qū)嶒炇覉龅氐南拗?不能組成完整的工藝流程,故在實驗研究中,物料采用間歇粉磨的方法來進行。先將一定量的被粉碎物料與粉磨介質(zhì)一起加入振動磨,據(jù)

16、需要粉磨一定時間得到待分級的中間產(chǎn)品;再將得到的已粉磨物料作為原料加入超細分級機中進行分級,得到成品與粗粉;再對所得到的粉料進行測試分析,經(jīng)處理得到評價分級機分級性能與成品細度指標(biāo)的各項數(shù)據(jù)。實驗原礦粒度(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。原礦在振動磨中的粉磨時間為120min,物料量為1kg,分級機的主軸轉(zhuǎn)速為14003000r/min,處理風(fēng)量為015215m3/min,加料時間為20

17、min。表1為礦樣經(jīng)振動磨粉磨和經(jīng)分級機在不同轉(zhuǎn)速分級后的成品粒度組成;圖2為在處理風(fēng)量(115m3/min不變時,成品中位徑隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化情況;圖3為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(2600r/min不變時,成品 中位徑隨處理風(fēng)量的變化情況。圖2中位徑與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系(處理風(fēng)量115m3/min、加料時間 20min圖3中位徑與處理風(fēng)量的關(guān)系(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速2600r/min、加料時間20min由上述實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),實驗用振動磨具有較高的粉磨效率,隨著粉磨時間的延長,產(chǎn)品粒度顯著減低,再經(jīng)過粉磨工藝及助磨劑的合理選用,可得到更高的粉磨效率。分級機的產(chǎn)品細度隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高而變細,隨著處理風(fēng)量的增加而變粗;另外,在

18、同樣的操作條件下,降低入料(進分級機原料的粒度可得到更細的產(chǎn)品。在上述工況下,分級機的分級精度(K=d25/d75在01420155之間,牛頓效率達50%,具有良好的分級性能。上述超細粉制備工藝,已在山西太原的一條500kg/h的超細碳酸鈣的生產(chǎn)線上得到應(yīng)用,效果良好,分別得到了d97小于20、10、5L m的不同細度級別的產(chǎn)品。表1樣品超細粉磨及分級成品粒度分布(%5結(jié)論11該超細粉制備工藝對物料的適應(yīng)性強,可對多種不同種類的礦物進行深加工,并具有較高的效率,可根據(jù)工藝要求,得到d97小于20、10、5L m的不同細度級別的產(chǎn)品。21通過對粉磨工藝的優(yōu)化與合適助磨劑的選擇,使振動磨具有更高的

19、粉磨效率。當(dāng)產(chǎn)品細度要求不高時,可采用其他粉磨設(shè)備代替(如球磨機,以解決振動磨穩(wěn)定性較差、運轉(zhuǎn)費用較高的矛盾。31研制開發(fā)的高效離心渦輪式分級機具有良好的分級性能,產(chǎn)品細度可通過改變操作參數(shù)靈活調(diào)節(jié)。參考文獻1張佑林1粉體的流體分級技術(shù)與設(shè)備M1武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,19972楊華明,邱冠周,高太峰1攪拌磨超細粉碎的工藝與應(yīng)用研究J.有色金屬,1998,50(3:473李征宇1干法超細攪拌球磨機的結(jié)構(gòu)形式特點及其應(yīng)用J1中國粉體技術(shù),2000,6(4:364錢海燕,葉旭初,張少明1扁平式氣流磨制備超細粉體的研究J.中國粉體技術(shù),2001,7(3:235孫鴻亮1微粉分級技術(shù)研究J1中國粉體技

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21、01p新書及資料征訂p5c2001第二屆中國非金屬礦工業(yè)大會會議論文集6(115元、5非金屬礦與環(huán)保專集資料選編6(5715元、5碳酸鈣加工及應(yīng)用技術(shù)專利文摘匯編6(69元、5世貿(mào)(WTO知識選編6(3415元、5破碎、分級設(shè)備制造及應(yīng)用專利文摘選編6(19972000年(8015元、5膨潤土開發(fā)利用最新專利文摘匯編6(19972000(5715元、5膨潤土在意大利的工業(yè)應(yīng)用及開發(fā)6(5715元、5超細粉碎6(2715元、5中國非金屬礦工業(yè)叢書6(共計12冊、每冊暫定價50元、5非金屬礦工業(yè)手冊6(98元、5非金屬礦行業(yè)指南6(7812元、5非金屬礦加工技術(shù)與設(shè)備6(5512元、5非金屬礦產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)匯編6(138元、5全國非金屬礦開發(fā)應(yīng)用科技成果匯編6(3415元、5c1999全國非金屬礦招商、引資與技術(shù)、市場信息交流會會議資料6(5715元、5非金屬礦深加工6(2615元5/淺色非金屬礦物超細效應(yīng)及應(yīng)用研究0論文集6 (10元、5英漢2漢英建材工業(yè)大辭典6(110元、5中國石材6(50元、5石材廠商名錄6(50元、5裝飾石材實用