超细粉粉碎设备技术发展.docx

1、超细粉粉碎设备技术发展超细粉碎加工技术 根据粉碎加工技术的深度和粉体物料物理化学性质及应用性能的变化，一般将细粉体和微细粉体分为101000m（细粉），0.110m（超细粉）和0.0010.1m的细粉一般采用传统的粉碎或磨粉设备及相应的分级设备等进行加工，这种加工技术称为磨粉；小于0.1m的超微细粉目前还难以完全用机械粉碎的方法加工，需要采用其他物理，化学，方法进行加工；一般将加工0.110的超细粉体和相应的分级技术称为超细粉碎。超细粉碎技术与现代产业发展 超细粉碎技术是伴随现代高技术和新材料产业，如微电子和信息工程，高技术陶瓷，高技术陶瓷和耐火材料，高聚物基复合材料，生物化工，航天技术，新能

2、源等以及传统产业技术进步和资源综合利用及深加工等发展起来的一项新的粉碎工程技术。现已成为最重要的工矿物及其他原材料深加工技术之一，对现代高新技术产业的发展具有重要的意义。超细粉体由于粉度细，分布窄，质量均匀，缺陷少，因而具有比表面积大，表面活性高，化学反应速度快，溶解度大，烧结温度低且烧结体强度高，填充补强性能好等特性以及独特的电性，磁性，光学性能，广泛应用与高科技陶瓷，微电子及信息材料，塑料，橡胶及复合材料填料，润滑剂及高温润滑材料，精细磨料及研磨抛光剂，造纸填料及涂料高级耐火材料及保温隔热材料等高技术和新材料产业。具有特殊功能的高科技陶瓷是近20年迅速发展的新型材料，被称之为继金属材料和高

3、分子材料后的第三大材料。在制备高性能陶瓷材料时，原料越纯，粒度约细，材料烧成温度约低，强度和韧性越高，一般要求原料的粒度小于1m甚至0.1m。超细粉碎技术与设备的新进展及发展趋势郑水林(武汉工业大学北京研究生部,北京100024)摘要综述了近5年来超细粉碎与分级技术的新进展及21世纪初的发展趋势。关键词超细粉碎;精细分级;设备 伴随着超细粉体材料在现代工业中的广泛应用,20年来超细粉碎和精细分级技术已发展成为重要的非金属矿及其它原材料深加工技术之一。近5年来,超细粉碎和精细分级技术在微电子、高级陶瓷、高聚物基复合材料、新型建材、高级纸张、高档油漆涂料、精细化工、药品和保健品等应用领域的需求驱动

4、下又有了新的进展。这一进展主要体现在设备结构的创新、单机处理能力、耐磨性、工艺配套、自动控制以及单位产品能耗等性能的改进。在中国,从1995年至今,超细粉碎与精细分级技术及设备也取得了明显的进展,具有自主知识产权或发明专利的超细粉碎技术和设备的数量较前10年显著增加。以下就这一进展的主要方面进行简单综述。1超细粉碎 目前,国内外超细粉碎设备的主要类型有气流磨、机械冲击式超细磨机、搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、塔式磨、旋风自磨机、离心磨、高压射流粉碎机等。其中气流磨、机械冲击式超细磨机、旋风自磨机等为干式超细粉碎设备;高压射流粉碎机、搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、塔式磨等既可

5、以用于干式也可以用于湿式超细粉碎1。111气流磨 目前工业上应用的气流磨机主要有扁平(圆盘)式、循环管式、靶式、对喷式、流化床逆向喷射式等几种机型,几十种规格。这些气流磨广泛用于滑石、石墨、硅灰石、锆英石、高岭土、重晶石等非金属矿物以及磨料(碳化硅、氮化硼、石榴子石、刚玉等)、化工原料、粉剂农药、颜料、保健药品、稀土等的超细粉碎加工。1995年以来国产气流磨在仿制和消化吸收国外设备的基础上有所创新,尤其是在靶式气流磨、流化床式气流磨以及提高气流磨的耐磨性等方面。在国产塔靶式气流磨基础上改进的球靶式气流磨克服了现有靶式气流磨的不足,使靶面磨损减轻、不易积料,提高了粉碎效率和粉碎细度。这种改进后的

6、球靶式气流磨的主要技术参数为:工作压力016MPa ;耗气量1020m3/ min ;压缩机功率75kW;辅助功率10kW;给料粒度150m ;产品细度(d97)320m ;产量80160kg/ h。这种气流磨用于重质碳酸钙的超细粉碎加工,产品平均粒径(d50)015m ,d95= 2m ;d97= 3m ;最大粒径9m2。图1和图2所示是在AL PINE流化床式气流磨基础上改进的新式流化床式气流磨。其中图1所示的改进型对撞式流化床气流磨的特点是:增大了现有对撞式流化床气流磨传输区的长度,使其长度L /直径D达到310 ,在分级区和粉碎区之间增加足够高的磨体。使传输区气流平稳,分级轮负荷减少,

7、能获得更高产量和理想的粒径,而且机器运转平稳可靠,调机工作量减少,明显地改善了对撞式流化床气流磨的性能中国实用新型专利CN2302950Y,1999年1月6日公开。图3所示的对喷式流化床超细气流粉碎机的主要特点是:在每个超音速气流喷嘴产生的气射流前面都设置了混合管,使每股气流都能携带尽可能多的颗粒做高速运动,产生碰撞,提高了粉碎效率;在粉碎室内设置的上升筒及物料流导向体使碰撞后的气固流得到控制,尤其是控制流化原料的气量,使流化气量既可保证原料均匀分布在各混合管的入口前,同时又不致使大颗粒上升到分级区,有利于分级;设置二次风口,引入二次风防止小颗粒随大颗粒一起下降到混合管的入口处,产生过磨现象,

8、保证粒度的均匀性,同时提高产量中国发明专利CN1129610A , 1996年8月28日公开。江苏昆山市超微粉碎机厂首次在引进德国630AFG机型的基础上开发成功了Q YF - 720型流化床气流粉碎机,提高了国产流化床气流粉碎机的单机处理能力。112机械冲击式超细粉碎机 目前,机械冲击式超细粉碎机的主要机型有:日本细川公司的超细粉磨机(国内机型为CM51型超细粉碎机)、德国AL PINE公司的Circoplex分级研磨机(国内机型为J ZC - 400型和CZM型)、在离心自磨机基础上开发的DJM900型超细粉碎机、多级粉碎及分级磨机和CLM - 2型多级高效旋磨分选超细粉磨机中国实用新型专

9、利CN2250807Y,1997年4月2日公开。这些超细粉碎机广泛应用于煤系高岭土、方解石、大理石、白垩、滑石、叶腊石等中等硬度以下非金属矿物以及化工原料、农药等的超细粉碎加工,产品细度一般可达到d97= 10m ,配以高性能的精细分级机后可以生产d97= 510m的超细粉体产品。机械冲击式超细粉碎机是国内超细粉碎技术与设备研制开发成效最显著的领域之一,近5年来发展迅速,如获得中国实用新型专利的高产窄分布超细粉磨机中国实用新型专利CN2313663Y,1999年4月14日公开、立式高速离心超细粉碎机中国实用新型专利CN2290402Y,1998年9月9日公开、立式风选超细度涡轮粉碎装置中国实用

10、新型专利CN2295530Y,1998年10月28日公开、双吸双磨超细磨机中国实用新型专利CN2310621Y,1999年3月17日公开、旋风式无介质精细磨机中国实用新型专CN2321522Y,1999年6月2日公开、多功能超级微粉机中国实用新型专利CN2230184Y,1996年7月3日公开、离心式超细粉磨机中国实用新型专利CN2274985Y,1998年2月25日公开 ,湍流超细粉磨装置中国实用新型专利CN2247561Y,1997年2月19日公开等。旋风或飓风自磨机是我国自主研制开发的一种新型干式细粉碎和超细粉碎设备。它利用特殊设计的高速回转装置产生高频脉动旋转气流场,使加入粉碎机内的颗

11、粒物料互相冲击、摩擦、剪切或切削实现粉碎。表1所示是四川成都微纳实业有限公司等厂家生产的J FM旋风或飓风自磨机的主要技术参数。这种粉碎机已用于石灰石、方解石、大理岩、滑石、硅灰石、高岭石、重晶石、长石、炉渣等物料的粉碎加工,给料粒度40mm ,产品细度可在d97= 1040m (4001250目)之间不停机地进行调节。外置精细分级机后这种设备可生产d97= 67m左右的超细粉体产品。用J FM800对石灰石进行的试生产结果如下:产品细度d97= 1622m(600800目) ,产量14001800kg/ h ,单位产品能耗7090kWh/ t。这种超细自磨机可用于加工针状硅灰石粉,图3所示为

12、用J FM800生产的针状硅灰石粉体样品的电镜照片,颗粒的长径比平均达12以上,平均粒径615m ,产量12001500kg/ h ,单位产品能耗100140kWh/ t。图4所示是爱益工程技术有限公司的新型机械冲击式超细粉磨机。这种粉磨机借助转子高速旋转产生高频激波,其核心部分是由一组按顺序排列的具有特定几何形状的转子组成的。当转子以高速旋转时产生高频激波,粉磨时,物料在高频激波的作用下经较短时间的膨胀,物料因其中的裂纹、脆弱部位、晶界或异质界面等处受到拉应力的作用而被粉碎或撕裂。113介质超细研磨机 介质超细研磨机有搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机和研磨剥片机、塔式磨、砂磨机等几种类

13、型。国产搅拌球磨机在磨机结构和搅拌机构等方面有所改进,如棒盘搅拌超细湿磨机中国实用新型专利CN2249636Y,1997年3月19日公开。这种搅拌磨机的结构特点是在每层圆盘之间有12层呈十字交叉排列的半椭圆型搅拌棒,具有起动力矩小、单位产品能耗低等优点,已用于高岭土、重质碳酸钙等非金属矿的湿式超细粉碎,产品细度达d97= 2m左右国产研磨剥片机采用多级串联配置、连续湿法研磨方式,产品细度可达d97= 2m左右。近3年来开发的300和500型大型研磨剥片机在原80型的基础上做了较大的改进,不仅提高了单机产量,而且降低了能耗、简化了超细研磨工艺,图5所示为2种不同外形的500型超细研磨剥片机。JM

14、型立式螺旋搅拌球磨机是在塔式磨基础上开发的一种新型搅拌球磨机,既可湿式粉碎也可干式粉碎,湿式粉碎产品细度可达d97= 2m左右,干式粉碎产品细度可达d97= 10m左右,已经在电解锰、重质碳酸钙、云母、高岭土、重晶石、氧化铁红、铁氧体、锆英砂、炉渣等的细磨或超细磨以及金银矿、钼矿、铜矿、铅锌矿等的再磨中得到应用3。所示是一种新型的搅拌塔式磨机,其特点是:螺旋搅拌器采用变径的螺旋体,使搅拌在不同的浓度、不同的压力区间具有不同的工作状态,增强了介质与物料间的冲击、摩擦、剪切作用,从而提高了研磨效率;螺旋搅拌器的尾轴端设置在底座带有的轴承座上,消除了容易偏心,提高了螺旋搅拌器工作旋转的稳定性,减少了

15、噪音和振动,降低了能耗,并提高了整机的使用寿命中国实用新型专利CN2267858Y,1997年11月19日公开。图7所示一种新型结构的卧式、多室/鼠笼转子搅拌磨机,其主要特点是:传动装置采用液力偶合器,当磨机力矩超限进可自动进行保护;磨筒分隔成多个分室,各分室介质粒度可相同,也可不相同;鼠笼转子结构,使介质产生圆周运动、径向运动、轴向运动、高频振动等综合运动,提高了分散等作用,提高磨矿效率;由于磨机的机械能主要转化为粉碎能,热损耗少;不设冷却装置中国发明专利CN1203123A ,1998年12月30日公开。所示为近几年研制的马斯(Maxx)型偏心搅拌球磨机。物料在这种搅拌磨中受到3种粉碎作用

16、: (1)搅拌区域球介质的强力运动产生的冲击和磨剥作用; (2)刮壁刀前面的后尾部产生的强力摩擦;(3)研磨室底部附近的高压应力。这种搅拌磨既可干法研磨,也可湿法研磨,其特点是具有独特的偏心搅拌和旋转的磨控4。国产振动球磨机近年来最主要的进展之一是西安理工大学开发的双电机驱动自同步激振超细振动磨机(019m3,69g) ,该振动磨机在采用三维动力有限元法对磨机结构进行了三维振型分析,实现了对磨机振动参数的有效控制,使该设备在研磨产品细度、产量、单位产品能耗、噪音及耐磨性等方面有较大进步。这种新型振动磨机已在高岭土、重质碳酸钙、矿渣、水泥熟料、重晶石等物料的超细粉磨中得到应用5。ZMF内分级式振

17、动磨是振动磨粉碎原理和结 构上的另一创新。这种振动磨采用独特的环形粉碎腔,并将粉碎和分级集于一身,便于控制产品细度和粒度分布;由于介质充填率高达80 %以及独特的三元回转(垂直翻滚和水平)运动,介质对物料的作用 强度大、能量利用率较高。这种内分级式振动磨的振幅35mm ,给料粒度1mm ,产品细度(d97)可达10m ,但目前ZMF内分级式振动磨的应用或生产实践还很少。将其他粉碎原理与振动磨粉原理相结合开发的新机型是振动球磨机的另一重要进展。美国开发的Vibro - Energy研磨机通过设置于研磨室下部的电机驱动可调节的偏心重块产生水平振动。这种振动磨的振幅较管式振动磨小,一般为12mm ;

18、振动频率1724133Hz ;介质充填率60 %80 %。这种振动磨采用环形磨腔,其激振轴和环形磨腔采用垂直布置方式,机体在空间做高频三维振动;介质在整个空间内的能量分布均匀,从而改善了能量利用,提高了粉磨效率6。转筒振动磨机是一种将旋转筒式球磨与振动研磨原理相结合新型振动磨。这种振动磨机由驱动装置、转筒机构和振动执行机构组成。其中振动执行机构由回转轴、偏心激振器、振动机架、支承弹簧和定位弹簧所组成。回转轴、传动齿轮及转筒均安装在振动机架上,振动机架置于支承弹簧上,构成一个可振的框架。该磨机在转动情况下振动,实现高频冲击离心研磨,具有粉碎速度快、效率高等特点中国实用新型专利,CN2075546

19、U 。广西煤炭科学研究所研制开发的新型消振式离心振动磨机综合应用振动磨粉碎原理和离心磨粉碎原理,兼有离心磨与振动磨的优点。这种消振式离心振动磨机的主要结构和性能特点是:采用单根弹簧轴,而且弹簧不直接支承筒体,即弹簧不参与筒体的振动;振动强度大达到16个重力加速度(16g) ;半振幅1524mm ;振动频率771510215Hz ;电机功率小于40kW;经过5000h的工业试生产表明,该机运行可靠、单位产品能耗较低。114其它 北京航空航天大学流体力学研究所研制了一种利用高压空气流的J FC高压射流式粉碎机。它将干燥无油的空气加速成超音速气流,该气流携带物料做高速运动,使物料相互碰撞、摩擦而粉碎

20、,内设的分级器使未达到粒度要求的粉料返回到粉碎室继续粉碎。这种粉碎机可粉碎莫式硬度110的物料,产品平均粒度(d97)可在120m范围内调节,其工艺特点是气流与物料分路进入粉碎室,故喷嘴和粉碎室磨损小。这种粉碎机已在工业矿物、化工原料、保健食品等中得到应用7。利用高压(2060MPa)水射流的强大冲击力和压力突然降低的穴蚀效应使物料因冲击和爆裂作用而被粉碎的超细剥片均化机是国内超细粉碎技术和设备的另一进展。中国矿业大学研制的这种设备已在云母和高岭土的超细粉碎中得到应用,依给料粒度的不同,一次粉碎的产品细度可达到d97= 1040m。一种等浓度超细均化工艺设备进一步提高了高压水射流磨的工艺性能。

21、它借助高压水作动力,使被处理的浆料在料罐内处于高压状态,高压状态的料浆通过喷嘴高压喷出,射在挡板上,达到料浆超细粉碎和均化的目的中国发明专利CN1148520A ,1997年4月30日公开。乐晶(粉体)工程有限公司的滚轮磨粉机是大型超细粉碎设备的重要进展之一。据样本资料介绍,在原VRM - 1050机型上改进后的LURM -1100TL型滚轮磨粉机,总装机462kW ,粉碎方解石的产品细度为d50= 115m ,d97= 915m ,dmax=17m ,产量4t/ h左右,比能耗约100kWh/ t。Szego是加拿大研制的一种新型行星式磨机。它由固定的立式磨筒和与其配套的转子两大部分组成。转

22、子是由分别安装在主轴上的3组(或多组)螺旋辊轮构成,转子即可由磨机的上部驱动,也可由下部驱动。螺旋辊轮可绕其中心轴自由转动,在研磨过程中,转子部分的螺旋辊轮始终能和磨机的筒壁接触,以达到粉碎的目的8。2精细分级设备211干式分级式 干式精细分级机大多是伴随机械冲击式超细粉磨机和气流磨,尤其是对喷式流化床气流磨的引进和开发而发展起来的。目前,在工业上应用的几种主要干式精细分级机是:日本细川公司的MS、MSS型气流分级机及其类似设备、德国AL PINE公司的ATP单轮或多轮涡轮式分级机及其类似设备以及LHB型涡轮式分级机。这些干式精细分级机基本上都是与相应的机械冲击式超细粉磨机或气流磨配套使用的,

23、其分级粒径可以在较大的范围内进行调节,其中MS型及其类似设备的分级产品细度可达d97= 10m左右,MSS和ATP型及其类似分级机的分级产品细度可达d97= 56m左右。依分级机规格或尺寸的不同,单机处理能力从每小时几十公斤至10t/ h左右不等。国产干法精细分级技术的近几年的重要进展之一是分级流场的研究成果和LHB型涡轮式分级机及射流式超细分级机的发展。徐政等人对影响分级机的主要工艺因素转速和风量对叶片间流场的影响进行了数值模拟研究,并研究了流场对涡轮式分级机分级性能的影响。结果得出转速增加,叶片间流场涡流化程度增大,不利于粉体的精细分级;但另一方面,叶轮转速增加使叶片间颗粒所受的离心力增大

24、,分级粒径降低。因此,需要综合考虑转速对分级性能的影响,而不是简单地增加转速以达到超细分级的目的9。孙国刚等人用智能型五孔球*测量了涡轮式分级机的流场,结果得出涡轮式分级机内是一种复杂的多区旋转流场,分级轮附近气流旋转速度比分级轮外缘的旋转线速度低许多,进入分级轮的径向速度非常不均匀。根据实测的流场结果,取分级圆半径略大于分级轮外缘半径,可得到与实验值一致的切割粒径10。图9所示是1999年研制的LHB型涡轮式精细分级机外形图。这种分级机的主要特点是转速低(12001900r/ min)、分级细度可调(d97= 530m)、分级精度及分级效率高、比能耗低。用LHB- N型分级机(总装机容量70

25、kW)连续48h对重质碳酸钙进行的工业试生产结果(平均值)是:给料:d50= 7118m ,d97= 19151m ,dmax= 26100m ;细产品:d50= 2181m ,d97= 6179m ,dmax= 8120m ;处理量2060kg/ h ;细产品产量713kg/ h ; - 7m超细粉提取(回收)率72164 %;单位(细)产品能耗6910kWh/ t。射流式超细分级机是研制开发的一种利用压缩空气产生的射流偏转和横向筛分原理的新型干法分级技术和设备,近几年对工业样机的分级原理和工艺参数进行了较深入的研究11。ASL300型射流式超细分级机的切割粒径是015850m ,单机处理能

26、力100300kg/ h ;SL FJ - 50A型射流式超细分级机的切割粒径是015950m ,单机处理能力50150kg/ h。212湿式分级机 湿式精细分级机的发展主要是基于离心力沉降原理的旋流式分级机,如国产WL型和WLdb - 450型卧式螺旋卸料离心分离(级)机以及小直径水力旋流器、LS离旋器、GSDF型超细水力旋分机等等,其中,卧式螺旋卸料离心分级机的溢流产品细度可达到d95= 2m左右,重庆江北机械厂引进法国坚纳公司技术生产的D型卧式螺旋推料离心机(见图10)的分级粒径更细,分级(离)效率更高,综合性能显著提高; GSDF型超细水力旋分机的溢流产品细度可达到d90= 2m左右;

27、小直径水力旋流器组的溢流产品细度可达到d80= 2m左右;LS离旋器可达到d60= 2m左右。这些分级机既可单独设置也可与湿式超细粉碎设备配套使用。图11所示为一种新型的逆流式离心分级机。这种离心机主要由一个离心盘构成。除了分级产品细度至少可以达到90 %的产品粒度小于3m外,这种离心分级机还具有分级精度较高等特点。图12为这种分级机的分级效与10mm水力旋流器的比较,由此可见,这种离心分级机可明显提高分级效率和降低分级粒径12。3发展趋势 21世纪,我们将迎来高技术和新材料产业发展壮大、传统产业进步和产品升级步伐加快、相关应用领域对各类超细粉体材料需求量逐渐增大的良好机遇,同时也面临对超细粉

28、体产品粒度及粒度分布、颗粒形状、纯度等要求的提高以及节约能源、资源和保 护自然环境的严峻挑战。作为与高技术和新材料产业发展及传统产业技术进步和产品升级密切相关的超细粉碎技术将在现有基础上发展新技术、新设备、新工艺以及在线粒度大小和粒度分布的监控技术。未来10年的主要发展趋势是:1)改进现有超细粉碎与精细分级设备。主要是在现有设备基础上提高单机处理能力和降低单位产品能耗、磨耗,提高自动控制水平。(2)发展新型的以机械力为基础的超细粉碎和 精细分级设备。与现有超细粉碎和精细分级设备相比,新型超细粉碎设备的特点是能量利用率高、单机生产能力大、粉碎极限粒度小、粉碎比大、无污染、适用范围宽或者可用于低熔

29、点、韧性、高硬度、易燃易爆等特殊物料的加工;新型精细分级设备的特点是分级粒度细、精度高、处理能力大、效率高、单位产品能耗低、磨损轻、与超细粉碎设备的配套性能好。(3)优化工艺和完善配套。发展能满足或适应不同性质物料,不同细度、级配和纯度要求,具有不 同生产能力的超细粉碎成套工艺设备生产线和生产技术。(4)开发粒度大小和粒度分布的自动监控技术,完善现今的粒度测方法和仪器。(5)研究非机械力超细粉碎技术。这种非机械力超细粉碎技术应具有工艺简单、能耗低、效率高、便于实现工业生产等特点。参考文献中国超细粉碎和精细分级技术现状及发展郑水林(北京工业大学材料科学与工程学院,北京100022)摘要:综述了中

30、国超细粉碎与精细分级技术与设备的现状、近5年的进展。20世纪90年代中期以来,中国超细粉碎和分级技术取得了显著进步,现已具备了研制和生产气流粉碎机、高速机械冲击式超细粉碎机、搅拌球磨机、振动球磨机、塔式搅拌磨、行星球磨机、高压射流磨、旋风自磨机等各类超细粉碎及涡轮式气流分级机和离心式水力分级机等设备的能力,并在流态化床式气流粉碎机、飓风自磨机、搅拌球磨机和砂磨机、行星球磨机、高压水射流磨机以及精细分级原理和分级设备等方面取得了一些进展,具有自主知识产权的新技术、新设备显著增多。指出中国目前在超细粉碎和精细分级领域仍然存在大型设备不足、工艺控制技术落后、磨耗和单位产品能耗偏高、特殊粒形超细粉体的

31、生产工艺和设备落后等问题。最后对21世纪初中国超细粉碎和分级技术的主要发展趋势进行了展望。关键词:超细粉碎;精细分级;粉体技术作者简介:郑水林,男,1956年生,博士,教授,中国颗粒学会理事、颗粒制备与处理专委会副主任委员,中国硅酸盐学会非金属矿分会理事、矿物加工与矿物材料专委会主任,主要从事超细粉碎、粉体表面改性、非金属矿物材料等研究。中国工业化的超细粉碎与精细分级技术的发展及设备的制造始于20世纪70年代末和80年代初。迄今为止,中国超细粉碎技术与设备的发展大体上经历了3个阶段:从80年代初至80年代中期以引进国外技术和设备为主,期间国内的超细粉碎技术、设备制造和工艺刚刚起步,许多方面还基本上是空白;80年代中期至90年代中期是引进国外技术、设备与国内仿制、开发同步进行的时期,我国的主要超细粉碎和分级设备研发机构和制造厂商基本上是在这一阶段发展和形成的