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氣流粉碎法制粉技術(shù)與超音速氣流粉碎法制粉技術(shù)的研究

摘要：

粉末冶金具有精度高、效率高、成本低等的特點(diǎn)，而粉末冶金工藝的第一步便是制備粉末。在先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展中氣流粉碎法、球磨粉碎法、渦旋研磨法、電化學(xué)腐蝕法、還原法、霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法、超速凝固法、溶鹽沉淀法、水熱法、電解法、熱離解法、氣相沉積法、溶膠-凝膠法、自蔓延高溫合成法等是比較先進(jìn)的制粉技術(shù)。本文主要介紹氣流粉碎法制粉技術(shù)與超音速氣流粉碎法制粉技術(shù)的原理、設(shè)備特點(diǎn)、發(fā)展方向及存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：氣流粉碎法、超音速氣流粉碎法、超細(xì)粉末

一、氣流粉碎法制粉技術(shù)

<一>、原理

氣流粉碎是利用氣流的能量進(jìn)行粉碎的。該方法廣泛用于非金屬礦物及化工原料等的超細(xì)粉碎，產(chǎn)品細(xì)度可達(dá)0.1～45微米.氣流粉碎所用的裝置，叫做氣流粉碎機(jī)。氣流粉碎機(jī)又稱(chēng)氣流磨(Fluid Energy Mill),或稱(chēng)噴射磨(Jet Mill)，是一種高效的超微粉碎設(shè)備。與傳統(tǒng)的機(jī)械式粉碎機(jī)原理不同，它是利用高壓氣體通過(guò)噴嘴產(chǎn)生的高速氣流所孕育的巨大動(dòng)能，使物料顆粒發(fā)生互相沖擊碰撞，或與固定板(例如沖擊板)沖擊碰撞，達(dá)到粉碎目的的。

要使顆粒得到充分的粉碎，粉碎力是一個(gè)主要的作用力，氣流是粉體顆粒獲得能量和速度的動(dòng)力，粉碎時(shí)顆粒所需要的粉碎沖擊速度為:

式中， σ-物料強(qiáng)度極限，

g-重力加速度，

E-彈性模量，

γ-物料重度，

ν-沖擊速度

ε-沖擊粉碎后的恢復(fù)速度。

從公式可以看出，物料顆粒沖擊破壞所需要的速度與顆粒的強(qiáng)度極限、彈性模量及重度等機(jī)械性能有關(guān)，同時(shí)顆粒表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)形態(tài)也對(duì)沖擊速度有很大的影響，但顆粒表面和內(nèi)部總是存在著各式各樣的缺陷，如裂紋、微孔等，能使應(yīng)力高度集中，從而降低了顆粒的強(qiáng)度，但是在實(shí)際粉碎過(guò)程中還存在許多不可預(yù)測(cè)的因素，所以應(yīng)使粉碎物料的沖擊速度相對(duì)大一些，這樣才能保證所需的粉碎細(xì)度。

<二>、設(shè)備

氣流粉碎機(jī)自20世紀(jì)30年代問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)許多研究者的努力，其結(jié)構(gòu)不斷更新，種類(lèi)不斷增多，先后出現(xiàn)了扁平式(或圓盤(pán))氣流磨、循環(huán)式氣流磨、對(duì)撞式氣流磨、流化床氣流磨、靶式氣流磨、超音速氣流磨等。但是無(wú)論哪種氣流粉碎機(jī)，都是由一些基本部件如加料裝置、工質(zhì)分配室、噴嘴、粉碎室、成品收集器,廢工質(zhì)排出管等構(gòu)成。扁平式氣流粉碎機(jī)其原理和結(jié)構(gòu)具有一定的代表性，圖 1為早期扁平式氣流粉碎機(jī)示意圖：

其原理是壓縮空氣(空氣、過(guò)熱蒸汽或惰性氣體)通過(guò)加料噴射器的高速射流所產(chǎn)生的負(fù)壓，使物料吸入混合室，通過(guò)與粉碎室半徑方向成一定角度并分布在同一水平上的噴嘴，被高速射流噴人粉碎室，噴氣流夾帶著物料以極高的速度旋轉(zhuǎn)，在粉碎室半徑上形成流體動(dòng)力特性梯度，物料顆粒之間以巨大的動(dòng)量相互碰撞(約占粉碎量的80%左右)，又與粉碎室的內(nèi)壁碰撞(占20%左右)而粉碎[77。被粉碎粒子隨旋轉(zhuǎn)流高速旋轉(zhuǎn)獲得很大的離心力，又受到氣流向粉碎室中心排出的向心力，兩個(gè)力的方向相反，顆粒在這兩個(gè)力的作用下分級(jí)。因此，在圓盤(pán)式氣流粉碎機(jī)內(nèi)，粉碎和分級(jí)是同時(shí)進(jìn)行的。

<三>、特點(diǎn)

經(jīng)氣流粉碎后的物料平均粒度細(xì)，粒度分布較窄，顆粒表面光滑，顆粒形狀規(guī)整，純度高，活性大，分散性好;可粉碎低熔點(diǎn)和熱敏性材料及生物活性制品(因?yàn)闅饬鞣鬯闄C(jī)以壓縮空氣為動(dòng)力，壓縮氣體在噴嘴處的絕熱膨脹會(huì)使系統(tǒng)溫度降低)。氣流粉碎設(shè)備在生產(chǎn)超細(xì)粉體方面已有取代機(jī)械式粉碎機(jī)的趨勢(shì)。氣流粉碎已廣泛應(yīng)用于化工、農(nóng)藥、礦產(chǎn)、醫(yī)藥、陶瓷、電子、國(guó)防、日化、輕工、紡織、冶金、食品等行業(yè)，對(duì)農(nóng)藥可濕性粉劑、藥品、化學(xué)試劑，各種填料、顏料、染料、粉末涂料、火箭推進(jìn)劑、礦產(chǎn)品、固體潤(rùn)滑材料、化妝品、食品、有色金屬等進(jìn)行了有效的超微粉碎，使這些物料及關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的質(zhì)量(如粒度、懸浮率、溶解度、遮蓋力、著色力、藥效、吸油率、潤(rùn)滑性、絕緣性、粗糙度等)有明顯的提高，取得了巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

<四>、發(fā)展方向

信息技術(shù)、生物技術(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展對(duì)粉體產(chǎn)品的粒度、純度和粒度分布提出了更高的要求，而且盡可能地節(jié)約能源、減少環(huán)境污染。為了滿(mǎn)足社會(huì)生產(chǎn)的需要，超細(xì)粉碎技術(shù)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近幾年在氣流粉碎基礎(chǔ)理論研究方面有了很大的進(jìn)步。

二、超音速氣流粉碎法制粉技術(shù)

<一>、原理

氣流在自身高壓作用下強(qiáng)行通過(guò)粉碎室噴嘴時(shí)，將產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百米甚至千米的高速氣流，物料經(jīng)負(fù)壓的引射作用進(jìn)入超音速?lài)姽?，并在高速氣流作用下被加速到一定的速度，由于氣流噴嘴與粉碎室相應(yīng)半徑成一銳角，故高壓氣流帶著顆粒在粉碎室中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并形成強(qiáng)大旋轉(zhuǎn)氣流，使顆粒加速、混合并發(fā)生沖擊、碰撞等行為，粉碎合格的細(xì)小顆粒被氣流推到旋風(fēng)分離室中，較粗的顆粒則繼續(xù)在粉碎室中進(jìn)行粉碎，從而達(dá)到粉碎目的。研究證明：80％以上的顆粒是依靠顆粒間的相互沖擊碰撞被粉碎的，只有不到20％的顆粒是通過(guò)顆粒與粉碎室內(nèi)壁的碰撞和摩擦被粉碎。

<二>、設(shè)備

在超音速氣流作用下，物料顆粒之間不僅要發(fā)生撞擊，而且氣流對(duì)物料顆粒也要產(chǎn)生沖擊剪切作用。同時(shí)物料還要與粉碎室發(fā)生沖擊、摩擦、剪切作用，其損失的能量將部分轉(zhuǎn)化成為顆粒的內(nèi)能和表面能，從而導(dǎo)致顆粒比表面積和比表面能的增大，晶體晶格能迅速降低，并且在損失晶格能的位置將產(chǎn)生晶體缺陷，出現(xiàn)機(jī)械化學(xué)激活作用。在粉碎初期，新表面將傾向于沿顆粒內(nèi)部原生微細(xì)裂紋或強(qiáng)度減弱的部位(即晶體缺陷形成處)生成，如果碰撞的能量超過(guò)顆粒內(nèi)部需要的能量，顆粒就將被粉碎。

<三>、特點(diǎn)

(1)耐熱敏性 由于壓縮空氣在噴嘴處絕熱膨脹會(huì)使系統(tǒng)溫度降低，所以整個(gè)粉碎空間是低溫環(huán)境，顆粒的粉碎是在低溫瞬間完成的，從而避免了某些物質(zhì)在粉碎過(guò)程中產(chǎn)生熱量而破壞其化學(xué)成分的現(xiàn)象發(fā)生，尤其適用于熱敏性物料的粉碎。

(2)物理性氣流粉碎純粹是物理行為，既沒(méi)有其它物質(zhì)摻入其中，也沒(méi)有高溫下的化學(xué)反應(yīng)，因而保持物料的原有大然性質(zhì)。

(3)無(wú)污染性 因?yàn)槌羲贇饬鞣鬯榧夹g(shù)是根據(jù)物料的自磨原理而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的粉碎，粉碎的動(dòng)力是空氣。粉碎腔體對(duì)產(chǎn)品污染極少，粉碎是在負(fù)壓狀態(tài)下進(jìn)行的，顆粒在粉碎過(guò)程中不發(fā)生任何泄漏。只要空氣經(jīng)過(guò)凈化，就不會(huì)造成新的污染源。

(4)精度高通過(guò)調(diào)節(jié)分級(jí)機(jī)的轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)負(fù)壓等參數(shù)，可以控制產(chǎn)品粒徑分布在很小的范圍內(nèi)，并且分級(jí)機(jī)的調(diào)整是完全獨(dú)立的，對(duì)一些有特殊要求的中藥材加工十分有利。

<四>、發(fā)展方向

隨著超音速氣流粉碎技術(shù)的不斷發(fā)展，其在化學(xué)化工、礦物加工、食品加工以及材料科學(xué)等領(lǐng)域中已顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。進(jìn)一步拓寬超音速氣流粉碎技術(shù)的應(yīng)用范圍，是科學(xué)技術(shù)自身發(fā)展的必然要求，具有十分重要的科學(xué)價(jià)值；相信隨著超音速氣流粉碎技術(shù)的不斷發(fā)展以及其應(yīng)用范圍的拓寬，超音速氣流粉碎技術(shù)必將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

三、氣流粉碎法與超音速氣流粉碎法制粉技術(shù)存在的問(wèn)題

<一>、 超音速粉碎流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究有必要加強(qiáng)。高粉碎速度給流場(chǎng)的直接測(cè)量帶來(lái)了極大的困難，因此應(yīng)加強(qiáng)測(cè)試儀器的研究。

<二>、 目前將蒸汽作為工作介質(zhì)的粉碎設(shè)備少，從而對(duì)以蒸汽在粉碎機(jī)的影響過(guò)程的研究很少，可充分利用蒸汽工作介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)粉碎設(shè)備的大型化。

<三>、 在氣流粉碎參數(shù)優(yōu)化模型的建立方面還很欠缺，從而給粉碎設(shè)備的完善和優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。

<四>、深化混合、干燥、造粒、包覆等工藝與粉碎聯(lián)合進(jìn)行。軟質(zhì)材料的粉碎是粉碎技術(shù)的一大難題和研究重點(diǎn)。因此，為了滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展需要，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，優(yōu)化設(shè)備的設(shè)計(jì)迫在眉睫。

參考文獻(xiàn)：

作者不詳；氣流粉碎法制粉技術(shù)研究現(xiàn)狀及問(wèn)題；

   蔡艷華 ，馬冬梅等；超音速氣流粉碎技術(shù)應(yīng)用研究新進(jìn)展；1000—6613(2008)05—0671—05;