氣流磨粉碎原理在棕色陶瓷顏料生產中的應用

2012-04-29 00:00:00呂進海

科技資訊 2012年28期

摘要：對扁平式氣流磨粉碎原理進行研究，以棕色陶瓷顏料為粉碎物料，探討工質壓強，加料速度，噴嘴角度及噴嘴孔徑對物料加工的影響，從而確定粉碎這一物料的工藝參數。

關鍵詞：扁平式氣流磨粉碎效能加料速度工藝參數

中圖分類號：TQ1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0086-02

隨著現代化工業及高新科技的發展，超細粉碎技術已成為最主要的工業礦物及其它原料深加工技術之一。超細粉體由于粒度細、分布窄、質量均勻、缺陷少，因而具有比表面積大、表面活性高、化學反應速度快、溶解度大、燒結溫度低且燒結體強度高、填充補強性能好等特性及獨特的電性、磁性、光學性能等，廣泛應用于高技術陶瓷、陶瓷釉料、微電子及信息材料等高技術和新材料產業[1]。客戶對陶瓷顏料產品的要求越來越高，要求它們具有極細的顆粒、極高的純度、嚴格的粒度分布、一定晶形等。要達到這一要求，傳統的機械粉碎如球磨機、雷蒙磨等設備已無能為力。氣流粉碎、氣流分級技術，在超細粉碎工程中所占的地位也越來越明顯。我公司采用扁平式氣流磨超細陶瓷顏料，棕色陶瓷顏料是公司主要產品之一，所以，研究其加工工藝參數對粉碎效果的影響，并最終確定最優工藝參數是非常必要的。

1 氣流磨

制備粉體離不開粉碎設備，氣流粉碎設備能量利用率較一般機械設備高，適用于干法生產超微粉體。氣流磨是一種技術較成熟的干式超細粉碎設備，可省去物料的脫水、烘干等工藝，其產品純度高、活性大、分散性好、粒度細分布較窄、顆粒表面光滑，所以氣流磨在粉碎行業很受歡迎，廣泛地應用于非金屬礦、化工原料、顏料、磨料、保健藥品等行業的超細粉碎中。

氣流磨又叫噴射磨或能流磨，是一種較成熟的超細粉碎設備，它利用高速氣流（300～500m/s）或過熱蒸汽（300～400℃）的能量使顆粒相互產生沖擊、碰撞和摩擦，從而導致固體物料粉碎。工業型氣流磨自20世紀40年代初問世以來，發展很快，機型正由最初的水平圓盤式或扁平式發展到循環管式、對噴式、塔靶式和流化床對噴式等五大類，規格達十幾種[1]。

扁平式氣流磨，是工業上應用最早和最廣泛的氣流粉碎磨機，我公司超細粉碎多采用扁平式氣流磨。

2 扁平式氣流磨粉碎原理

物料的粉碎過程，實際是在粉碎力的作用下，塊狀和粉狀物料破裂的過程。氣流粉碎則是高速氣流，使物料加速獲得足夠的動能，在混合加速的過程中，分散于湍流中的物料相互碰撞、摩擦、從而達到粉碎目的。

壓縮空氣通過加料噴射器的高速射流所產生的負壓使物料吸入混合室，通過與粉碎室半徑方向成一角度并分布在同一水平上的噴嘴，被高速射流噴入粉碎室，噴氣流夾帶物料以極高的速度旋轉，在粉碎室半徑上形成流體功能特性梯度，物料顆粒之間以巨大的動量相互碰撞，又與粉碎室的內壁碰撞而粉碎，被粉碎粒子隨旋轉流高速旋轉獲得很大的離心力，又受到氣流的向粉碎室中心排出的自心力，兩個力的方向相反，顆粒在這兩個力的作用下分級，扁平式氣流磨機內，粉碎和分級是同時進行的。

3 影響扁平式氣流磨粉碎的因素

影響氣流磨粉碎的因素主要是物料的物性、粉碎的物性、粉碎時的工藝參數及操作條件等。物料的硬度、脆性、溫度進料粒度及其分布都直接影響粉碎的細度和產量。硬度大的不易磨細，軟而粘的物料易堵塞加料噴管和粉碎室，也不易粉碎，進料粒度直接關系到出料的粒度和產量。粉碎時氣體壓力及流量的大小，加料速度等工藝參數的確是很重要的，任何一個參數變化都會影響到出料的細度及產量。正常情況下進氣壓力恒定時，提高加料速度會使出料量提高，顆粒粒度增大，反之，則會使出料量降低，顆粒粒度減小。另外氣流磨噴嘴的結構形式、噴嘴的布置也是影響氣流磨粉碎效率的重要因素之一。下面就影響的各因素進行分析。

3.1 噴嘴的結構及布置對粉碎效能的分析

噴嘴的結構（孔徑大小、開孔形式）對氣流速度產生影響，從而影響旋流中的粒子碰撞，對粉碎效果產生影響，另外，噴嘴必須在同一平面上且在粉碎室半徑方向成一定角度均勻分布。

T角增大，粉碎區變小，有利于顆粒細化，但過大，各噴嘴氣流將嚴重沖刷粉碎室內壁。

適當提高噴嘴處的氣流速度，對粉碎效果是有利的。噴嘴的結構形式也對粉碎效能產生影響?，F實生產中，噴嘴一經加工安裝完畢投入生產后，便被認為特性保持不變。雖然氣流粉碎是顆粒之間的相互碰撞，與噴嘴等不發生徑向關系，但在實際生產中由于噴嘴材料、加工精度和正常的磨損，噴嘴的孔徑會發生變化。另外，頻繁的開停機，會使物料顆粒吸入噴嘴內部，細微的物料顆粒或成餅狀貼附于噴嘴內腔，長時間會逐漸縮小或阻塞噴嘴口徑，或因二次團聚后的較大顆粒高速沖擊、碰撞噴嘴，造成噴嘴內部磨損或剝蝕，使噴嘴內部形狀發生變化，這將嚴重影響氣流通過噴嘴的氣流速度，影響粉碎效能。同時，個別噴嘴的變異或堵塞，造成幾條并聯噴嘴氣路的流速不平衡，將影響整個粉碎室內的原有流場分布，最終導致粉碎的細度、粒度分布，使粉碎效率下降。

3.2 進料速度對粉碎效能的分析

進料速度要適當、均勻，最重要的是保證物料粉碎室內能源源不斷的得到物料的供給，滿足粉碎室內物料的一定濃度。實踐證明，無論物料濃度偏低，還是物料濃度過高，對氣流粉碎的產量都會造成不良的影響。物料濃度低，物料間接接觸碰撞的機率小，物料濃度高，將影響氣流速度，兩者都不利效率提高，應視氣壓、物料特性、機體自身的特性及檢測結果而定。不同規格的氣流粉碎機對于某一確定物料，都有一最佳的加料速度。為使粉碎產品質量穩定，特別要注意加料量的均勻性，一般認為加料量變化幅度不大于2％。

3.3 氣流速度對粉碎效能的影響

所謂氣流速度，即為空氣壓縮機所輸送的氣體通過噴嘴進入粉碎室的速度，由極限粒度理論分析可知，物料所受的壓力超過自身脆性極限或疲勞極限時，物料即發生脆性粉碎或疲勞粉碎，二者中以脆性為主，疲勞這輔。脆性粉碎較易，時間較短，疲勞粉碎較難，時間較長。因此提高噴嘴處的氣流速度，對提高粉碎效果是有利的。

但是，欲提高氣流速度勢必要求提高能源消耗，同時當氣流速度高到某一物值時（物性不同，該速度值不同）。粉碎效率不但不再上升反而呈下降趨勢。因此單純提高氣流速度對能源消耗，粉碎效率等也是不利的。

3.4 物料特性對粉碎效能的分析

物料的性能直接影響物料的粉碎效果。物料的基本性能有以下幾個方面。

（1）幾何特性：顆粒大小、顆粒形狀、物料的比表面積、孔隙度及空隙度。

（2）物料的物理性能：粉碎加工性、粉體流動性、摩擦性、團聚性、結塊及粘結性等。

（3）物料的化學和電解性：固體物料的化學性能，導電性及靜電等物料的強度、硬度、寬度、結構的均勻性、含水量、粘性、裂痕、表面情況以及形狀因素有關。一般物料的硬度強度大時不易粉碎，易團聚的不易粉碎。

3.5 物料溫度對粉碎效能的分析

物料的熱性質，化學性持與粉碎性之間有密切關系。物料的熱膨脹系數不同，有的物料加熱后，可降低物料的細度，從而提高粉碎效能。而對于融點、軟化點低的熱可塑性材料和因溫度上升而失去結合水由氧化作用而變質的材料，以及常溫時強韌，低溫時脆性化的材料，適宜采用低溫粉碎[2]。

4 生產應用

根據扁平式氣流磨的粉碎原理及對影響粉碎效能原因分析，應用于棕色陶瓷顏料的生產實踐中。

（1）經常檢查噴嘴的磨損情況，發現噴嘴孔徑變化、變形的要及時更換。更換時噴嘴要求結構尺寸精確，材料和粗細度達技術要求，噴嘴的布置及角度，一經安裝投入生產即認為特性保持不變。

（2）對一確定物料，都有一最佳的加料速度，掌握好加料量的變化幅度，嚴格控制進料速度，以保證粉碎室的物料的濃度，有利于粉碎效率的提高。

（3）加強空壓機及管道的維護保養，保證在動力不增加的情況下，盡量供給的空氣壓力要大，這樣才能提高氣流速度，增大粒子間的碰撞速度，達到提高粉碎效率的目的。

（4）對進入氣流磨的原始物料要盡可能的細，一般在100μm以下，要求前期對物料進入初粉碎，以便提高粉碎效率。

（5）經實際生產的驗證，氣流溫度高對棕色陶瓷顏料的粉碎有利。對此物料進行氣流粉碎時，由往復式空壓機提供空氣源（不使用單螺桿空壓機）。

綜上所述，現下關鍵的是掌控氣流速度和進料速度。當空壓機工作正常，提供的空氣壓力恒定時，關鍵是進料速度的掌控。下面對此物料在其它條件不變的情況下，不同進料速度和不同壓力下進行粉碎效能比較。

5 實驗裝置與方法

5.1 原料及實驗條件

實驗用實際生產中的350扁平式氣流磨，物料以公司主要生產品種之一的棕色陶瓷顏料，進入氣流磨前此物料的粒度在100μm以下，空氣壓縮機的壓力在6.5～8×105Pa之間，粒度測定儀用LS-POP激光粒度分析儀，功耗采用三相電度表測量。

5.2 實驗方案

在實驗過程中，采用三水平正常設計安排實驗，加料速度，空氣壓強分別排在一、二列上，三水平為：加料速度80kg/h、100kg/h、120kg/h，空氣壓強分別為6.5×105Pa，7×105Pa，7.5×105Pa。粉碎效果的評價用兩種方法：（1）粉碎檢驗：用粉碎產品顆粒的中位徑表示，最大顆粒粒徑不超過10μm。（2）比功耗：由所測產品的粒度分布，功率消耗和加料量來計算比功耗。

6 實驗結果與討論

為了確定最優工況，希望d50越小越好，比功耗率越小越好。因這兩個測量因素不可能達成一致，所以根據比功耗（質量合格）確定最優工況，確定工藝參數。

具體測試結果如表1所示。

對測試結果進行分析：加料速度增加時，d50增加，最大顆粒粒徑增大；空氣壓強增大時，功耗加大。由于對物料的要求是d50盡可能小，粒度分布越窄越好，但顆粒最大粒徑不能超過10μm。這樣綜合考慮在空氣壓強為7.5×105Pa，加料速度為100kg/h時為最優工況。

附粒度檢測表：

實驗1：120kg/h7.5×105Pa

實驗2：100kg/h7.5×105Pa

實驗3：80kg/h7.5×105Pa

7 結論

通過實驗、研究可以得出下面幾點結論：

（1）350扁平式氣流磨粉碎后物料的粒度分布，隨進料速度的增加而變寬。

（2）350扁平式氣流磨可對棕色陶瓷物料進行微粉碎，可以滿足對此物料細度的要求。