粉體混合原理及常見工藝難題

尹長軍

摘 要：文章闡述了粉體混合的機理和影響混合的主要物理特性。總結了粉體混合在實踐過程常見的工藝難題，并對如何解決進行了探討。

關鍵詞：粉體混合；顆粒；機理；影響因素

中圖分類號：TQ027.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0070-02

混合是將不同物理性質和化學性質的顆粒在空間上分布均勻的過程[1]，是兩種以上的固態粉體物料在外力的作用下，其不均勻性降到最低的過程[2]。如對粉末冶金生產而言，粉體混合質量將直接影響粉末冶金零件的內在質量。

1 混合的機理

粉末混合的方法和所用的設備不一樣，混合的效果肯定不一樣，但是混合機理是基本相同的。

（1）擴散混合：粉體小規模分層擴散移動，在外力作用下分離的粉體移動到不斷展現的新生層面上，使各組粉體在局部氛圍內擴散實現分布均勻。

（2）對流混合：粉體大規模的隨機移動，粉體在外力作用下產生類似流體的運動，粉體從物料的一處移至另一處，使粉體在大范圍內對流實現均勻分布。

（3）剪切混合：對粉體物料團內進行剪切，在外力的作用下粉體間出現相互滑移現象，形成滑移面，使局部的粉體不斷被剪切實現均勻分布。以上三種混合原理雖各有不同，但是共同的本質則是施加適當形式的外力使混合物中各種組分粉體產生相互間的相對位移，這是發生混合的必要的條件。

不少學者把粉體混合的各個階段大致用圖1來標示[3]。從圖中分析得出，粉體混合的第Ⅰ階段表現為宏觀整體混合很快，為對流混合；第Ⅱ階段的混合速度有所減慢，是對流和剪切的共同作用階段；第Ⅲ階段時，粉體的混合均勻度在某一值上下波動，表明粉體的混合與分離相平衡，粉體處于微觀階段，為擴散混合階段[4]。

由于粉體本身的物化性質不同、設備結構與操作條件的不同，實際生產中粉體的混合過程是一個很復雜的過程，不僅可能三種混合方式同時存在，而且混合的常常伴隨著粉體顆粒的分離。

（4）混合的隨機性：以粒度相同的兩種等量物料固體A和固體B混合為例，如A與B的密度相同，在理論上似可輕易達到完全的混合狀態，只要使A和B相互交錯排列，即達到完全的理想的混合。若A是B的2倍的量，則必須有2個A粒子與一個B粒子排列在一起。若A與B的密度不同，B為A的2倍，就必須1個A與2個B并列。這樣，絕對的均化在工業生產中就不大可能出現了，那么最佳的混合狀態就是無序的不規則排列，一般認為混合的過程就是一個“隨機過程”，也稱“概率混合”，其所能達到的最佳程度稱為隨機的完全混合。

2 影響粉體混合的主要物理特性

物料粉體所具有的形狀、粒徑及粒度分布、裝填密度、表面性質、休止角、流動性、含水量、粘結性等都會影響混合過程，從實踐經驗來看，其中最具有影響力的是裝填密度、粒徑和流動性。

（1）粉體裝填密度。包含松裝密度和振實密度，是研究粉體的一個重要的標準特征值。實際應用中一定數量的粉體堆積密度是介于松裝密度和振實密度之間的。因此，要考慮松裝密度與振實密度兩個因素的影響。

（2）粉體粒徑。表示顆粒的平均尺寸，絕大多數粉體形狀都是不規則的，本文所指的粒徑是在假設粉體形狀是規則的前提下，用粉體直徑來標示。根據現有粉體理論和實踐經驗表明，粉體越細，越不容易混合均勻。

（3）粉體的流動性。一般情況下，粉體流動性越好，混合進程進行的就越快。粉體實際流動時，通常用堆粉角和崩潰角標示，如圖2所示。只有流動性不好的粉體才會有崩潰角的產生。

3 常見混合工藝難題探討

（1）流動性差的粉體。在實際工作中，我們經常會遇到流動性很差的粉體，根據實踐觀察，堆粉角≥40°的粉體，要混合均勻就變得十分困難了。依靠只有料桶運動的混合設備達到均勻混合的目的幾乎是不可能的，延長混合時間也很難做到。

改善方法：由于流動性不好，粉體不易分開，因此在混合時需要強制攪拌手段，使用帶有攪拌葉片的混合機，克服由于流動不好帶來的混合難度。

（2）輕重粉不易混合難題。例如：在調味料混合中要把較重的鹽粒和較輕的辣椒粉混合均勻，根據現有粉體液態化模型可知，比重輕的辣椒粉一直漂浮在容器的上方，難以混合均勻。

改善方法：選用雙運動混合機，如圖3所示。由于雙運動混合容器轉動與內部葉片轉動在同方向進行，但是轉速不一致，這樣葉片就會裹挾漂浮于上方的輕粉進入主體重粉中，從而使輕粉得以均勻的混合。

（3）超細粉不易混合難題。超細粉通常指1000目以上的粉體，當一種粉體細小到一定程度時，他外部的物理特征就會發生巨大的變化，原來不會漂浮的變得會漂浮，并極易出現團聚，形成假顆粒現象，極難混合均勻。

改善方法：降低設備運動速度，盡量避免超細粉的漂浮運動；選用雙運動混合設備，將漂浮在容器上方的超細粉壓入主體粉中；裝料時，物料裝到混合機器容的80～85%，減少超細粉漂浮的可能性，增加粉體的壓力，有利于葉片剪切的效果。

（4）添加微量元素的粉體。在食品、醫藥等行業中，產品往往會添加對質量起關鍵作用并且特別貴重的微量元素。微量元素一旦聚集在容器死角或混合不均勻，就會造成產品報廢。

改善方法：針對易聚集在料桶死角的難點，需采用料桶可以運動的混合設備，避免死角的產生；針對微量元素添加極少和主體粉流動性不好的難點，采用帶有強制剪切攪拌功能的混合設備，避免粉體流動性不好的難點。同時采用逐次增量的混合方法來解決，不斷稀釋微量元素，達到混合均勻的目的。

4 結束語

目前，粉體混合已經發展成為一門跨學科，垮行業的綜合性極強的技術科學，他的應用遍及材料、冶金、食品、醫藥等諸多領域。粉體對象成千上萬，而且個體特性復雜，因此粉體混合是個比較龐雜而困難的工作。期待在不久的將來，可更深刻地揭示混合過程中粉體的運動機理，達到更好的混合效果和更高的混合效率。

參考文獻：

[1]German. Pow der Met allurgy Science.New York ：Chemical Publishing Co.Inc，1995

[2]孫楠，秦家峰，張錫兵，等.粉體混合原理及混合質量分析[J].機電信息，2012，14：42.

[3]趙洪義.綠色高性能生態水泥的合成技術[M].北京：化學工業出版社，2007：139-141.

[4]葉濤.多組分粉體混合過程的理論分析與實驗研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.endprint