超細粉體的分級技術及其典型設備
2021-06-29
超細粉料不僅是制備結構材料的基礎，其本身也是一種具有特殊功能的材料，為精細陶瓷、電子元件、生物工程處理、新型打印材料、優質耐火材料以及與精細化工有關的材料等許多領域所必需。隨著超細粉體在現代工業越來越廣泛的應用，粉體分級技術在粉體加工中的地位越來越重要。
1、分級的意義
在粉碎過程中，往往只有一部分粉體達到粒度要求，如不將已經達到要求的產品及時分離出去，而與未達到粒度要求的產品一起再粉碎，則會造成能源浪費和部分產品的過粉碎問題。
此外，顆粒細化到一定程度后，出現粉碎與團聚的現象，甚至因顆粒團聚變大而使粉碎工藝惡化。為此，在超細粉體制備過程中要對產品進行分級，一方面控制產品粒度處于所需的分布范圍，另一方面使混合物料中粒度已達到要求的產品及時分離出來，使粗粒返回再粉碎，以提高粉碎效率降低能耗。
隨著所需粉體細度的提高和產量的增加，分級技術的難度也越來越高，粉體分級問題已成為制約粉體技術發展的關鍵，是粉體技術中最重要的基礎技術之一。因此，對超細粉體分級技術與設備的研究十分必要。
2、分級的原理
廣義的分級是利用顆粒粒徑、密度、顏色、形狀、化學成分、磁性、放射性等特性的不同而把顆粒分為不同的幾個部分。狹義的分級是根據不同粒徑顆粒在介質(通常采用空氣和水)中受到離心力、重力、慣性力等的作用，產生不同的運動軌跡，從而實現不同粒徑顆粒的分級。
3、分級機的分類
按所用介質可分為干法分級(介質為空氣)與濕法分級(介質為水或其它液體)。干法分級的特點是用空氣作流體，成本較低，方便易行，但它有兩個不足，一是易造成空氣污染，二是分級的精度不高。濕法分級用液體作為分級介質，存在較多的后處理問題，即分級后的粉體需要脫水、干燥、分散、廢水處理等，但它有著分級精度高、無爆炸性粉塵等特點。
按是否具有運動部件可劃分為兩大類：
(1)靜態分級機：分級機中無運動部件，如重力分級機、慣性分級機、旋風分離器、螺旋線式氣流分級機和射流分級機等。這類分級機構造簡單，不需動力，運行成本低。操作及維護較方便，但分級精度不高，不適于精密分級。
(2)動態分級機：分級機中具有運動部件，主要指各種渦輪式分級機。這類分級機構造復雜，需要動力，能耗較高，但分級精度較高，分級粒徑調節方便，只要調節葉輪旋轉速度就能改變分級機的切割粒徑，適于精密分級。
4、分級的關鍵問題
對于任何分級方法而言，要想取得較好的分級效果，關鍵是如何提高分級物料的分散性和選擇合適的分級力場。
物料經超細化后呈現與原物料不同的性質，首先是比表面增大，表面能升高；其次表面原子或離子數的比例大大提高，使其表面活性增加，粒子之間引力增大或由于外來雜質如水分的作用而易于聚集；超細粒子也易在粉碎過程中由于碰撞吸收或粉碎后由于靜電等作用力而聚集在大粒子上，無論在空氣中還是在液相中均易生成粒徑較大的二次顆粒，這使得對超細產品的分級比普通產品分級更加困難。
因此分級的首要任務是分散粒子，使其處于單分散狀態，從而提高粉體的流散性，即超細粉體的基礎在于粉體粒子的分散。可以說，充分的分散可使分級過程事半功倍。
解決了粉體粒子的分散之后，另一個更大的難題是如何設計穩定、可調節的力場。理想的分級力場應該具有分級力強、流場穩定及分級迅速等性質。由于粉體粒子在不同的介質、不同的力場中的行為不一樣，因此必須了解其物理特性、運動特性，設計高效合理的分級力場。目前，分級機使用的力場主要為重力場、慣性力場和離心立場。
5、典型的分級設備
（1）濕式分級機
超細粉體的濕法分級從目前市場情況看，主要分為重力式和離心式。
水力旋流器。水力旋流器的分級過程是：物料在內部高速旋轉，產生很大的離心力。在離心力和重力的作用下，較粗顆粒被拋向器壁，作螺旋向下運動，最后由底流口排出，較細顆粒及大部分水分形成旋流，沿中心向上升起，至溢流管排出。
常用的水力旋流器有三種，小直徑水力旋流器、水封式旋流器和超細水力旋分機。水力旋流器的優點是構造簡單、無運動部件、價廉、占地面積小、處理量大；缺點是分級精度較低。
臥式螺旋離心分級機。待分級的懸浮液由中心加料管加入螺旋推料器的推進倉，加速后由螺旋上的進料孔進入轉鼓內。在離心力的作用下，進入轉鼓內的懸浮液很快分成兩層，較粗或較重的顆粒沉積在內壁上形成沉渣層，而含較細或較輕顆粒的液相則形成內環分離液層。分離液采用溢流方式或向心泵式排出，沉渣(固體顆粒)則被螺旋推料器推送到轉鼓的錐端，在此進一步脫水后由出渣口甩出轉鼓，一般分級粒度為2～5μm。
（2）干式分級機
干法分級機大多是采用離心力場、慣性力場對粉體進行分級，它們是目前發展較快的重要精細分級設備。以下是幾種有代表性的設備。
錐形離心氣流分級機。錐形離心氣流分級機在離心力的作用下，實現粗粉和細粉的分離。該設備成品粒度最細可達0.95μm左右，分級精度d75/d25可達到1.16。該設備沒有任何運動部件，其導流片角度可以在7～15°之間調整，設備結構緊湊，分級效率高，運行安全可靠。
MS(Micron Separator)葉輪分級機。待分級物料和一次氣流經給料管、可調管進入機內，經氣流分布錐而進入分級區，軸帶動分級葉輪旋轉，細粒級物料在分級區內受分級輪高速旋轉產生強大的離心力場和分級機后部引風機所產生的向心力雙重作用下，因向心力大于離心力，隨氣體經葉片之間的間隙向上通過細粒排出口排出。粗粒級物料因受離心力大，經環形體從機體下部的粗粒排出口排出。
MSS超細分級機。該機是MS型機的改進型。其特點在于葉輪段的圓柱形殼體壁上增加了切向氣流噴射孔，它的作用是從孔中向機內噴射氣流，使葉輪在離心力作用下拋向筒壁的粗顆粒中所夾帶的細顆粒能從中徹底分離。
ATP型分級機。ATP型分級機是德國研制生產的一種分級機，為葉輪轉子式。該設備分級輪水平安裝在分級機頂部，與流化床氣流磨，輪碾機等聯合使用。同時，為了克服葉輪轉速太高而使生產能力下降問題，可將多個小直徑分級葉輪并聯水平安裝于分級機頂部，以提高生產能力并確保獲得較細產品
慣性分級機。慣性分級機是利用顆粒運動由于其質量不同，慣性力也不同，因而形成不同的運動軌跡，進而實現顆粒的分級。另一種慣性分級機——射流分級，是利用噴射對粉料產生的拋射作用，同時物料受到不同方向的氣流作用，導致顆粒的分級。研究發現采用慣性力場分級時，流場的干擾因素較多，不易控制。
KSF型新型超細分級機。該機為日本生產。分級轉子為葉輪型或籠型，轉子轉速高，其分級粒徑由轉子產生的離心力與氣流向心力所決定。據報導，該機適用于金屬礦、非金屬礦、塑料、陶瓷等多種物料的分級，可獲得0.3μm的超細產品。
LHB型渦輪式超細分級機。這種分級機的特點是轉速低(1 200～1 900r/m in)，分級細度d 97為5～30μm，具有分級精度及分級效率高，能耗低等優點。
DS型分級機。D S型分級機是一種無轉子的半自由渦式分級機，含有微細顆粒的兩相流，在負壓的作用下進入分級機。經上部筒體壁旋轉分離后，部分空氣和微粉通過插入管離開分級機；剩余部分物料通過中心錐體進入到分級區，在離心力的作用下被分成粗粉和細粉。二次空氣經過可調整角度的葉片進入分級室，以使顆粒充分分散，提高其分級效率。粗粉經環形通道進入卸料倉，細粉從中心錐體下部排出機外。分級細度的調節也是通過調整中心錐體的高度和二次風量來完成。DS型分級機的切割粒徑為1～300μm，處理量為10～4 000kg/h。
ACUCUT型分級機。該分級機由美國開發生產，其結構及原理如下：中間部分為分級轉子，轉子外側是固定壁，上下蓋板將分級室密封。轉軸上段空心軸為細粉出口，下段實心軸由電機帶動旋轉。轉子由上下轉盤和葉片構成，轉子旋轉形成離心力場。同時在空心部分產生負壓區，使氣流隨著轉子旋轉，并沿徑向流向空心軸部，由此構成離心力場與壓力場共同作用的流體流動。分級室內顆粒受到流體夾帶的作用，若顆粒受到的徑向夾帶力大于離心力，則顆粒通過細粉出口排出，粗粉由切向出口排出。該機的特點是分級精度高，切割粒徑可小于1μm，分級細度僅靠調整轉子轉速即可。
附壁交叉射流式分級機。附壁交叉射流式分級機亦稱交叉彎管式氣流機。它利用高速射流的附壁效應，同時將物料分成不同細度的3個等級。顆粒在壓縮空氣的夾帶下，由加料噴嘴進入分級機，流動中的顆粒軌跡由空氣阻力及顆粒慣性決定，通過附壁表面時，由于附壁效應形成流動偏向。每個顆粒因大小不同而慣性不同，小顆粒附壁效應較強，貼著附壁塊表面流動，而大顆粒因慣性大而被空氣夾帶得更遠。顆粒將按大小不同形成一個扇面軌跡，在二次空氣流量和壓力的調節下，可從不同的角度上獲得多種產品。
多轉子微粉分級機。該分級機是由上部分級腔(由多個轉子構成)和底部分散裝置所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。細粉通過轉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，與切向導入的二次氣流相遇再次分散后，通過底部的出口閥卸出。該機專門為高細度、大處理量的分級過程而設計。
有效碰撞分級器(Virtual Impactor)。它由上、下兩個耐磨材料制成的圓筒組成，筒內有氣溶膠式的顆粒流，粒層內外為干凈氣流，在進入直圓筒處發生碰撞，使物料易于分散，小于分級粒度的粒子從細粒出口排出。其特點是分級迅速、排料方便，結構簡單、耐用而易維修。
MC型微粉分級機。MC型微粉分級機(Micron Classification)無運動部件，靠兩相流沿器壁的旋轉流動所產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渦旋腔，在導向圓錐體的引導下以穩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，在由入口進入的二次空氣夾帶下，從出口排出分級機；粗粉則沿著分級錐體落入粗粉室。該機的分級切割粒徑范圍在5～50μm之間，可通過改變導向錐體和分級錐體之間的縫隙、二次空氣量以及不同區域的壓力來調節，其處理能力為0.5～1000kg/h。
O-Sepa分級機。該類分級機主體是一個渦殼形旋風筒，內裝有籠形轉子，分級機渦殼內裝有一圈立式導流葉片。物料從頂部的兩個進料口進入撒料盤，轉動的料盤將粉體拋向外圍的擋環，撞擊分散后改變方向落下，在轉籠與導流葉片之間的狹長空間內形成料幕。在導流葉片與轉籠轉動的綜合作用下使機內氣體形成強烈的水平旋流，顆粒既有沿切線作直線運動的慣性，又受向心氣流的夾帶作用，粗顆粒慣性較大，與壁面碰撞后分離，細顆粒隨氣流進入轉籠，最終從中央風管吸出捕集成產品。
6、分級技術和設備的發展趨勢
(1)加強理論研究，注意學科交叉、積極借鑒其他學科知識。
(2)注重研究超細粉體在各種介質中的分散技術及相應設備，研究超微細粉體的團聚機理、探索消除團聚的有效途徑。
(3)加強專用設備的研究，發展高效低耗、高精細和大處理量的分級技術和設備。
(4)在現有設備和工藝基礎上發展人工智能技術，根據原料特點和產品細度要求自動優化生產工藝配置和操作參數，達到高效、低耗、穩定產品質量的目的。
(5)提高產品的穩定性和可靠性，注重粉碎與分級的有機結合。
(6)進一步完善設備的配套性，加強超細分級的在線測試、監控及其相應監測儀器設備的研究。
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