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超细粉体的分级技术及其典型设备

日期: 2019-11-07
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超细粉料不仅是制备结构材料的基础,其本身也是一种具有特殊功能的材料,为精细陶瓷、电子元件、生物工程处理、新型打印材料、优质耐火材料以及与精细化工有关的材料等许多领域所必需。


随着超细粉体在现代工业越来越广泛的应用,粉体分级技术在粉体加工中的地位越来越重要。


1、分级的意义


在粉碎过程中,往往只有一部分粉体达到粒度要求,如不将已经达到要求的产品及时分离出去,而与未达到粒度要求的产品一起再粉碎,则会造成能源浪费和部分产品的过粉碎问题。


此外,颗粒细化到一定程度后,出现粉碎与团聚的现象,甚至因颗粒团聚变大而使粉碎工艺恶化。

为此,在超细粉体制备过程中要对产品进行分级,一方面控制产品粒度处于所需的分布范围,另一方面使混合物料中粒度已达到要求的产品及时分离出来,使粗粒返回再粉碎,以提高粉碎效率降低能耗。


随着所需粉体细度的提高和产量的增加,分级技术的难度也越来越高,粉体分级问题已成为制约粉体技术发展的关键,是粉体技术中最重要的基础技术之一。因此,对超细粉体分级技术与设备的研究十分必要。


超细粉体的分级技术及其典型设备

大型卧式微米分级机

图片来源:某知名粉体装备制造企业


2、分级的原理


广义的分级是利用颗粒粒径、密度、颜色、形状、化学成分、磁性、放射性等特性的不同而把颗粒分为不同的几个部分。

狭义的分级是根据不同粒径颗粒在介质(通常采用空气和水)中受到离心力、重力、惯性力等的作用,产生不同的运动轨迹,从而实现不同粒径颗粒的分级。


3、分级机的分类


按所用介质可分为干法分级(介质为空气)与湿法分级(介质为水或其它液体)。干法分级的特点是用空气作流体,成本较低,方便易行。

但它有两个不足,一是易造成空气污染,二是分级的精度不高。湿法分级用液体作为分级介质,存在较多的后处理问题,即分级后的粉体需要脱水、干燥、分散、废水处理等,但它有着分级精度高、无爆炸性粉尘等特点。


按是否具有运动部件可划分为两大类:


(1)静态分级机:分级机中无运动部件,如重力分级机、惯性分级机、旋风分离器、螺旋线式气流分级机和射流分级机等。这类分级机构造简单,不需动力,运行成本低。操作及维护较方便,但分级精度不高,不适于精密分级。


(2)动态分级机:分级机中具有运动部件,主要指各种涡轮式分级机。这类分级机构造复杂,需要动力,能耗较高,但分级精度较高,分级粒径调节方便,只要调节叶轮旋转速度就能改变分级机的切割粒径,适于精密分级。


超细粉体的分级技术及其典型设备

高性能精细分级机

图片来源:某知名粉体装备制造企业


4、分级的关键问题


对于任何分级方法而言,要想取得较好的分级效果,关键是如何提高分级物料的分散性和选择合适的分级力场。


物料经超细化后呈现与原物料不同的性质,首先是比表面增大,表面能升高;其次表面原子或离子数的比例大大提高,使其表面活性增加,粒子之间引力增大或由于外来杂质如水分的作用而易于聚集。

超细粒子也易在粉碎过程中由于碰撞吸收或粉碎后由于静电等作用力而聚集在大粒子上,无论在空气中还是在液相中均易生成粒径较大的二次颗粒,这使得对超细产品的分级比普通产品分级更加困难。


因此分级的首要任务是分散粒子,使其处于单分散状态,从而提高粉体的流散性,即超细粉体的基础在于粉体粒子的分散。可以说,充分的分散可使分级过程事半功倍。


解决了粉体粒子的分散之后,另一个更大的难题是如何设计稳定、可调节的力场。理想的分级力场应该具有分级力强、流场稳定及分级迅速等性质。

由于粉体粒子在不同的介质、不同的力场中的行为不一样,因此必须了解其物理特性、运动特性,设计高效合理的分级力场。目前,分级机使用的力场主要为重力场、惯性力场和离心力场。


5、典型的分级设备


(1)湿式分级机

超细粉体的湿法分级从目前市场情况看,主要分为重力式和离心式。


水力旋流器。水力旋流器的分级过程是:物料在内部高速旋转,产生很大的离心力。在离心力和重力的作用下,较粗颗粒被抛向器壁,作螺旋向下运动,最后由底流口排出,较细颗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种,小直径水力旋流器、水封式旋流器和超细水力旋分机。水力旋流器的优点是构造简单、无运动部件、价廉、占地面积小、处理量大;缺点是分级精度较低。


超细粉体的分级技术及其典型设备


卧式螺旋离心分级机。待分级的悬浮液由中心加料管加入螺旋推料器的推进仓,加速后由螺旋上的进料孔进入转鼓内。

在离心力的作用下,进入转鼓内的悬浮液很快分成两层,较粗或较重的颗粒沉积在内壁上形成沉渣层,而含较细或较轻颗粒的液相则形成内环分离液层。

分离液采用溢流方式或向心泵式排出,沉渣(固体颗粒)则被螺旋推料器推送到转鼓的锥端,在此进一步脱水后由出渣口甩出转鼓,一般分级粒度为2~5μm。


超细粉体的分级技术及其典型设备


(2)干式分级机

干法分级机大多是采用离心力场、惯性力场对粉体进行分级,它们是目前发展较快的重要精细分级设备。以下是几种有代表性的设备。


锥形离心气流分级机。锥形离心气流分级机在离心力的作用下,实现粗粉和细粉的分离。该设备成品粒度最细可达0.95μm左右,分级精度d75/d25可达到1.16。

该设备没有任何运动部件,其导流片角度可以在7~15°之间调整,设备结构紧凑,分级效率高,运行安全可靠。


MS(Micron Separator)叶轮分级机。待分级物料和一次气流经给料管、可调管进入机内,经气流分布锥而进入分级区,轴带动分级叶轮旋转。

细粒级物料在分级区内受分级轮高速旋转产生强大的离心力场和分级机后部引风机所产生的向心力双重作用下,因向心力大于离心力,随气体经叶片之间的间隙向上通过细粒排出口排出。

粗粒级物料因受离心力大,经环形体从机体下部的粗粒排出口排出。


超细粉体的分级技术及其典型设备


MSS超细分级机。该机是MS型机的改进型。其特点在于叶轮段的圆柱形壳体壁上增加了切向气流喷射孔,它的作用是从孔中向机内喷射气流,使叶轮在离心力作用下抛向筒壁的粗颗粒中所夹带的细颗粒能从中彻底分离。


超细粉体的分级技术及其典型设备


ATP型分级机:ATP型分级机是德国研制生产的一种分级机,为叶轮转子式。该设备分级轮水平安装在分级机顶部,与流化床气流磨,轮碾机等联合使用。

同时,为了克服叶轮转速太高而使生产能力下降问题,可将多个小直径分级叶轮并联水平安装于分级机顶部,以提高生产能力并确保获得较细产品。


超细粉体的分级技术及其典型设备


惯性分级机:惯性分级机是利用颗粒运动由于其质量不同,惯性力也不同,因而形成不同的运动轨迹,进而实现颗粒的分级。另一种惯性分级机——射流分级,是利用喷射对粉料产生的抛射作用,同时物料受到不同方向的气流作用,导致颗粒的分级。研究发现采用惯性力场分级时,流场的干扰因素较多,不易控制。


超细粉体的分级技术及其典型设备


KSF型新型超细分级机:该机为日本生产。分级转子为叶轮型或笼型,转子转速高,其分级粒径由转子产生的离心力与气流向心力所决定。据报导,该机适用于金属矿、非金属矿、塑料、陶瓷等多种物料的分级,可获得0.3μm的超细产品。


LHB型涡轮式超细分级机。这种分级机的特点是转速低(1 200~1 900r/m in),分级细度d 97为5~30μm,具有分级精度及分级效率高,能耗低等优点。

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DS型分级机:D S型分级机是一种无转子的半自由涡式分级机,含有微细颗粒的两相流,在负压的作用下进入分级机。

经上部筒体壁旋转分离后,部分空气和微粉通过插入管离开分级机;剩余部分物料通过中心锥体进入到分级区,在离心力的作用下被分成粗粉和细粉。

二次空气经过可调整角度的叶片进入分级室,以使颗粒充分分散,提高其分级效率。粗粉经环形通道进入卸料仓,细粉从中心锥体下部排出机外。

分级细度的调节也是通过调整中心锥体的高度和二次风量来完成。DS型分级机的切割粒径为1~300μm,处理量为10~4 000kg/h。


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ACUCUT型分级机:该分级机由美国开发生产,其结构及原理如下:中间部分为分级转子,转子外侧是固定壁,上下盖板将分级室密封。

转轴上段空心轴为细粉出口,下段实心轴由电机带动旋转。转子由上下转盘和叶片构成,转子旋转形成离心力场。

同时在空心部分产生负压区,使气流随着转子旋转,并沿径向流向空心轴部,由此构成离心力场与压力场共同作用的流体流动。

分级室内颗粒受到流体夹带的作用,若颗粒受到的径向夹带力大于离心力,则颗粒通过细粉出口排出,粗粉由切向出口排出。该机的特点是分级精度高,切割粒径可小于1μm,分级细度仅靠调整转子转速即可。


超细粉体的分级技术及其典型设备


附壁交叉射流式分级机:附壁交叉射流式分级机亦称交叉弯管式气流机。它利用高速射流的附壁效应,同时将物料分成不同细度的3个等级。

颗粒在压缩空气的夹带下,由加料喷嘴进入分级机,流动中的颗粒轨迹由空气阻力及颗粒惯性决定,通过附壁表面时,由于附壁效应形成流动偏向。

每个颗粒因大小不同而惯性不同,小颗粒附壁效应较强,贴着附壁块表面流动,而大颗粒因惯性大而被空气夹带得更远。

颗粒将按大小不同形成一个扇面轨迹,在二次空气流量和压力的调节下,可从不同的角度上获得多种产品。


超细粉体的分级技术及其典型设备


多转子微粉分级机:该分级机是由上部分级腔(由多个转子构成)和底部分散装置所组成的大处理量分级机。原料在分级机的底部被流化分散,然后被上升气流带入分级区。细粉通过转子叶片后在上部提出,进入收集器。

粗粉及团聚颗粒在下落过程中,与切向导入的二次气流相遇再次分散后,通过底部的出口阀卸出。该机专门为高细度、大处理量的分级过程而设计。


有效碰撞分级器(Virtual Impactor):它由上、下两个耐磨材料制成的圆筒组成,筒内有气溶胶式的颗粒流,粒层内外为干净气流,在进入直圆筒处发生碰撞,使物料易于分散,小于分级粒度的粒子从细粒出口排出。

其特点是分级迅速、排料方便,结构简单、耐用而易维修。


MC型微粉分级机:MC型微粉分级机(Micron Classification)无运动部件,靠两相流沿器壁的旋转流动所产生的离心力场进行分级。

其原理是夹带分散颗粒的气固两相流在负压的吸引下进入上部的涡旋腔,在导向圆锥体的引导下以稳定的浓度进入分级室,在离心力的作用下被分离成粗细两种颗粒。

细粉通过分级锥体上部的中心通道,在由入口进入的二次空气夹带下,从出口排出分级机;粗粉则沿着分级锥体落入粗粉室。

该机的分级切割粒径范围在5~50μm之间,可通过改变导向锥体和分级锥体之间的缝隙、二次空气量以及不同区域的压力来调节,其处理能力为0.5~1000kg/h。


超细粉体的分级技术及其典型设备


O-Sepa分级机:该类分级机主体是一个涡壳形旋风筒,内装有笼形转子,分级机涡壳内装有一圈立式导流叶片。

物料从顶部的两个进料口进入撒料盘,转动的料盘将粉体抛向外围的挡环,撞击分散后改变方向落下,在转笼与导流叶片之间的狭长空间内形成料幕。

在导流叶片与转笼转动的综合作用下使机内气体形成强烈的水平旋流,颗粒既有沿切线作直线运动的惯性,又受向心气流的夹带作用,粗颗粒惯性较大,与壁面碰撞后分离,细颗粒随气流进入转笼,最终从中央风管吸出捕集成产品。


超细粉体的分级技术及其典型设备


6、分级技术和设备的发展趋势


(1)加强理论研究,注意学科交叉、积极借鉴其他学科知识。

(2)注重研究超细粉体在各种介质中的分散技术及相应设备,研究超微细粉体的团聚机理、探索消除团聚的有效途径。

(3)加强专用设备的研究,发展高效低耗、高精细和大处理量的分级技术和设备。

(4)在现有设备和工艺基础上发展人工智能技术,根据原料特点和产品细度要求自动优化生产工艺配置和操作参数,达到高效、低耗、稳定产品质量的目的。

(5)提高产品的稳定性和可靠性,注重粉碎与分级的有机结合。

(6)进一步完善设备的配套性,加强超细分级的在线测试、监控及其相应监测仪器设备的研究。

END


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