粉碎设备及技术的发展历程与研究进展

添加人：admin 发布时间：2015/11/6 8:43:27 来源：中国破碎机网

　　粉碎设备及技术的发展历程与研究进展*房萌娜，马正先，李慧，张在美（济南大学机械工程学院，济甫，250022）粉碎设备，分析了中国粉体工业发展现状及存在的巨大潜力，针对目前粉碎设备与技术研究中存在的问题，提出了今后应注重解决和努力的方向。
　　粉碎机械是应用机械力对固体物料进行粉碎作业，使之变为小块、细粒或粉末的机械。粉碎机械是破碎机械和粉磨机械的总称。比较传统的分类是：排料中粒度大于3mm的含量占总排料量50%以上者称为破碎机械；小于3mm的含量占总排料量50%以上者则称为粉磨机械。，随着科学技术的进步，粉体工业发展进入到了纳米级领域，对于粉碎设备的分类也将更加细化。
　　1粉碎设备的发展历程第一个阶段：公元前两千多年中国就出现了最筒单的粉碎工具一杵曰。杵臼进一步演变为公元前200~前100年的脚踏碓。这些工具运用了杠杆原理，初步具备了机械的雏形，不过，它们的粉碎动作仍是间歌的。最早采用连续粉碎动作的粉碎机找是公元前四世纪由公输班发明的畜力磨，另一种采用连续粉碎动作的粉碎机械是辊碾，它的出现时期稍晚于磨。公元200年之后，中国杜预等在脚踏碓和畜力磨的基础上研制出了以水力为原动力的连机水碓、连二水磨、水转连磨等，把生产效率提高到一个新的水平。第二个阶段：近代的粉碎机械是在蒸汽机和电动机等动力机械逐渐完善和推广之后相继创造出来的。1806年出现了用蒸汽机驱动的辊式破碎机；1858年，美国的布莱克发明了破碎岩石的颚式破碎机；1878年美国发展了具有连续破碎动作的旋回破碎机，其生产效率高于作间歇破碎动作的颚式破碎机；1895年，美国的威廉发明能耗较低的冲击式破碎机。与此同时，粉磨机械也有了相应的发展，19世纪初期出现了用途广泛的球磨机；1870年在球磨机的基础上，发展出排料粒度均匀的棒磨机；1908年又创制出不用研磨介质的自磨机。
　　第三个阶段：超细粉碎技术开始出现。20世纪30~50年代，美国和德国相继研制出辊碗磨煤机、辊盘磨煤机等立轴功效。但是，由于各种物料的粉碎特性互有差异，不同行业对产品的粒度要求也彼此不同，于是又先后创制出按不同工作原理进行粉碎作业的多种粉碎机械，如轮碾机、振动磨、涡轮粉碎机、气流粉碎机、风扇磨煤机、砂磨机、胶体磨等。到了70年代初期，已制造出每小时产量为5000t、最大给料直径达2000mm的大型旋回破碎机以及可将物料磨细到粒度小于O.OlMm的胶体磨。20世纪90年代，纳米技术作为信息和生命科学技术进一步发展的方向基础迅速发展起来。
　　2典型的粉碎设备要是靠机械力的作用，最常见的粉碎方法有五种：压碎、劈碎、折碎、磨碎、击碎，而超细粉碎则要通过对物料的冲击、碰撞、剪切、研磨、分散等手段而实现，传统粉碎中的挤压粉碎方法不能用于超细粉碎，否则会产生造粒效果。由于粉碎方法的不同也使得传统的粉碎设备和超细粉碎设备有所不同，下面就对一些典型设备进行介绍。
　　2.1传统的粉碎设备传统的粉碎机械根据粉碎成品的粒度的不同可以分为破碎机械和粉磨机械。破碎机械根据结构和工作原理的不同可分为下列几种类型：（1）颚式破碎机是由于活动颚板对固定颚板作周期性的往复运动，物料在两颚板之间被压碎。适用于粗、中破硬质料或中硬质料。
　　（2）圆锥式破碎机外锥体是固定的，内锥体被安装在偏心轴套里的立轴带动作偏心回转，物料在偏心回转，物料在两锥体之间受到压力与弯曲力而被破碎。适用于粗、中、细碎硬质料或中硬质料。
　　（3）辊式破碎机物料在两个作相互旋转的辊筒之间被压碎。适用于中、细碎硬质、软质料。
　　（4）锤式破碎机物料被快速旋转的锤子所击碎，锤子自由悬挂在转盘上，并被其带动。适用于中、细碎中硬质料。
　　（5）反击式破碎机物料被快速旋转的转子上刚性固定的打击板打碎，并且撞击到反击板上而进一步被破碎。适用午中、细破碎硬质料和中硬质料。
　　由于粉碎方法不同，而且被处理物料的性质也差异很大，为了满足需要，按结构和工作原理的不同，粉磨机械可分为下列类型：（1）笼i破碎机简称笼磨机，它利用快速旋转的笼子对物料进行冲击粉碎。适用于细碎和粗磨脆性及软质材料，一般在玻璃工业中应用比较多。
　　（2）轮碾机物料在旋转碾盘上被滚动的圆柱形碾轮所压碎及磨碎。适用于细碎和粗磨中硬及软质料。
　　（3）立式磨又称环辊磨，磨辊受到弹簧的作用紧压在旋转磨盘上，物料即在磨盘及磨辊之间被压、研碎，然后被空气带走。适用于细磨软、中硬质料。
　　（4）球磨机物料与研磨体在旋转的筒体中，由于研磨体被筒体带起，然后从一定的篼度下落，能将物料击碎和磨碎。
　　适用于粗、细磨硬质料和磨蚀性料。
　　（5）自磨机又称无介质磨机，它基本上不用研磨体，物料在旋转筒体中被带起，然后从一定高度下落，物料相互间产生连续不断的碰撞而被击碎和磨碎。适用于细碎、粗、细磨中增刊房丽娜等：粉碎设备及技术的发展历程与研究进展硬和硬质料。
　　（6）锤击磨物料被篼速度旋转的锤头击碎，锤头是自由地悬挂或固定在转盘上，击碎后的物料被下面的空气带走，若使用热空气时，还可以同时进行物料的干燥。适用于细碎和粗磨软、中硬质料。
　　（7）辊压机物料在一对相向转动的轧辊中被压碾碎，平滑高压轧辊的直径是长度的3倍。
　　一个轧辊具有固定可调底座，粉碎所需的压力由液压系统施加于另一个轧辊上，轧辊通过万向轴由安装在轴上的行星减速装置驱动，物料从漏斗喂入两个轧辊的缝隙中，被压出来的物料成片状，压片中含有粗粒和细粒，所以必须通过二次粉磨把压片松散开。适用于粗磨和细磨脆性物料。
　　2.2超细粉碎设备我们通常采用的粉碎方法主物料细微状态下，其物理及化学性质均会有明显的变化并出现许多优良性能。由于超细粉体粒度细、表面积大、分布均匀而且缺陷小：大大加快化学反应的速度；充分释放可燃性固体物料所含的能量；使药品的生化作用更趋向有效；使油漆、油墨的色彩更亮泽；使涂料粘合更为牢固等等t3，4.为了利用这些特殊的性能，现代化工、电子技术等对其所用物料的细度提出了更高的要求，因此，超细粉碎技术应运而生。从二十世纪40年代起国外就开始注重以超细粉碎、分级及改性为基础的深加工技术。目前，国外的超细粉碎设备已经可以加工细度为0.5~10；任意窄级别的粉体。超细粉碎通过对物料的冲击，碰撞，剪切，研磨，分散等手段而实现。超细粉碎设备按不同的粉碎方式可分为：机械冲击式粉碎机、振动磨、气流粉碎机、搅拌磨等。
　　221机械冲击式粉碎机高速旋转转子上的冲击元件（棒、叶片、锤头等）对物料施以激烈的冲击，并使其与定子间以及物料与物料之间产生高频的强力冲击、剪切等作用的粉碎设备。它结构简单，操作容易；单位能耗的粉碎能力大，设备运转费用低；容易调节粉碎产品的粒度；可连续自动运转；占地面积小。
　　2.2.2气流粉碎机也称为气流磨、喷射磨或流能磨是一种比较成熟的超细粉碎设备。与其它超细粉碎设备不同，其粉碎原理是利用高速气流或过热蒸汽的能量使铟粒相互产生冲击、碰撞、摩擦而实现超细粉碎或解散的设备。它广泛应用于化工、非金属的超细粉碎，气流磨产品不但粒度细，还具有粒度分布较窄、颗粒形状规整、纯度高。活性大、分散性好等特点。目前工业上应用的气流粉碎机主要类型有：扁平式气流粉碎机、循环式气流粉碎机、对喷式气流粉碎机、粑式气流粉碎机、流态化对喷式气流粉碎机。气流粉碎机的一般原理为：将干燥无油的压缩空气通过拉瓦尔喷管加速成超音速气流，喷出的射流带动物料做高速运动，使铟粒相互碰撞、摩擦而粉碎。被粉碎的物料随气流到达分级区，达到细度要求的物料最终由捕集器收集，没有达到要求的物料再返回粉碎室继续粉碎，直至达到所需细度并被捕集为止。
　　2.2.3高细球磨高细球磨机用于大处理量的高细度研磨过程，为了适应高细度的研磨过程，磨机的机构及工艺参数与普通球磨机有所不同。研磨介质对物料的研磨和机械活化作用可以大大的提高物料的水化等反映性能，这是其它大处理设备所不能取代的。粉磨流程的通常形式是一级的开路粉磨系统。
　　2.2.4振动磨振动磨的工作原理是将物料和磨介装入弹簧支撑的磨筒内，由激振装置驱动磨机筒体做圆周运动，通过磨介的高频振动使物料相互冲击、摩擦、剪切而粉碎。原料粒径最大约40tnm，研磨成品粒径一般可在范围内任意选择，达到亚微米级，且有较强的机械化学性能，能耗低，易于工业规模生产，主要用于非金属矿的深加工。
　　2.2.5扰拌磨搅拌磨主要是由一个填充小直径研磨介质的研磨筒和一个旋转搅拌器组成。它是由电动机通过变速装置带动磨筒内的搅拌器回转，搅拌器回转时其叶片端部的线速度大约是3 ~5m/S左右，高速搅拌时还要大4~5倍。在搅拌器的搅动下，磨介与物料多维循环运动和自转运动，从而在磨筒内不断地上下左右相互置换位置，产生剧烈地运动，由磨介重力以及缧旋回转产生的挤压力对物料进行摩擦、冲击、剪切作用而粉碎。由于它综合了动量和冲量的作用，因此能有效地进行超细粉磨，细度达到亚微米级。而且，它的输入能量大部分直接用于搅动磨介，而非虚耗于转动和振动笨重的筒体，因此能耗比球磨机、振动磨机低。从其工作原理可以看到，搅拌磨不仅有研磨作用，而且还具有搅拌和分散作用。
　　226离心磨机tnl目前尚处于工业试验或试生产阶段。在设计上，离心磨与常规的筒式磨机不同，它的磨矿室围绕某一固定轴旋转，并以某一预先确定的频率和振幅做机械振动，而不是做简单的绕轴旋转运动。这样，可以不受筒式磨机那样的临界转速的限制，使得给定功率和磨机的体积减小，磨矿效率显著提高。这种磨机可将矿物原料磨至很篼的细度或比表面积。适用于细度要求较高的粉碎作业，如化工原料及非金属矿物的细磨或超细磨。
　　3我国及世界粉体工业发展现状粉体工业正朝着超细粉碎的方向迅速发展，超细粉碎技术至今已成为各国重要的非金属矿及其它高新原材料深加工技术之一。对于超细粉碎设备的研究也是从传统的粉碎设备开始的，人们在粉磨机械的原有基础上不断地对磨机进行改进来提高粉磨机械的粉碎比，提高粉碎的精度。美国、欧共体各国以及日本就是先从粉碎设备入手，逐渐扩展到超细分级、高均匀度混合、表面处理、纳米粉体制备等多个方面。
　　近年来，随着以横向技术为先导的新兴产业不断形成，我国的粉体工业也伴随粉体技术的发展与普及而形成规模。然而，我国在粉体技术方面还相当落后。例如，超微粉碎分级技术和设备在国外已相当成熟，而国内还处于从研究向工业化的过渡阶段；精细化粉体产品的品种少、产量小、质量不高，不能满足高新技术产业对原料的要求；高要求的粉体复合技术还处于研究开发阶段；助剂的应用及粉碎同其它化工单元操作的联合作业水平较低；很多必须用精细化粉体产品的领域仍依靠引进国外设备和技术来解决问题，有些则需购买国外产品。
　　虽然我国的超细粉碎技术研究起步比较晚，但经过近几年的努力，到目前为止，我国生产的某些超细粉碎设备已经可以与国外先进机种相媲美，如BM系列涡轮式超细粉碎机，根据国际上先进的粉碎技术研究设计而成的一种可更换各种粉有色矿冶碎刀具的通用型超细粉碎机，粒度可在40~325目之间调节；JFC系列射流粉碎与分级技术与设备（JFCJetMill），根据气体动力学原理和多相流理论设计和研制的国内外最先进的超细粉体生产设备；FJM系列流化床气流磨，是国家计委下达的重大技术开发项目所研制的目前国际上最新一代超细气流粉碎设备，该机是目前公认的能获得最小微粒的机械粉碎装置。另一方面，我国发展粉体工业的前景十分看好，首先我国有丰富的粉体工业原料和市场，随着国内产业结构的调整，各类新产品在新技术的支持下不断出现，原料的精细化使国内对超细粉体产品的需求增加，仅仅在涂料行业，涂料用钛白粉2000年达18万t，涂布高岭土45万t，橡塑填料、涂料、染料、医药、日化等行业对粉体产品的需求增加较快；其二是国内对粉体装备的需求有增无减，仅就以下行业为例：1998年我国生产农药21万t，染料16万t，涂料186万t，聚乙烯264万t，即使这些产品超细加工的量仅为10%，则每年将需要上千套粉体生产系统，可见其技术装备的市场是十分广阔的。
　　4存在问题及发展趋势随着篼新技术和新材料产业的发展，对超细粉体产品粒度、纯度及粒度分布等各项精度要求也相应提高，今天的纳米技术就像20世纪四五十年代的晶体管一样，其技术发展和工业化应用将进一步促进经济发展，同时又面临着节约能源、保护自然环境等资源可持续发展战略的严竣挑战，超细粉碎技术面临的问S也越来越大。为了满足今后社会生产的需要，在今后超细粉碎技术研究中应注重以下方面：（1）加强粉碎与超细粉碎基础理论的研究。希望能在正确的理论指导下，结合现代计算机技术，实现合理与最优设计。加强对粉碎过程数学模型的研究，设计有效的有限元软件或其它的建模仿真方法对粉碎设备的粉碎过程进行仿真分析，找出关键环节，优化结构参数，减少不必要的能量流失，提高粉碎效率。
　　（2）在深入研究超细粉碎理论和技术的基础上，注重学科交叉，积极借鉴其他学科知识。在深入研究机械粉碎方法的同时，探寻化学合成法、物理法等其它非机械力超细粉碎技术以及与机械粉碎相结合的粉碎技术，以适应不同特性物料对设备性能的具体要求。
　　（3）加强超细粉碎过程中的机械化学研究。超细粉碎过程不是简单的机械物理过程而是一种复杂的物理化学过程，超细粉碎过程中会导致粉体的晶体结构和物理化学性质的变化。这些变化与机械力的施加方式、粉碎环境和能耗密切相关，因此，加强超细粉碎过程中的机械化学研究是很有必要的，具有很重要的理论意义和实际意义。
　　（4）改进现有超细粉碎设备，发展新型设备。在现有设备基础上，通过改进设备结构、完善设备生产工艺，开发多功能一体化超细粉碎设备，提篼单机处理能力、自动控制能力和综合配套性能，降低能耗、噪音、污染等不利因索，使得到的超细产品粒度细、粒度分布窄、精度高，又能适应易燃易爆、高硬度物料等的加工。
　　（5）寻求解决超细粉碎过程中磨损的有效途径。在超细粉加工过程中，由于受到强烈的摩擦、碰撞、冲击等作用，与物料或介质直接接触的零部件磨损十分严重，不仅降低了设备的使用寿命，又对产品造成了污染。研制高精密、篼硬度研磨介质，解决设备磨损零部件的材质问题，也应是超细粉碎技术研究的重点。
　　（6）加强专用设备的研究，特别是超细粉碎设备，如有形状（球形、片状等）等特殊要求的粉体加工设备等。像大径厚比白云母粉，高长径比硅灰石等在工业上具有极高的应用价值和巨大的市场潜力，都需要专门的设备和工艺。因此，加强对其特殊的粉碎机理进行研究，针对材料的特性和破碎的要求，研发新型的粉碎分级设备并优化粉碎系统的工作参数具有重大的实际意义。
　　（7）注重粉碎与分级的有机结合。粉碎设备和分级设备对粉碎效果的影响同等重要，将合格细度的产品及时取出或将不希望的大粒及时去除是获得指定产品的重要步L可是，从粉碎设备的发展来看，分级设备的发展总是滞后于粉碎设备的发展。研制与现有的粉碎设备配套的精细分级设备，开发粉碎与分级相结合的闭路工艺设备，可以缩短成品物料在机内的停留时间，从而降低能耗、提高生产率。而且容易调节产品的粒度。
　　（8）粉碎是一个概率过程，其产物具有一定的粒度分布。
　　超细粒子的性能包括粒度、比表面、表面、电荷电势、表面能、表面结构及表面组成等。超细粒子的这些特性测试是极为复杂的，并且很难进行准确测定，因此对测试条件和试仪器都有很严格的要求。如何快速准确的在线测试出粉碎的粒度分布并进行时时控制，是实现超细粉碎工业连续生产的关键。因此，应加强超细粉碎粒子的在线测试、监控及其相应监澜仪器设备的研究。
　　（9）超细粒子的分散是制备高性能复合材料地基础，如纳米粉体具有许多奇异地性质，将这些纳米粒子添加到某种基体中，可以大大改善其性能，并可能带来一些新的特性。因此，研究纳米粉体在各种液相介质中的分散技术及其相应设备，研究超微细粉的团聚机理，探索消除硬团聚的有效途径，将有助于制备纳米相均匀的纳米复合材料，充分发挥其性能。
　　（10）粉体特别是纳米粉体的表面改性在粉体制备和性能优化方面也具有十分重要的意义。为此，应加强改性机理的研究，针对改性需要研究改性的方法、技术、测试手段及其相应仪器设备。