（机械电子工程专业论文）双向循环分级回转式成球机.pdf

摘要 粉状物料造粒设备是化工、建材、冶金、环保等行业企业产品生产过程中用 于成球的重要设备，该设备需要满足造粒产品的球形度、强度、表面光滑度、粒 径均匀性及单机产量等方面的技术要求。现有凝聚法造粒的成球设备主要是成球 盘和成球筒，但他们还存在一些缺点和不足，难以满足特定成球产品的技术、质 量、产能等方面的要求，这是一个带有普遍性的问题。新型成球设备的研发成为 一个急需解决的重要课题。 本文是在大量成球实验的基础上对成球工艺理论和设备所作的总结与探索， 提出了双向循环成球理论并在此基础上进行了相应的功能结构分析。 提出的双向循环成球理论为：粉状物料在旋转的多层造粒筒内实现泄落滚动， 同时加入经过雾化的粘结剂( 例如水) ，在简体的旋转作用下，物料滚动成球，在 特殊结构双向循环返料装簧的作用下，物料在成球机内实现双向闭路循环， 不同粒径的料球和未成球的粉状物料经过筛分筒分级后，大颗粒料球经过整粒后 泄出作为成品，小粒径料球和粉状物料返回成球筒继续成球，料球在双向循环过 程中经过整粒筒的不断滚动，成为球形度高且表面光滑的圆球。 根据上述成球理论，发明了双向循环装置和多层筒造粒及整粒装置，并设计 制造出完整的设备，除了以上核心装置外，整个系统还包括：雾化装置、控制装 置、布料装置、传动装置、收尘装置等。 据此设计的双向循环分级回转式成球机不但满足了物料成球的特定要求，并 实现了连续、均衡、闭路循环式生产，同时提高了自动化程度，降低了劳动强度 和人工成本，改善了操作环境，很好的实现了物料造粒生产的需要，在成球效率、 单机产量、粒径均匀程度、表面光滑程度、致密性等方面优于现有的各种成球设 备。 该设备的研发成功，创新了成球理论，丰富了成球设备的类型，具有国内领 先水平，是当今盘类、单筒类成球设备的更新换代产品，与相近产能的盘类等其 他成球设备比较，一次性投资低、自动化程度高、人工成本低、各项指标优良， 具有良好的推广应用价值，现已实现销售，规模化生产正在进行中，应用于氧化 t 铝球生产和环保陶瓷料的生产当中，收n t 很好的经济效益和社会效益。 关键词：成球、粉状物料、双向循环分级、多层筒体、回转式 a b s t r a c t t h ep o w d e r ym a t e r i a lm a k i n g - g r a i ne q u i p m e n ti sa ni m p o r t a n te q u i p m e n t ， w h i c hi su s e dt ob e c o m eb a l li nt h ei n d u s t r i e so fc h e m i c a li n d u s t r y ， b u i l d i n gm a t e r i a l s ，m e t a l l u r g y ，a n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h i s e q u i p m e n tn e e d st om e e tt h en e e do ft h ep r o d u c t si nt h ea s p e c t so fs p h e r i c i t y ， i n t e n s i t y ，s u p e r f i c i a le v e n n e s s ，p a r t i c l es i z eu n i f o r m i t y ，s i n g l eo u t p u t a n ds oo n t h em a k i n gg r a i ne q u i p m e n tt ob e c o m eb a l lb yc o n d e n s i n gi sm a i n l y t h eb e c o m i n g b a l lt r a ya n dt h eb e c o m i n g b a l lc a n i s t e r ，b u tt h e ya l s oh a v e s o m es h o r t c o m i n g sa n dt h ei n s u f f i c i e n c y ，t h a ti s ，t h e yh a r d l ym e e tt h en e e d o ft e c h n o l o g y ，q u a l i t y ，p r o d u c t i v i t yc a na n ds oo nt h ea s p e c tr e q u e s t s ， w h i c hi sa nu n i v e r s a lp r o b l e m s ot h ed e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c ht ot h e n e wb e c o m i n g h a l le q u i p m e n ti sa ni m p o r t a n ts u b j e c tt os o l v eu r g e n t l y t h i sa r t i c l ed e v e l o p st h et h e o r yo fb i d i r e c t i o n a lb e c o m i n gab a l l 。o n t h eb a s eo fw h i c hi ta l s om a k e sa na n a l y s i so ft h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n a l s t r u c t u r ea n di t i st h es u m m a r ya n dt h ee x p l o r a t i o no ft h et h e o r ya n dt h e e q u i p m e n to fb e c o m i n ga b a l lt h r o u g hal o to fe x p e r i e n c e s t h eb i d i r e c t i o n a l b e c o m i n g b a l lt h e o r yi s ：t h ep o w d e r ym a t e r i a lr o l l si nt h er e v o l v i n gg r a i n t u b eo fm u l t i l a y e ra n dt h e nr o l i st oab a l iu n d e rt h ef u n c t i o no ft h e r e v o l v i n gt u b eb o d ya f t e rt h em i x i n go ft h ea t o m i z e dc e m e n t i n ga g e n t ( e g w a t e r ) u n d e rt h ef u n c t i o n o f t h es p e c i a ls t r u c t u r e b i d i r e c t i o n a l c i r c u l a t i o n ，t h em a t e r i a lf u l f i l l st h eb i d i r e c t i o n a lc l o s e dc i r c u i ti nt h e n o d u l i z e r ，a n da f t e rt h es e p a r a t i o no fs i z e r s i sm a d ei n t od i f f e r e n t p a r t i c l es i z em a t e r i a lb a l l s t h eb i ga g g r e g a t eb a l l sp a s st h r o u g ht h e e n t i r eg r a i nt oo v e r f l o wa n db e c o m ep r o d u c t s ，t h es m a l lp a r t i c l es i z e m a t e r i a lb a l i sa n dt h ep o w d e r ym a t e r i a lr e t u r nt ot h eb e c o m i n g b a l l c a n i s t e rt oc o n t i n u et h eb a l l u n d e rt h ef u n c t i o no ft h er e v o l v i n gg r a i n t u b e ，t h em a t e r i a lb a l l sb e c o m es p h e r e s ，w h i c hi s s m o o t ha n dh a sh i g h i 山东人学t 稃可j 论文 s p h e r i c i t y a c c o r d i n gt ot h ea b o v et h e o r y ，t h eb i d i r e c t i o n a lc i r c u l a t i o n i n s t a l l m e n ta n dt h em u l t i l a y e r e dt u b em a k i n g g r a i ne q u i p m e n ta r ei n v e n t e d ， a n de n t i r ee q u i p m e n ti sd e s i g n e d b e s i d e sa b o v ec o r ei n s t a l i m e n t ，t h e o v e r a l ls y s t e ma l s oi n c l u d e s ：t h ea t o m i z a t i o nd e v i c e ，t h ec o n t r o ld e v i c e ， t h ec o t t o nm a t e r i a li n s t a l i m e n t ，t h et r a n s m i s s i o nd e v i c e ，r e c e i v e st h ed u s t i n s t a l i m e n ta n ds oo n a c c o r d i n g t ot h ea b o v e d e s i g n s t h eb i d i r e c t i o n a lc i r c u l a t i o n g r a d u a t i o nr o t a t i o nt y p en o d u l i z e rh a sn o to n l ym e tt h es p e c i f i cn e e do f o fb e c o m i n g b a l lo ft h em a t e r i a l 。b u ta l s or e a l i z e dt h ec o n t i n u o u s l y ， b a l a n c e d ，t h ec l o s e dc i r c u i tt y p ep r o d u c t i o n s i m u l t a n e o u s l y ，i te n h a n c e d t h ea u t o m a t i c i t y ，r e d u c e dt h el a b o ri n t e n s i t ya n dt h ea r t i f i c i a lc o s t ， i m p r o v e dt h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n t ，r e a l i z e dt h en e e do ft h em a k i n g g r a i n p r o d u c t ，h a v i n ga na d v a n t a g eo v e rt h eo t h e rb e c o m i n g b a l1e q u i p m e n t si n t h eb e c o m i n g b a l le f f i c i e n c y ，s i n g l ep l a n eo u t p u t ，p a r t i c l es i z el e v e lo f u n i f o r m i t y ，s u p e r f i c i a ls m o o t hd e g r e ea n dc o m p a c t n e s s t h es u c c e s s f u lr e s e a r c hh a sc r e a t e dt h eb a l lt h e o r ya n de n r i c h e dt h e t y p e so ft h eb a l le q u i p m e n t t h es a l ea n dt h ef o r m a l i z a t i o np r o d u c t i o nb e i n g c a r r i e do nh a sb e e na p p li e di nt h ea l u m i n u mo x i d eb a llp r o d u c t i o na n d c e r a m i c sm a t e r i a lp r o d u c t i o nf o rp r o t e c t i n gt h ee n v i r o n m e n t ，w h i c hh a s r e c e i v e dg o o de c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dt h es o c i a le f f i c i e n c y k e yw o r d s ：b e c o m i n g b a l l ，p o w d e r ym a t e r i a l ，b i d i r e c t i o n a lc i r c u l a t i o n g r a d u a t i o n ，m u l t i l a y e r e dt u b eb o d y ，r o t a t i o nt y p e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 一：番岛币日期：加j 。心 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授 权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名刍导师签名：；分蕞巧日期：弘一二c ，6 1 1 课题背景 第一章绪论 我国粉体装备研究始于2 0 世纪8 0 年代中期，原化工部化工机械研究院粉体 工程研究所最早进行专门系统研究，经过多年努力，目前我国粉体造粒技术己具 有定水平，设备类型和规模基本可满足粉粒体颗粒化要求，但与国际先进水平 相比较还有很大的差距。探索和研究先进的粉体设备工作任重而道远。 粉体技术及其装备作为- f l 专门的学科和独立技术出现，在国外可追溯到2 0 世纪4 0 年代，最先从事这一研究的是美国学者j m d a l l a v a l l e ，1 9 4 3 年他出版 了世界上第一部颗粒学专著m i c r o m e r i t i c s ，其后，德国学者i r m e l d a u 编写 了( h a n db u c hd e rs t a u b t e c h n i k ( 1 9 6 0 年) ，d a l l a v a l l e 的学生o r r 又出版了 p a r t i c u l a t et e c h n o l o g y 一书( 1 9 6 6 年) ，日本学者久保、水渡、中川、早川 合编了粉体一理论与应用( 1 9 7 9 年) ，三轮茂雄编著了粉体工学通论( 1 9 8 1 年) 等，无疑，这些论著对于粉体工程的发展起到了很大的推动作用“】。 粉体造粒技术作为粉粒体过程处理的一个最主要分支，随着环保需求和生产 过程自动化程度的提高，其重要性日益彰显，粉状产品粒状化已成为世界粉体后 处理技术的必然趋势。 粉体造粒设备是实现粉体造粒技术的物理装置，他的产生与发展对粉体造粒 技术有着重大影响，所有的造粒技术都是通过特定的造粒设备来实现的，造粒设 备的探索和研究直接推动着粉体工程的发展，丰富着粉体工程的内容，有关粉体 工程中许多课题的研究日益表明它已成为新兴产业和高新技术发展的关键“1 。 造粒技术己在医药、食品、建材、化工、冶金等行业得到了越来趣广泛的应 用，对粉状产品进行造粒的深度加工，其意义主要体现在3 个方面：一是降低粉 尘污染，改善劳动操作条件( 包括生产过程和使用过程) ；二是满足生产工艺需求， 如提高孔隙率和比表面积，改善热传递等；三是改变产品的物理性能( 如流动性、 透气性、堆积相对密度、一致性等) 和使用过程( 计量、配料等) 出现偏析气泡、 脉动、结块、架桥等不良影响，对提高生产和使用过程的自动化，密闭操作创造 了条件。1 。 在具体实践和工程中如果不进行造粒n i ，会有如下缺点： ( 1 ) 生产不连续，生产能力小； ( 2 ) 生产过程不密闭，产品外露，有害气体外露，环境污染严重； ( 3 ) 产品处理困难，劳动强度大； ( 4 ) 产品形状不规则，用户难以使用； ( 5 ) 产品易碎，粉尘大； 以上缺点严重影响工艺生产，需采用造粒机造粒，来改进生产彩后会带来如 下优点： ( 1 ) 生产操作连续，生产能力大； ( 2 ) 产品造粒可大可小( 颗粒直径范围1 3 0 m m ) 形状规则，易于混熔，方便 用户使用； ( 3 ) 产品无粉尘、无污染、不易碎； ( 4 ) 可采用自动化计量包装，易运输储存，减轻了工人的劳动强度； ( 5 ) 生产过程自动化控制； ( 6 ) 造粒后的产品，热处理时受热均匀，节省能源与工时； ( 7 ) 外形美观，畅销市场，利润更高； 由于以上优点的存在，极大地激发了造粒机的研究开发，现在已经有多种形 式的造粒机问世，如挤出成型式、压缩成型式、转动成型式、喷雾干燥成型式等。 双向循环分级回转式成球机是最新开发成功的一种转动成型式粉体造粒设备。 1 2 国内研究现状 1 2 1 粉体造粒方法与设备概况 按照实现小颗粒团聚的基本原理，可以把现有的粉体处理技术分为凝聚造粒 法、压力成型造粒法、喷雾和分散弥雾造粒法、热熔融造粒法等4 类“1 。 1 凝聚造粒法 凝聚造粒法是将某种液体或粘结剂渗入固态细粉末并适当地搅拌，使液体和 固态细粉末相互密切接触，产生粘结力而形成团粒“1 。最常用的是通过圆盘、锥形 或筒形转鼓回转时的翻动、滚动以及帘式垂落运动来完成的。根据成型方式又可 分为滚动团粒、混合团粒及粉末成团3 类。典型的设备有造粒鼓、斜盘造粒机、 锥鼓造粒机、盘式造粒机、滚筒造粒机、捏合机、鼓式混料机、粉末掺合机( 锤式、 立轴式、带式) 、落幕团粒机( 鼓式、振动给料器、连续流动喷射混合系统) 等。 其优点是成型设备结构简单、单机产量大、所形成的颗粒易快速溶解、湿透 性强，缺点是颗粒均匀性不好，所形成的颗粒强度较低。目前这类设备单机处理 能力最大可达5 0 0 t h ，颗粒直径最大可到6 0 0 咖，多用于选矿、化肥、精细化工、 食品等行业。y q 型圆球状搅齿造粒机工作原理图见图1 - 1 。 下榜辩 广 图卜1y q 型圆球状搅齿造粒机丁= 作原理图 2 压力成型造粒法 压力成型造粒法是将粉体物料限定在特定的空间中，通过施加外力而压紧为 密实状态。压力成型的成功与否，一方面取决于施加外力的有效利用和传递，另 一方面取决于颗粒物料的物理性质。根据所施加外力的物理系统不同，压力成型 法又可分为两大类，即模压法和挤压法。典型的模压法设备有重型压块机、台式 压榨机、混凝土块压制机、压砖机、重型制片机等。其优点是可制造较大的团块， 所制成的物料也有相当的机械强度，缺点是设备的适用范围较小，对有的物料不 易脱模。这类设备多用于建筑、制药等行业。 挤压法是目前我国粉体造粒的主要方法，挤压法造粒设备根掘工作原理和结 构可分为真空压杼造粒机、单( 双) 螺杆挤出造粒机、模型冲压机、柱塞挤出机、 山东人学。t 桂修i 论义 辊筒挤出机、对辊齿轮造粒机等。这类设备可广泛用于石油化工、有机化工、精 细化工、医药、食品、染料、农药、饲料、肥料等行业。具有适应能力强、产量 大、造粒品粒度均匀、颗粒强度好、成粒率高等优点“1 。以s e 系列螺杆造粒机为 例，该系列按机内螺杆数量可分为单螺杆和双螺杆两类：按出料形式可分为前挤出 和侧挤出。螺杆直径最大为2 4 0 r a m ，成品颗粒直径可在0 8 1 5m m 内选择，颗粒强 度最高可达1 6 0n ，单机处理能力最大可达2 t h 以上。s e 系列单螺杆挤出造粒机 示意图见图卜2 。 出 辫 口 蓬料a 图卜2 为s e 系列单螺杆挤出造粒机不意图 在s e 系列单螺杆造粒机的基础上，研制成功的d i j 系列解碎造粒机可以很好 地解决胶状体物料的破碎问题，广泛用于高分子量聚丙烯酞胺、聚丙烯酸钠等胶 状体物料的解碎造粒，拓宽了挤压法造粒的应用范围。 对于要求特殊形状颗粒( 如环状、三时草形、多孔状等) 的物料( 如催化剂载体) 造粒，一般采用柱塞挤出机来实现。这类设备多采用液压传动，根据活塞原理进 行挤条造粒。液压系统所产生的压力，推动活塞将布料筒中的物料从特殊设计的 模头强行挤出，即可制得强度更高，表面更光滑的料条。目前对柱塞挤出机的研 究已趋完善，柱塞直径在5 0 2 5 0 哪范围，颗粒直径在2 2 0 r a m 范围内可选，机头 压力超过lm n ，可实现的颗粒形状超过2 0 种。 3 喷雾和分散弥雾造粒法 喷雾和分散弥雾造粒法是在特定的设备中使处于高度分散状态的液相或半液 相物料直接成为固体颗粒”1 。这种造粒设备有喷雾干燥塔、喷雾干燥器、造粒塔、 山东) 、学t 样硕 论文 喷动床和流化床干燥器以及气流输送干燥器等。在喷雾时，液态进料( 液体、胶质 液、膏状物、乳化液、泥浆液或熔融物) 弥散在气体( 一般为空气) 中通过热量传递 或质量传递( 或者两个传递过程同时进行) 而生成固体颗粒。有关颗粒生成的机理 包括液态进料形成小滴而硬化成固体颗粒、液料沉敷在己有的粒核表面而形成固 体颗粒、许多小粒子在喷人的粘结剂作用下粘聚在一起而形成团粒等。 这种喷雾和分散弥雾造粒法的共同特性为： a 液态进料必须是可用泵输送的和可弥散的； b 造粒过程通常应为连续的、自动化的以及大规模的操作； c 造粒系统必须设计成能回收或循环使用料末，以解决物料的磨损消耗和粉 末夹带现象； d 产品粒度一般限制在5 m m 以下。 这类设备的优点在于物料的造粒过程和干燥过程同时进行，可广泛应用于各 种行业的物料造粒，如制药、食品、化工、矿业以及陶瓷工业等。其缺点是颗粒 强度较低，粒度较小。目前这类设备可制备的颗粒直径可小到5 0 5 0 0um ，甚至更 小。产量最大可超过3 0t h ( 如尿素造粒塔等) 。3 。 4 热熔融造粒法 热熔融造粒法是利用产品的低熔点特性( 一般低于3 0 0 c ) ，将熔融的物料通过 特殊的冷凝方式，使其冷凝结晶成所要求的片状、条状、块状及半球状等形状。 根据成型设备的工作原理，主要可分为转鼓结片机和回转冷带落模成型装置。 转鼓结片是一个冷却结晶过程，料盘中熔融料液与冷却的转鼓接触，在转鼓 表面形成料膜，通过料膜与鼓壁间的热交换，使料膜冷却、结晶，结晶的料膜被 刮刀刮下，成为片状产品。 转鼓结片机具有设备紧凑，转鼓精度高，冷却效果好，适用范围广，既可结 片又可干燥等优点。它广泛应用于石油树脂、聚乙烯低聚物等高分子类产品以及 苯醉，顺醉、高级脂肪醇等有机化工产品。转鼓结片机在我国粉体工业中的应用已 较普遍，技术也较成熟。以d z 型转鼓结片干燥机为例，转鼓最大规格为 2 3 0 0 r a m x 3 0 0 0m ，单机生产能力最大超过4 0 0 0k g h ，制片厚度在0 5 3m i l l 之 间。 回转冷带落模成型装置是利用产品的低熔点特性，将熔融的物料，根据其粘 l 辩 图卜3 是回转冷带落模成型装置示意图 度范围，通过特殊的布料装置，将熔融液均布在匀速移动的钢带上。根据物性和 使用要求，可选择连续滴落、连续出条和全宽度溢流等布料方式，以形成半球状、 条状和薄片状产品。在移动的钢带下设有喷淋冷却装置，使均布在钢带上面的物 料边移动边冷却、固化，从而定型。回转冷带落模成型装置示意图见图卜3 。 回转冷带落模成型装置的性能特点如下： a 采用薄钢带传热和雾化喷淋冷却，传热效果好，冷却效率高，物料固化成 形快； b 物料适用范围广，可实现的物料形状多，半球状、条状、块状及薄片状产 品等均可实现： c 采用布料器与钢带双调速驱动装置，可根据生产能力及物性参数调节，易 实现自动控制： d 整个生产过程无污染，产品纯度高，无杂质带人，易实现连续化作业： e 由于钢带在卸料端的换向弯曲，使固化料层与钢带的贴合面分离，因此卸 料时粉化少，卸料容易，颗粒形状易于保持。 我国对回转冷带落模成型装置的研究始于2 0 世纪8 0 年代中期，原化工部化 工机械研究院粉体工程研究所在吸收先进技术的基础上，开发了内旋布料系统， 实现了回转冷带落模成型装冒的国产化。设备已采用模块化积木式设计，形成了 钢带宽度从0 5 1 6 啪，设备长度从2 2 0 $ 5 个系列的产品。可处理的物料近 7 0 种，单机产量超过4t h ，可生产直径1 5 6 姗的颗粒产品和o 4 5 砌厚 度的片状及其他形状产品。这一技术已工业化推广应用1 0 0 余台( 套) ，取得了多 项发明专利，技术水平已接近国际先进水平。 1 2 2 粉体造粒设备的发展趋势 粉体造粒设备的发展趋势是向设备大型化、结构紧凑化、功能多样化、效率 高效化、控制系统自动化方向发展柳。 1 设备大型化 随着科学技术的进步和技术的发展，生产装置大型化的优点越来越明显，同 时，c a d c a m 技术和精确应力分析技术的应用促进了机械结构设计和加工制造技术 的发展，为粉体造粒设备的大型化提供了坚实的技术保障。目前，粉体造粒设备 向着大型化方向发展，超大型的螺杆挤出机单机处理能力可达2 5 3 0t h 。以s e 系列螺杆造粒机为例，现有的设备螺杆直径最大为2 4 0 帆，单机处理能力超过2 t h 。螺杆直径为3 8 0 舢，单机处理能力超过4t h 的超大型螺杆造粒机正在研制 中：又如回转冷带落模成型装置，冷凝钢带宽度超过1 5n l ，设各长度超过2 0 m ， 单机处理能力超过2t h 。 2 结构紧凑化 粉体造粒设备的另一个发展趋势是结构紧凑化。设备的结构设计更合理，更 紧凑，更符合人体工学原理，从而降低了制造成本，减少了占地面积，提高了劳 动效率。以s e 系列螺杆造粒机为例，采用电机直联取代了传统的皮带传动，使设 备更紧凑，传递扭矩更大：采用变螺距设计，将物料输送段、捏合和挤出段设计在 一根轴上，使输送、捏合、造粒一次完成。这些设计理念都代表着粉体造粒设备 的发展方向。 3 加工工艺高技术化 随着粉体造粒设备应用领域的拓展，传统的机械加工手段已不能满足粉体设 计技术的需要。未来粉体设备的加工工艺将向着高技术化方向发展，如采用计算 机辅助设计制造( c a d c a m ) 技术进行螺杆螺纹型线的设计、加工，采用专用深孔 加工设备加工冷带落模机布料器细长孔，采用五坐标数控床实现空间扭曲叶片型 线n t ，采用激光、电火花加工微小孔径模板，采用钠米技术( 钠米涂料) 处理挤 出螺杆、回转钢带以解决物料抱杆、产品脱模等“”。 4 功能多样化 粉体后处理工程是一个包括多学科、多门类的诸多单元操作的系统工程，要 求粉体造粒设备的选用最好能减少中间工序，以节约投资：同时，产品的市场化需 求也要求生产厂家能提供多种形式的产品。这就要求粉体造粒设备功能的多样化。 以q d l 系列催化剂专用挤条切粒机为例，该机在普通单螺杆造粒机的基础上，经 过特殊改进设计，有挤条、切粒两部分组成，可使挤条、切粒一机完成，同时通 过更换机头模板，可得到不同粒径、不同形状的颗粒产品：又如r f 型回转带式成 型装置，可通过更换布料器、溢流堰等部件，分别实现半球状、薄片状、块状及 条状等不同形状的产品生产，极大地方便了用户，真正实现了功能的多样化。 5 效率高效化 随着人们节能意识的提高，对粉体造粒设备的效率提出了更高的要求。要求 这类设备不但要满足功能需求，而且还要节能、耐用，使用、保养、维修费用低， 以降低产品成本。以d l j 2 4 0 解碎造粒机为例，若采用传统的电磁调速电机，用普 通调速器调速，电机功率需4 5k w ，而采用变频调速电机，用变频器调速，可节能 3 0 以上；再如n h 系列双轴差速式连续捏合机，由于采用特殊设计的高效捏合元 件，与普通螺杆捏合机相比，操作时间缩短一半，效率提高两倍以上。这些技术 的采用，都预示着高效率已成为粉体造粒设备设计追求的一个主要目标之一。 6 控制系统自动化 随着科学技术的进步和自控技术的发展，是否采用流水线作业和自动化控制 已成为衡量粉体后处理技术先进与否的重要指标。控制系统采用自动化控制，不 但可保证生产工序的流水作业，减轻操作人员劳动强度，更重要的是可保证生产 过程的精确化和实时反馈，提高产品质量，降低设备故障率。以r f 型回转带式成 型装置为例，若采用计算机d c s 集散控制系统，不但可实现加料、造粒、输送及 包装等流程的自动化操作，而且可通过各种温度、压力、流量、速度等传感器， 实时监控系统状态，当系统状态和工艺参数发生变化时，及时反馈变化情况，发 山东大学t 程硕卜论文 出报警信号，并根据预设状态调整参数，自动调整系统状态，保证设备的正常运 行。可以预见，控制系统的自动化必将极大地提高我国粉体造粒设备的技术水平， 成为粉体造粒设备发展的必然方向1 。 由于造粒的过程本身就是一个复杂的物理变化过程，涉及到多个专业的协作， 因此我国粉体造粒技术除上述6 个发展方向外，还应该注重将设备的发展和工艺 的研究结合起来，促使多个专业的交叉和融合。 此外，粉体造粒作为一个新兴的行业，正越来越受到人们的重视，其技术和 造粒设备的发展日新月异，应用范围也越来越广，其范围己超越了原来的粉体技 术的定义，应将其从粉体技术的范畴中分离，归人成型( 造粒) 技术的范畴。 1 3 本研究课题的来源及主要研究内容 1 3 1 课题的来源及可行性研究 在山东铝业公司的诸多产品当中，有几种产品如活性氧化铝球、陶瓷滤料等， 需要特定的成球设备，在以i i 的生产流程中，所使用的成球设备主要是成球盘和 单筒回转成球机，这些设备均存在着不同程度的缺陷。 如在山东铝业股份有限公司研究院的活性氧化铝球生产线中使用着多台成球 盘，在山东铝业公司水泥厂陶料中试线中也使用着多台成球盘，这些成球盘规格 也是各种各样，用的较多的为盘面直径2 0 米，配用功率为1 l k w 、台产为每小时 2 0 0 公斤。整个流程人工间断生产，劳动强度大、人工成本高，粉尘污染较大，不 利于操作者的身体健康，台时产能低，不能实现闭路生产，由于以上缺陷的存在， 使成球盘难以适应大规模的工业化生产。单筒回转式成球机与成球盘类似，主要 出现在化肥行业的生产当中与成球盘相比，单筒机产能方面虽有了明显的提高， 但产品在球形度、粒径均匀程度、致密性方面更差，适应不了生产高档球状产品 的需要。 经过了解以上问题，同样存在于其他行业如建材、冶金、环保等的生产过程 中，是一个带有普遍性的问题，如果这一问题解决不了，必将影响新的产品的开 发和发展，即使有产品也难以扩大市场份额，这引起了山东铝业公司特别是高层 山东，、学丁稃硕】论文 领导的重视，针对这一课题，组织专业人员攻关。 具体条件有： 前期科研开发的成果。 已确定为山东铝业公司2 0 0 5 和2 0 0 6 年的科研丌发项目，有组织保障和资 金支持。 工业生产中表现出的优良性能，市场前景看好。 1 3 2 主要研究内容 寻找理论依据，总结成功和不足之处，优化设计，实现从实践到理论的飞跃， 然后反过来指导生产实践，实现设备研发工作的周期性循环和螺旋式上升，最终 开发出满足不同生产工艺要求的系列化成球设备，是课题研究的重要内容。 i 、探索成球理论； 2 、研制开发新型内循环分级式成球机的核心部件并不断完善和优化，满足造 粒产品的球形度、强度、表面光滑度、粒径范围及单机产能等方面的技术要求； 3 、针对提高自动化程度，改善操作环境，实现颗粒状产品的连续、高效生产 等问题进行研究。 1 3 3 存在的问题和今后的设想 由于该设备是针对氧化铝粉成球和陶瓷滤料成球研制丌发的，它能否适合于 其它物料的成球，需要做进一步的试验探索，以便扩大设备使用范围，并相应的 在规格上进行优化和系列化研制开发新型成球设备，探讨新的成球理论，满足造粒 生产颗粒特性的要求。不同的颗粒产品，在强度、粒度、均匀程度、台时产能、 外观质量等方面有不同的要求。首先针对特定产品研制开发特定规格的设备，总 结造粒工艺对设备要求的普遍性和特殊性，其次根据不同产品的特殊要求，对成 球设备整套系统优化设计，进而把成球设备在类别和规格上系列化。 1 0 1 4 研究的目的和意义 1 4 1 研究的目的 研制开发新型成球设备，探讨新的成球理论，满足造粒生产颗粒特性的要求。 不同的颗粒产品，在强度、粒度、均匀程度、台时产能、外观质量等方面有不同 的要求。首先针对特定产品研制开发特定规格的设备，总结造粒工艺对设备要求 的普遍性和特殊性，其次根据不同产品的特殊要求，对成球设备整套系统优化设 计，进而把成球设备在类别和规格上系列化。 1 4 2 研究的意义 该设备的研发成功，满足了工业造粒的需求，使得颗粒状产品在台时产能、 内、外在质量、运行成本方面均有了明显的提高。因此，在当今的许多粉状物料 造粒产品中，这种形式的成球机必将取代盘类或单简类成球设备而成为成球设备 的主流。换言之，现有流程中的盘类和单筒类成球设备绝大多数可用该型设备代 替，尤其是在新建项目中因为省去改造费用而更具优势。该研制开发在成球理论 和设备方面丰富了当前成球理论内容和设备类型，对于颗粒状产品的发展具有明 显推动作用。该类新型成球机具有良好的市场的景和商业价值。 2 1 粉体特性 第二章粉体特性及基本造粒知识 本课题所研究的粉体主要有两种：氧化铝粉和陶瓷滤料。 2 1 1 氧化铝粉颗粒的粉体特性 活性氧化铝 x p 型活性氧化铝是具有很多毛细孔道的球形颗粒，对水等分子极性较强的 物质具有很强的亲和能力，是一种无毒、无腐蚀性的高效干燥剂，产品具有静态 容量高、磨耗低、不怕水、吸水能力强的特点，最低露点可达一7 0 ，再生温度 低( 1 5 0 c ) ，广泛应用于各种气液相物质的深度干燥和有害杂质的处理。 表2 - l 活性氧化铝技术指标 活性氧化铝技术指标 比表面 静态吸附容抗压破碎强 指标名称 堆积密度 磨耗率 积 孔容m l g 量 度 ( g m 1 )( ) s q m g ( r b = 6 0 )n p 3 5 m m 球0 7 02 6 0 3 0 00 3 8 0 4 21 6 1 89 0 0 4 0 4 6 m m 球o 6 82 6 0 3 0 00 3 8 0 4 21 6 1 81 2 00 4 0 使用前不要打开包装，以免吸潮，影响吸附效果。本产品适用于深度干燥， 使用条件以 5 k g c d 为宜。本产品使用一段时间以后，吸附性能逐渐下降，应再 生继续使用。 其它品种活性氧化铝： 山东大学- 程硕l 论文 y 型催化剂载体用氧化铝，极其稳定的催化剂载体，本身也可作催化剂使用。 x p 除氟剂：食物用水的脱氟处理，吸氟容量：2 1 m g g 。 x p y 双氧水专用型：用于双氧水工作液的净化。 x p 净油剂：用于变压器油的脱色净化“”。 2 1 ，2 陶瓷滤料的粉体特性 用山东铝业公司的固体废弃物赤泥、粉煤灰、煤矸石和劣质粘土可研制出高 强度、高气孔率的陶瓷滤料，其气孔率可达5 5 6 6 ，压碎强度达0 7 7 9 k n 。均大 大超过目前市场已有的陶瓷滤料。 x r d 表明，利用山铝固体废弃物研制的陶瓷滤料，其相组成为q 一石英、方石 英、f e 2 0 3 、c a z a lz s i o ，等。其最佳配方是，粉煤灰1 0 4 3 、赤泥3 8 2 7 、煤矸石 1 3 9 1 、劣质粘土6 9 6 、a 型成孔剂1 7 3 9 、可塑粘土8 6 9 、助熔剂b4 3 5 。 s e m 分析表明，所研制的滤料气孔多且孔分布均匀、大小一致，其孔结构是三维连 通的。 这种新型滤料的气孔率主要受原料制备、成孔剂、外加剂、成型方式、烧成 制度的影响。气孔率随成孔剂加入量的增加而增大，随成型压力增大而降低；在 表2 - 2 所用废料及其它原料化学组成( w t ) 成分 原料 s i0 2a l ：0 3f e 2 0 3c a o m g ok 2 0n a 2 0 s 0 3 i l 赤泥 1 5 87 8 99 0 23 1 1 6 0 6 2 0 5 8 3 2 62 6 2 6 煤矸石 5 4 4 51 8 7 75 6 93 1 9o 8 31 4 20 5 90 3 6 1 4 9 6 粉煤灰 4 7 1 l2 6 4 69 3 65 5 11 0 40 8 90 7 4o 68 1 6 劣质枯土3 4 9 23 3 8 91 4 12 3 2o 6 20 7 50 5 90 2 81 2 6 5 样品失重温度段充分保温，有利于气孔率的提高。若骨料为等径颗粒，则骨料颗 粒大小的变化对气孔率的影响甚微1 。 山东大学t 程颀十论文 表2 - 3 各种原料及废料性状 原料外观性状 可塑性指标( k g c m )颜色产地或来源 赤泥块状 1 7 黄色山东铝业公司废料 煤矸石 块状2 2 黑褐色山东铝业公司废料 粉煤灰细粉状 1 黑褐色山东铝业公司废料 劣质粘七 块状2 2 柠黄色山东铝业公司废料 助熔剂b细粉状灰白色湖南 可塑粘土 块状 浅灰色 山东 a 型成孔剂颗粒状黑色当地资源 山东铝业公司利用赤泥研制的微孔陶瓷滤球具有良好的吸附能力和截污能 力，且再生能力强，使用时间长，运行费用低。对饮用水过滤，使水厂的综合运 行成本节约4 1 ，对丝业废水的处理结果表明，陶瓷微孔滤球年节电、节水效果明 显，且大幅度延长了后续介质活性炭的使用寿命。 2 2 成型造粒技术的基本概念和理论 2 2 1 成型造粒技术 造粒技术是各类粉体、颗粒、溶液或熔融原料在一定外力作用下互相聚集， 制成具有一定形状、大小、或强度的固体颗粒的单元操作过程，其主要功能与作 用： ( 1 ) 满足生产工艺要求，如提高孔隙率和比表面积，改善热传递等。 ( 2 ) 改善产品的物理性能，如流动性、透气性、堆密度、一致性等，避免后续 操作( 干燥、筛分、计量、包装) 和使用过程( 计量、配料等) 出现偏析、气泡、 脉动、结块、架桥等不良影响) “”。 ( 3 ) 降低粉尘污染，改善劳动强度 1 4 山东大学t 程硕 论文 2 2 2 粒度 颗粒的粒度是粉体诸物性中最重要的特性值。粒度是颗粒在空问范围内所占 大小的线性尺度，粒度越小，颗粒的微细程度越大。表面光滑的球形颗粒只有一 个线性尺寸，即其直径，粒度就是直径，非球形颗粒或虽然在大体上呈球形，但 表面不光滑的颗粒则又按某种规定的线性尺度表示其粒度，其中有一些规定是以 某种意义的相当球或相当圆的直径作为粒度的，有些规定的粒度并不是相当球或 圆的直径也可以统称为颗粒的直径“”。 设一个颗粒的最大稳定度( 重心最低置于一个水平面上) 如果另一水平面与 此水平面恰好夹住，此颗粒则定义这两水平面之间的距离为颗粒的高度h ，对于片 状颗粒有时需测高度，按h e y w o o d 规定“”，颗粒的宽度b 定义为夹住颗粒水平投 影像的相距最近两平行线间的距离，与宽度垂直，能夹住此投影像的两平行线间 的距离定义为颗粒长度1 ，颗粒投影像的周长和面积分别用1 和a 表示，颗粒的表 面积和体积分别用s 和v 表示，可以根掘这些几何量b 、1 、h 、l 、a 、s 、v 来定 义颗粒的种种粒度或相当直径，如球当量径是指与颗粒同体积的球的直径 d 。= v 6 y 万。 作为粒度的表示，还有根据上述几何量规定以外的测定方法原理所相当的直 径，例如阻力直径d 。，它是与颗粒在同样介质中以相同速度运动时呈现相同阻力 的球的直径“。 2 2 3 颗粒群的平均粒径 颗粒群可以认为由许多个粒度l 日j 隔不大的粒级构成，设由d t 至d ，的粒级内的 颗粒个数为n ，取d 。至d ，的平均值d 代表该n 个颗粒的粒度，f n 为该粒级内粒度 为d 的颗粒个数占体系颗粒个数的分数，f - 为粒度d 的颗粒质量分数，就d 的测量 山东大学t 程硕卜论文 而言，它可以是d d ，或d - 等，当然，在按一定方向测量d ，或d 时，测量颗粒 的个数必须足够多。 2 2 4 粒度分布 颗粒群是指含有许多颗粒的粉体或分散体系中的分散相，若颗粒粒度都相等 或近似相等，称为单粒度或单分散的体系或颗粒群，实际颗粒所