（化学工程专业论文）喷流粉碎技术在氧化铁制备技术中的应用与发展.pdf

摘要 喷流粉碎技术随着流体力学和粉体技术的发展，自上世纪8 0 年代以来得到了迅速 的发展和提高，被广泛应用在医药、食品、化工等各个领域。采用喷流粉碎技术制备超 细颗粒，具有设备造价低，可以实现粉碎粒度分布窄，分级容易，提高生产效率，起到 环保降噪效果，与其它粉碎设备相比，它具有如下特点：成品粒度细、粒度分布窄、纯度 高；可以粉碎莫氏硬度为l 1 0 的材料；加工温度低( 小于喷流温度) ，材料粉碎时的应 变率高，可粉碎低熔点、热敏性和生物材料等材料等等。 但是，喷流粉碎设备与其它粉碎设备相比，存在能耗大的问题，对于很多低附加值 粉体( 如非金属矿粉等) ，就会因为生产成本高而不能被采用。传统球磨机系统由于体积 庞大，生产功率大，广泛用于各种无机非金属矿的深加工。氧化铁红等传统化工颜料的 研磨采用球磨机制备，虽然产量大，但存在着糊磨严重，分级困难，生产效率低下，噪 音大，环境污染严重等缺点。 本文的研究课题，就是探讨单行设备对原料粒度要求严格，可加工产品选料范围分 布窄，在目前还不能很好实现提高产能、降低能耗成本的现状下，探索在加工生产手段 上通过注重设备选型、增加辅助高压辊( 滚) 磨设备，实现联产，提高化工颜料氧化铁的 一次成品产成率，实现可持续性、可操作性生产的理论和现实可能性；与此同时，通过 对喷流粉碎设备核心部件一拉瓦尔喷嘴在氧化铁颜料喷流冲击粉碎的可使用性的设计 推算，论证喷流粉碎设备在重要化工颜料氧化铁制备技术中的适用性。 喷流粉碎生产线主要有：气源系统、进料系统、粉碎造粒系统、收集系统、引风和 鼓风系统。 喷嘴是喷流粉碎设备中的主要的部件，它决定着射流的速度，射流的形状、射流的 势心长度等参数，这些参数会影响和决定了喷流粉碎设备地粉碎效率。超音速射流喷嘴 ( 也称拉瓦尔喷嘴) ，是目前喷流粉碎设备中应用最广泛的喷嘴，它是采用缩扩形喷嘴产 生超音速射流的。目前，被广泛使用的超音速喷嘴都具有喷射速度高、射流势心长、粉 碎力强、粉碎效率高等特点。超音速喷嘴一般由四部分构成：稳定段、亚音速渐缩段、 喉部、和超音速扩散段。设计和选用合理的喷嘴是实现生产优质产品的关键。 喷流粉碎设备生产的合格粉体是由喷流粉碎设备的分级器完成的，成品粉的好坏主 要依赖于分级器。喷流粉碎设备发展到现在，制备的最细颗粒已不低于0 1 ，要发展 能分选纳米级颗粒的分级器。一是要提高叶轮分级器的转速，二是要有很好的流场结构； 随着医药、食品及冶金、矿选、化工等领域的技术研发水平的不断发展要求，喷流 粉碎设备朝着大型化、高速喷流纳米化、高纯化方向发展。喷流粉碎技术的在这些领域 的开拓性发展取得不断的成果，应用越发广泛。 关键词：粉碎氧化铁 喷嘴颗粒 a b s t r a c t a i rf l o wg r i n d i n gt e c h n o l o g ya l o n gw i t hh y d r o d y n a m i c sa n dn e wm a t e r i a l si n d u s t r i e s d e v e l o p e d ，t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ta b o u ta i rf l o wg r i n d i n gt e c h n o l o g ya c q u i r e dl o n g p r o g r e s s 。i nt h el a s t2 0y e a r sf o l l o w i n gt h ei ta n di n f o r m a t i o ni n d u s t r yd e v e l o p i n g ，a i rf l o w g r i n d i n gt e c h n o l o g yg o tt h ef a s t e s t g r o w i n g ，u s e di nt h ea r t i c l ef o c u s e so nm e d i c i n e 、f o o d s a n dc h e m i n e e r i n g 。a d o p t m gs m a s h i n ge q u i p m e n ta n da i rf l o wg r i n d i n gt e c h n o l o g y ，w ec a n m a d eu l t r a - f i n ep o w d e r 。i t p o s s e s se q u i p m e n t c o s ts m a l l ，a b l et oi m p l e m e n ta i rf l o wg r i n d i n g g r a n u l a r i t yd i s t r i b u t e dn a r r o w ，c l a s s i f i c i t ye a s y ，p r o d u c t i v i t ye f f e c t ，u pt od e s c e n dm i x t u r eo f v o i c e s ：c o m p a r e dt oo t h e ra i rf l o wg r i n d i n ge q u i p m e n t 。i tp o s s e s sa sf o l l o wf e a t u r e ：f i n i s h e d g o o d sg r a n u l a r i t yf i n e ，g r a n u l a r i t yd i s t r i b u t e dn a r r o w ，p u r i t yh i g h ，a b l i n gt ob r e a ku ph a r d n e s s u pt o1 1 0s t a i f ；w o r k i n gt e m p r e r a t u r el o w ：r e b e l l i o nh i g h ，t os u i tc r a s h i n gl o w e rm e l t i n g p o i n t ，h i g hk e e na n db i o l o g i c a lm a t e r i a la n ds o0 1 1 。 h o w e v e r ，a i rf l o wg r i n d i n ge q u i p m e n tc o m p a r e dt oo t h e rc r a s h i n ge q u i p m e n t ，e x i s t e n e r g yw a s t e dl a r g e 。f o rm a n yl o wv a l u ep o w d e r ，o w i i l gt oc o s to f p r o d u c t i o nh i g h ，i tc a n n o t b ea d o p t e d 。g o l b em i l ls y s t e mb e c a u s eo f b u l kh u g e ，p r o d u c tp o w e r l a r g e ，u s ei na l lk i n d so f a b i o - n o n m e t a lm i n e f u r t h e rp r o s e s s i n g 。t r a d i t i o n a lc h e m i c a lp a i n tw h e ta d o p tg l o b em i l l p r e a r a t i o n 。a l t h o u g ho u t p u tl a r g e ，e x i s tm u d d l e dg r i n ds e r i o u s ，c l a s s i f i c a t i o nd i f f i c u l t y ， p r o d u c t i v i t ye f f e c tl o w ，m i x t u r ev o i c e sb i g ，e n v i r o n m e n tp o l l u t i o ns e r i o u sw e a kp o i n t 。 t h ea r t i c l er e s e a r c hs u b j e c t ，i sp r o b es i n g l ef a c i l i t i e st or a wm a t e r i a lg r a n u l a r i t yr e q u i r e s t r i g e n t ，s e l e c tl a r g eb a r r o wc u r r e n ts i t u a t i o n ，q u e s ta tp t o d u c tm e t h o dt r o u g he q u i p m e n t l e c t o t y p e ，r e a l i z ea l l y - p r o d u c t i o na n dd u r a t u r ea u t u a lp r o b a b i l i t y 。m e a n w h i l e ，b ym e a n so f l a v a ln o z z l ed e s i g n e da n da m o u n t e d ，i tp r o o fa i rf l o wg r m d 地e q u i p m e n ta p p l i c a b i l i t yi nt h e m a j o rc h e m i c a lp o i n ta n do x i d i z e i r o nm a k i n g t e c h n o l o g yr a n g e 。 n o z z l ei sa i rf l o wg r i n d i n ge q u i p m e n tm a j o rp a r t s ，i tr e s o l v e sj e tc u r r e n tv e l o c i t y 、 s h a p e 、i n f l u e n c eh a r tl e n g t h ，t h e s ep a r a m e t e rc a ne f f e c ta n dd e t e r m i n ea i rf l o wg r m d 吨 e q u i p m e n te f f i c i l i t y 。s u p p e r s o n i cj e tf l o wn o z z l ei st h eu s e df u r - r a n g i n gn o z z l e ，i ta d o p t e d r e d u c e e n l a r g ef o r mn o z z l eg e n e r a t es u p e r s o n i cj c tf l o w 。i tp o s s e s sj e ts p e e dh i g h ，j e tf l o w l e n g t h 、j e tf l o wp o w e r f u l 、e f f i c i e n th i g he t c 。s u p p e r s o n i cn o z z l ec o m p o s e sf o u rp a r t s ：s t a b l e s e c t i o n ，v e l o c i t yo fs o u n ds e c t i o n 、i m b u er e d u c es e c t i o n ，t h r o a ts e c t i o n ，s u p p e r s o n i cs p r e a d s e c t i o n 。 b yt h ea i rf l o wg r i n d i n ge q u i p m e n tp r o d u c t i n gq u a l i f i e dp o w d e rf i n i s h e db y c l a s s i f i c a t ed e v i c e ，t h eq u l i c i t yo ff i n i s h e dg o o d sm a j o rd e p a n d so nc l a s s i f i c a t ed e v i c e f u n c t i o n 。a i rf l o wg r i n d i n ge q u i p m e n td e v e l o p e db yt h i st i m e ，t h et h i n n e s tk e r n e la l r e a d y r e a c h e dn ol o w e rt h a n0 1u m 。d e v e l o p i n ga b l et os e l e c t i n gn a n o m e t e rk e r n e lc l a s s i f i cd e v i c e ， t h ef i r s tw a yi sr a i s i n gi m p e l l e rr o t a t es p e e d ，t h es e c o n dw a yi ss e l e c t i n ga l l - r i g h tf l o w - y a r d s t r u c t u r e 。 a l o n gw i t hm e d i c i n e 、f o o d ，m e t a l l y 、m i n e - e l e c t e d ，c h e m i c a le n g i n e e r i n ge t cf i e l d s t e c h n o l o g yr e s e a r c h i n gl e v e la c h i e v e dt h eh i g h e rd e g r e e ，a i rf l o wg r i n d i n ge q u i p m e n ts h o u l d b ea d v a n c i n gf o rl a r g es c a l e 、h i g hs p e e dn a n o m e t e r 、p u r i f i c a t i n gd i r e c t i o ne x p a n d i n g ，a i rf l o w g r i n d i n gt e c h n o l o g yo b t a i nm o r ed e v e l o p i n ga n di n o r ee x t e r s i v e 。 k e y w o r d s ： g r i n d i n g o x i d i z e - i r o nn o z z l ek e r n e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储獬：蟛、辩隰1 月硼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 靴做储鹳：诣 签字日期： u p 庐，月三日 导师签名： 、l r 对 叶务! l 签字日期：及4 年，月，汐日 第一章前言 第一章前言 粉体技术被看作是支持高技术工业最重要的基础技术之，现代工程技术 的发展要求呈粉体状态的原料和制品具有细而均匀的粒度和尽可能低的污染程 度。颗粒粒度细化后，比表面积增大，可在各种场合，如填料、染料、颜料、 医药、催化剂、磁记忆元件、高级磨料、固体润滑剂、精细陶瓷、化妆品等方 面都表现出很好的性能。近年来在工业需求的刺激下，粉体的精细加工技术有 了较大的进步。研究和应用的现状进一步说明了粉体界元老r u m f 教授早在6 0 年代所说“f i n ep a r t i c l em u s tb ef i n e ”这句双关语的正确性。零维材料的 概念已逐渐被大家所接收，对重新认识物质的存在和变化提供了新的思维模式。 获得超细粉体的主要方法是从固体原料粉碎粉磨开始，辅以超细分级技术使 之达到对超细粉体的各种要求。这是一项高能耗的工业过程，随着各类超细粉 体的需求量增大，国内外相关部门都在研究各种超细粉碎设备、方法和理论， 以满足工业界的要求。就国内的现状来看，该技术应用的热点主要集中在材料 工业原料深加工、新种类食品和新型药物开发等方面，这一趋势符合工业发展 规律。随着我国经济从仅需满足量需求的计划经济，向满足质需求的市场经济 的转化，各工业部门都在力求原料和产品的精细化，并在保证质量的前提下尽 可能降低成本。设备成为国内外研究单位和开发公司的关注热点，国际上粉碎 设备的研究没有太大的进展，新材料的应用、提高设备的耐磨性能是一发展方 向。国内基本上从仿制阶段过渡到研制开发适合中国机械加工和用户水平的新 型设备的阶段，重复研究生产较多，设备设计与工艺研究脱节现象严重。超细 粉状产品和普通产品之问的可观差价成为中国粉体加工设备发展的原动力。 1 1 国内超细粉碎设备现状 早在1 9 世纪末至2 0 世纪初，就有戈斯林( g o e s s li n g ) 和威洛比( w ill o u g h b y ) 等人提出利用喷流粉碎物料，但当时还没有较好的分选方法。到2 0 世纪3 0 - - - 5 0 年代，安德鲁( a n d r e w ) 提出了扁平式喷流粉碎设备，基德韦尔( k i d w e l l ) 和斯蒂 法诺夫( s t e p h a n o f f ) 提出了循环管式喷流粉碎设备，特罗斯特( t r o s t ) 公司提出 了带扁平式分级的对喷式喷流粉碎设备，这三种型式的喷流粉碎设备特点是， 除了采用喷流粉碎外还利用喷流自身形成的旋转流场，对粉碎后的颗粒进行 第章前言 分级使粉体质量较以前有了显著的提高。从2 0 世纪6 0 - 8 0 年代是喷流粉碎 设备发展和应用最快的年代，又相继出现了带离心叶轮分级的单喷式喷流粉碎 设备、对喷式喷流粉碎设备和汇聚式喷流粉碎设备( 流化床式) 。从2 0 世纪8 0 年代到现在，喷流粉碎设备的主要发展方向是颗粒的分级( 即去除大颗粒或小颗 粒) 、颗粒的形状控制、提高粉碎效率和在粉碎时进行颗粒的表面处理等。 目前国内超细粉碎技术的总体水平是：能够生产出目前在工业上应用的 各类超细粉设备。2 0 世纪8 0 年代中期以来，通过引进和消化吸收国外超细粉体 加工设备，经过近2 0 年的发展，我国已经能够自主生产各类超细粉碎和精细分 级设备，在近5 年新建的超细粉体加工厂中国产设备或中外合资厂生产的设备 占主导地位；我国已能够工业化大批量生产平均粒径1l lm 左右的超细粉体， 如超细重质碳酸钙、超细高岭土( 包括煅烧高岭土) 、超细滑石、超细石墨、超 细云母、超细碳化硅、超细二氧化硅以及氧化铝和氢氧化铝、氧化镁和氢氧化 镁等；由于新材料技术的发展，设备的磨耗有了显著降低，如我国自主开发 的旋风自磨机，5 年前冲击盘的寿命约2 0 0 h ，通过采用新材料现已延长到3 0 0 0 h 以上；已有部分超细粉碎设备和技术出口到东南亚、中东、非洲等发展中国 家。 我国喷流粉碎设备的发展，最初是从测绘仿制开始的。从2 0 世纪6 0 年代 开始研制扁平式喷流粉碎设备，到8 0 年代开始研制对喷式和汇聚式喷流粉碎设 备，到目前形成规模生产喷流粉碎设备的单位已有很多家。我国的喷流粉碎设 备经过3 0 年的发展和应用，目前可以肯定地讲，我国生产的喷流粉碎设备已经 赶上了西方发达国家，某些单位生产的喷流粉碎设备甚至超过了西方发达国家。 目前，超细粉碎设备的主要类型有喷流磨、高速机械冲击磨、搅拌球磨机、研 磨剥片机、砂磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、塔式磨、旋风或气旋流自 磨机、高压辊( 滚) 磨机、高压水射流磨机、胶体磨等。其中喷流磨、高速机械 冲击磨、旋风或气旋流自磨机、高压辊( 滚) 磨机等为干式超细粉碎设备，研磨 剥片机、砂磨机、高压水射流磨机、胶体磨等为湿式粉碎设备，搅拌球磨机、 振动球磨机、旋转筒式球磨机、塔式磨等既可以用于干式超细粉碎也可以用于 湿式超细粉碎。 喷流磨是主要的超细粉碎设备之一，特别是粉碎产品粒度细、纯度要求高 和附加值较大的物料时，依靠内分级功能和借助外置分级装置，工业规模的喷 流磨机最细可加工d = 3 , - - 5 um 的粉体产品，产量从每小时几十公斤到几吨。喷 流粉碎设备是通过喷流粉碎物料的干法制备超细粉的设备，所用的气体可以是 空气、过热蒸汽或惰性气体。通过喷流粉碎方法制备的颗粒，目前最细约为 0 1 u m 。喷流粉碎设备是通过喷流粉碎的方法能够制备亚微米到几十微米范围内 2 第一章前言 的颗粒超细颗粒材料，它是目前被广泛应用的干法制各超细粉的设备类型。与 其它粉碎设备相比，它具有如下特点： 粒度细，最细可以达到0 2 u m ，般为0 5 - - 一2 0 p m ，并可以调节； 粒度分布窄，可以满足窄粒度分布产品粉的要求，如磨料、激光打印粉、 复印粉、钕铁硼磁粉和锂电池粉等： 纯度高； 可以粉碎莫氏硬度为1 1 0 的材料； 加工温度低( 小于喷流温度) ，材料粉碎时的应变率高，可粉碎低熔点、 热敏性和生物材料等材料； 能耗较大，生产成本较高。 喷流粉碎设备可以高纯度地制备三类物料的超细粉：一类是西药、中草药、 保健品( 如西洋参、天麻、三七、珍珠粉、花粉、灵芝孢子粉等) 、农副产品( 如 南瓜粉、荷叶粉、茶叶粉、枸杞叶粉、绞股蓝、平菇、硬果粉等) 、海产品( 如 海马、龟壳等) 、a c 发泡剂、灭火粉、非金属矿粉( 如碳酸钙、滑石、硅灰石、 高岭土、云母、重晶石等) 、刚玉、金刚石、碳化硼、电气石、玻璃、荧光粉、 树脂、石墨、稀土材料、助剂、颜料、化妆品等，这类物料只对细度有要求， 越细越好；第二类是磨料、复印粉、激光打印粉、钻酸锂粉、锰酸锂粉等，这 类材料对粒度分布有较高的要求，要求粒度分布窄，相关行业对颗粒分布都有 标准或严格的要求，喷流粉碎设备在这些行业中能发挥很好的作用，其优越性 是其它粉碎设备所不能替代的；第三类是钕铁硼磁粉、金属微粉等，这类微粉 一般采用喷流粉碎方法制备，其所用的气体都是惰性气体，否则会有燃烧爆炸 的危险。 粉碎设备厂商中，喷流磨机的生产厂家最多。目前喷流磨机主要有扁平( 圆 盘) 式、循环管式、靶式、对喷式、流化床逆向喷射式、旋流式等几种机型，数 十种规格。这些喷流磨广泛用于滑石、石墨、硅灰石、锆英石、高岭土、重晶 石等非金属矿物以及磨料( 碳化硅、氮化硼、石榴子石、刚玉等) 、化工原料、 颜料、医药及保健品、金属及稀土金属等的超细粉碎加工。国产喷流磨在仿制 和消化吸收国外设备的基础上也有所创新，尤其是在旋流式喷流磨、靶式喷流 磨、流化床式喷流磨以及提高扁平式喷流磨的耐磨性等方面有一些发明专利和 实用新型专利。国产喷流磨的不足之处是缺少小时产量达数吨以上的大型设备， 因此，用于粉碎大宗的单位产品附加值较低的非金属矿粉体产品时，单位产品 能耗( 比能耗) 较高。 另外，旋风自磨机或气旋流粉碎设备是我国自主研制开发的一种新型干式 细粉碎和超细粉碎设备。它利用特殊设计的高速回转装置产生高频脉动旋转喷 第一章前言 流场，使加入粉碎设备内的颗粒物料互相冲击、摩擦、剪切或切削实现粉碎。 这种粉碎设备适用于石灰石、方解石、大理岩、滑石、硅灰石、高岭石、重晶 石、石英、长石等物料的粉碎，给料粒度3 0 r a m ，产品细度可在d = 4 01 0u m ( 4 0 0 1 2 5 0 目) 之间进行调节。对硬质高岭土进行超细粉碎的生产结果表明， 这种粉碎设备在粉碎产品细度d = 2 0 - - 1 5pm ( 6 0 0 - - - 8 0 0 目) 时，单机产量可达 1 3 0 0 一- 1 5 0 0 k g h ，单位产品能耗较低( 约l o o k w h t ) ，外置精细分级机后可生 产d = 5 1 0pm 左右的超细粉体产品。这种粉碎设备也用于生产硅灰石针状粉， 产品颗粒的长径比平均达1 2 以上，平均粒径l o w l 5um ，产量8 0 01 2 0 0 k g h ， 单位产品能耗约1 2 0 k w h t 。 高压射流式粉碎设备或超细剥片均化机是另一种利用高压( 2 0 6 0 m p a ) 射 流的强大冲击力和压力突然降低的穴蚀效应使物料因冲击和爆裂作用而被粉碎 的一类湿法粉碎设备。这种设备已在云母和高岭土的细粉碎和超细粉碎以及二 氧化钛颜料的分散解聚中得到应用，依给料粒度的不同，一次粉碎的产品细度 最细可达到d 9 7 = 1 0 4 5um 。 传统球磨机系统广泛用于各种无机非金属矿的深加工。它用于氧化铁的超 细粉磨，存在电机功率大，电耗高，对超细粉磨产品质量还难以达到要求等缺 点。提高管磨机效率、降低电耗，是管磨机研究的最重要的课题。 现在通用的普通球磨机粉磨氧化铁也存在台时产量低、电耗高等问题。在 平均粒径为4 5pm 时，平均电耗高达1 3 4 k w h 吨。主要的原因是：现在用于粉 磨氧化铁的开流管磨机技术都是套用粉磨水泥的开流管磨机，其衬板、隔仓板 型式没有大的改变，更不用说考虑各技术参数与氧化铁的粉磨特性相适应的问 题。其仓位长度分布、研磨体级配、隔仓板流通率等重要技术存在不合理的因 素，因而导致了粉磨效率低，电耗高等问题。 根据我们对粉磨氧化铁的管磨机所作的调查和分析，发现它存在以下几个 问题：( 1 ) 球、段仓间隔仓板篦孔尺寸较大( 1 2 n m n 以上) ，物料从球仓到段仓的流 动几乎是畅通无阻，大量的粗物料( 5 m m 以上) 进入段仓，糊磨现象严重；( 2 ) 磨 内物料流速太快，从而导致料球比过低。如1 5 5 7 m 磨机正常停磨时，球 仓内几乎没有存料。这样，生产时球砸球，不但效率低，而且磨音特别大，球 耗及衬板消耗高：( 3 ) 磨内物料温度高达2 0 0 - - - 2 4 0 。c ，粉磨工况恶化，存在较严 重的粉磨工况紊乱和效率低的问题。“氧化铁超细粉磨技术”只有解决这些问 题，才能大幅提高磨机产量，达到增产降耗的目的。 4 第一章前言 1 2 超细粉碎设备的发展趋势 目前国内超细粉碎设备与国外先进国家的主要差距是： ( 1 ) 大型设备少近两年，由于市场对超细粉体产品需求量的增大，特别 是单个用户用量的增大及对产品质量稳定性要求的提高，国内大型超细粉碎设 备已有一些进展，特别是在搅拌磨领域，湖南超牌化工有限公司、长沙万华粉 体设备公司、北京矿冶研究总院等企业已开发出3 0 0 0 l 以上的大型搅拌磨，其 中湖南超牌化工有限公司的大型搅拌磨( c y m - 3 0 0 0 ) 已有2 0 余台在造纸颜料级超 细重质碳酸钙和超细煅烧高岭土中得到应用。但是，大型干式超细粉碎设备还 没有实质性的突破。 ( 2 ) 设备的自动调控水平落后这是目前我国超细粉碎设备普遍存在的问 题。原因主要源于两个方面，一是市场对设备价格的期望值偏低，在国内设备 价格平均不到同类国外设备价格4 0 的情况下，企业没有提高设备自动调控水平 的利益驱动力；二是大多数国内超细粉碎设备制造厂商尚不具备自主开发智能 控制的能力。 ( 3 ) 技术集成度较低，设备配套性能较差超细粉碎设备是一种技术集成度 较高的设备，特别是粉碎一分级一体化设备或内闭路( 具有内分级功能) 超细粉 碎设备需要较高的技术集成度。另外，工艺配套性也是影响设备运行的主要因 素之一。目前国内超细粉碎设备在技术集成度和配套性能方面还有待改进。 ( 4 ) 单位产品能耗和磨耗较高单位产品的能耗和磨耗除了与设备单机生 产能力、自动调控水平以及技术集成度和配套性有关外，还与设备零部件( 特别 是粉碎器件、磨机衬板等) 材质的选用、加工水平( 如热处理等) 以及研磨介质等 有关。 现代高技术新材料的迅速发展，要求超细粉体加工技术也要与时俱进，不 断发展。目前，超细粉体加工技术面临的主要挑战是： 小于1um 的超微粉体的需求量迅速增大； 超细粉体的大规模生产要求设备大型化和智能化以降低单位产品能耗和 稳定产品质量； 大规模配套生产超细粉体和严格的产品粒径分布要求处理能力大、分级 效率高和能耗低的精细分级设备； 高硬超细粉体材料的加工和对产品纯度要求的不断提高，要求超细粉碎 和精细分级设备的磨耗显著降低； 特殊粒形( 针状和片状) 和韧性超细粉体的生产。 为适应这些挑战，未来超细粉碎设备的主要发展趋势是： 第一章前言 ( 1 ) 提高产品细度、降低设备粉碎极限目前市场li lm 以下超微粉体( 包括 纳米粉体) 加工技术( 包括制粉技术和表面处理技术) 和设备的需求呈增长态势。 超微粉体( 包括纳米粉体) 是未来超细粉体的主要发展趋势之一。这是因为现代 许多高技术和新材料的发展需要超微粉体，如航空航天隐身材料、( 具有韧性的) 高级陶瓷、吸波材料、功能纤维、环境保护材料、生物医学材料等。因此，要 求发展产品粒度小于1um ，粉碎极限低的工业化超细粉碎设备和分级极限粒度 小的工业化精细分级设备以及配套的生产技术。 ( 2 ) 提高单机产量、降低单位产品能耗由于市场对超细粉体产品需求量 的增大，特别是用户用量的增大( 如大型造纸厂年造纸颜料需求量达1 0 多万t ) 及对产品质量稳定性要求的提高，大型设备的市场需求量呈增长趋势。大型设 备适应了超细粉体加工厂向大规模化发展的趋势，而且具有单位产品能耗低、 产品质量稳定性好以及管理方便等优点：国外发达国家早已发展大型的全过程 自动调控的超细粉碎与精细分级设备，如年产5 1 0 万t 超细重质碳酸钙的超 细粉碎和分级设备，5 0 0 0 l 以上的大型立式搅拌磨，总体积l o m 3 、处理量1 5 0 m 3 h 的大型卧式搅拌球磨机( 这种磨机加工d 8 0 = 9 7um 浆料产品的能耗约为 6 5 k w h t ) 。设备大型化是提高单机产量、降低单位产品能耗的主要途径之一。 此外，应用现代科技研发新型的超细粉碎设备也是提高粉碎效率、产量和降低 单位产品能耗的主要方向之一。 ( 3 ) 降低磨耗超细粉碎和精细分级设备一般是高速运转设备，高速运转器 件在与被磨或被粉碎物料的作用过程中难免磨损( 耗) 。磨耗不仅污染被粉碎物 料( 这种污染往往用物理方法很难去除) ，而且影响设备与物料接触部件的使用 寿命，增加了生产成本。因此，降低磨耗是超细粉碎设备发展永恒的课题。 ( 4 ) 高稳定性和可靠性超细粉碎和精细分级设备的稳定性和可靠性是超 细粉碎生产线所必须的要求，也是高性能设备的必然要求，它对生产成本、效 率、生产安全以及产品质量等有重要影响。 1 3 本文研究课题 氧化铁红作为主要的化工颜料之一，现行传统的研磨制备方法是采用滚筒 式球磨机制备，技术上存在着糊磨严重，分级困难，生产质量和效率低下，噪 音大，环境污染严重等问题，特别是在制备高档纳米级颜料成品方面，问题尤 为突出。采用喷流粉碎技术制备，存在设备造价低，粉碎粒度分布窄，分级容 易，生产效率高，环保降噪等优点。但是相对滚筒式球磨机，存在着喷流粉碎 设备对初级原料的力度使用粒度分布要求较窄、适用原料少的重大缺陷。本文 6 第一章前言 从超微粉碎技术及粉体设备的技术发展历程，着重分析和探讨喷流粉碎设备及 喷流粉体技术的发展与应用特点，分别从喷流粉碎设备的结构种类、各自工作 原理及其特点；核心部件喷流喷嘴的原理和结构设计方法，物料颗粒在射 流中的加速及颗粒粉碎速度分析；喷流粉碎设备系统的各个部件组成；喷流粉 碎设备的应用和发展方向等各个要素阐述喷流粉碎技术及设备的工作特点和使 用有点。在查证文献资料和数据详细介绍喷流粉碎设备及原理的同时，根据物 料使用要求设计选用类型设备这一原则，探讨在当下盛行采用喷流粉碎设备制 备氧化铁红工艺基础上，外加辅助高压辊( 研) 磨机初级研磨，与喷流粉碎设 备联产运行设计运用喷流粉碎技术，及设备选型制备实现的可行性。随着各行 业技术的发展对颗粒粒度、粒度分布和颗粒形状等提出的更高要求，高压辊( 研) 磨设备与喷流粉碎设备联产的特点，将很好的解决这一问题。 7 第二章喷流粉碎设备的类型、工作原理及特点 第二章喷流粉碎设备的类型、工作原理及特点 喷流粉碎设备的不断创新和改良过程，也是喷流粉碎技术的不断完善和向前发展过 程。研究喷流粉碎技术的基本思路要从回顾喷流粉碎设备不断发展中的工作机理出发。 2 1 喷流粉碎设备生产线的基本构成 喷流粉碎设备的种类很多根据结构形式的不同，主要可以划分五类：扁平式( 也 称圆盘式) 喷流粉碎设备、循环管式喷流粉碎设备、单喷式( 也称靶式) 喷流粉碎设备、对 喷式喷流粉碎设备和汇聚式喷流粉碎设备。单喷式、对喷式和汇聚式喷流粉碎设备也称 流化床式喷流粉碎设备。 尽管喷流粉碎设备的种类很多，但喷流粉碎设备生产线的基本构成是类似的。喷流 粉碎设备生产线的基本构成可以如图2 1 所示，它包括：气体压缩机、气罐、气体干燥器、 喷流粉碎设备、旋风分离器、布袋除尘器和引风机等。 图2 - 1 喷流粉碎设各生产线打的基本构成示意图 卜压缩机2 一气罐3 一干燥器4 一喷流粉碎设备5 一旋风分离器6 一布袋除尘器7 一引风机 喷流粉碎设备对工质气体的基本要求是：无油、干燥( 常压干燥露点1 0 以下) 、压 强为0 6 1 2 m p a ，介质气体可以是空气、惰性气体、过热蒸汽等。因此，图2 - 1 中的气 体压缩机可以是空气压缩机，也可以是氮气压缩机，也可以是锅炉产生的过热蒸汽。压 缩机分为有油润滑和无油润滑两种，有油润滑压缩机有活塞武和螺杆式二种，无油润滑 压缩机有活塞式和滑片式等。采用有油润滑压缩机，需要在气源线中增加液汽分离器和 多级油过滤器。气体干燥器有冷冻式干燥器( 常压露点- 1 9 。c ) 和吸附式干燥器( 包括无热 再生式干燥器和微加热再生式干燥器，常压露点- 4 0 * ( 2 ) 等。有关气源系统和收集系统的 详述见5 1 、5 2 。 第二章喷流粉碎设各的类型、工作原理及特点 为了同时获得多个不同粒度以及窄分布的粉体产品，可以在成品粉收集部分再增加 几个单喷流分级器，如图2 2 中的部件6 、7 。这是喷流粉碎设备生产窄粒度分布粉体( 如 磨料、复印糟、激光打印粉和钴酸锂粉等) 所具有的独特优点，因为从喷流粉碎设备生 产出来的粉是直接迸人单喷流分级器的，粉体具有很好的分散性。 图22 带有多个单喷流分级器的喷流粉碎设备生产线示意图 1 压绵机2 一气罐3 一干燥器4 一喷流粉碎设备5 - 二改风6 ，7 单聩流分级器8 一旋风分离器 9 布袋除坐器1 0 一引风机 图2 1 和图2 - 2 中的喷流粉碎设备有多种类型，下面就并各类唼流粉碎设备的结构 工作原理及其特点进行详述。 22 扁平式( 圆盘武) 喷流粉碎设备 22 圆盘 ( 誉j 结构示意如图2 4 所示。它主要由扁平 气室和工作室内衬所组成。 ：苴些 臼二二二 二二二 梦 圈23 扁平式喷流粉碎设备外形图 图24 扁平式喷流粉碎设备结掏图 卜喷嘴2 一扁平圆盘空舵工作室3 一工作室内衬4 一成品粉出口5 - 进料器6 一气室 第二章喷流粉碎设备的类型、工作原理及特点 喷嘴一般都安装在工作室侧壁的中间位置，喷嘴 轴线与相应的半径有一夹角口( 如图2 5 所示) ，它 是影响粉碎效率和分级精度的主要参数。口过大，会 对工作室侧壁磨损增大，甚至会出现两股射流不相交 的情况，影响粉碎效率；口过小，会对分级出料区产 生影响，影响分级精度。因此，对于口有个合适的 值，一般有两种方法估算。如图2 - 5 所示，阿库诺夫 认为口角的极限值为： a 一瑚。一罢一譬 口血= 一妥+ 譬 式中，n 为喷嘴数目；1 3 为射流的膨胀角，一般为1 0 。1 4 。，性能较差的为1 8 。2 5 。；r i 为成品粉出口半径；r 为工作室半径。 另外一种口角取值原则是，根据a 角限定的分级圆半径r 0 ，一般r 0 不能小于 0 5 r 。也不能大于0 8 5 r 。图2 - 5q 角极限值的计算示意图 所以当r 0 = 0 5 r 时a 曲= 3 0 。，当r o = 8 5 r 时，“一一= 5 8 。 扁平式喷流粉碎设备的喷嘴出口速度，有亚音速、音速和超音速三种。亚音速喷嘴 是直管形的，音速喷嘴是渐缩形的，超音速喷嘴是缩扩形的( 拉瓦尔喷嘴) ，这三种喷嘴 的设计方法详见第3 节。对于扁平式喷流粉碎设备，渐缩形喷嘴用得最多，直管形的现 在很少用，缩扩形喷嘴的应用率在提高。 扁平式喷流粉碎设备喷嘴的数目n ，主要根据工质耗气量、工作室直径d 和喷嘴的形 式确定。在工作室空间允许的条件下，一般喷嘴数目多比较好，它有利于分级和对壁面 的磨损小。对于渐缩形喷嘴，喷嘴数目与工作室直径的经验值见表2 - 1 所示； 表2 - 1 喷嘴数目与工作室商径的绎验值 上作足直径d m m 渐缩彤喷嘴数目n 个缩扩形喷嘴数目“个 2 m 之0 04 一击4 2 5 0 5 0 0 6 1 2 6 8 5 0 0 一1 0 0 0 1 0 1 88 1 2 对于缩扩形超音速喷嘴，在同样工作室直径的情况下喷嘴数目要小于渐缩形的。 因为扁平式喷流粉碎设备工作室内衬受物料和射流磨损严重，一般在工作室内壁耍 贴耐磨内衬材料，主要为耐磨合金钢、刚玉和碳化硅等低磨耗材料。 l o 第二章喷流粉碎设备的类型、工作原理及特点 2 2 2 扁平式喷流粉碎设备的工作原理 扁平式喷流粉碎设备的工作原理是，压缩气体由气室均匀地进入各喷嘴，喷嘴喷出 来的高速射流，由于射流区压力低，工作室中的粉料就被卷人或吸入射流，颗粒随射流 被加速，带料射流使颗粒相互碰撞、摩擦，也与内衬相互碰撞和摩擦，致使颗粒粉碎。 由于射流是带a 角度喷人工作室的，它会自动形成一个高速旋转的流场，使工作室中所 有的颗粒都处在一个离心力场中，细颗粒能够克服离心力从中间成品粉出口出去，作为 成品粉被收集。成品粉颗粒的大小与射流速度、进人角a 、工作室直径d 、出口直径等 都有关系。 2 2 3 扁平式喷流粉碎设备的特点 与其它喷流粉碎设备相比，扁平式喷流粉碎设备的主要特点有： 结构简单，没有动部件； 适用粉碎硬度低的物料； 成品粉的粒度分布较宽，易受衬壁磨损材料的污染； 产量较大。 2 2 4 扁平式喷流粉碎设备的主要型号规格 扁平式喷流粉碎设备是喷流粉碎设备中使用最早、应用广泛的一类粉碎设备，尤其 是在农药方面获得了广泛的应用。原来主要由美国、前苏联、德国、日本、英国和意大 利等生产，我国在2 0 世纪七八十年代也开展了该设备的生产，目前，仍有很多厂家生 产制造。 2 3 循环管式喷流粉碎设备 循环管式喷流粉碎设备的外形如图2 - 6 所示，结构示意图如图2 - 7 所示。它主要由 喷嘴、工作室、上循环管、上弯段分级区、百叶窗、下回管、进料器和成品粉出口等组 成。循环管道是变截面的，其曲率半径也是变径的，在上弯段分级区截面较小，曲率半 径较小，借以获得较高的速度和较大的离心力场。喷嘴的数目一般为3 - - 1 2 个，喷嘴形 状一般为渐缩形( 亚音速) 和缩扩形( 超音速) 两种。 第二章喷流粉碎设备的类型、工作原理及特点 图26 循环管式喷流耪碎设备外形冈罔2 7 循环管式喷流粉碎设备结构示意罔 i 喷嘴2 工作室3 上升管4 成品粉出口5 上弯段分级匡6 一百叶窗7 一下回管 8 一进料器9 一压缩气体 其工作原理是：在工作室，射流带动物料加速运动，使物料与物料、物料与内壁相 互碰撞摩擦，致使颗粒粉碎，并随喷流进人上升管再进人上弯段分级区，由于惯性 粗颗粒沿外壁运动细颗粒靠内壁运动，经过百叶窗时，由于吸力细颗粒进入百叶窗由 成品粉出口被收集，粗颗粒则由下回管到粉碎室继续粉碎。 循环管式喷流粉碎设备与扁平式喷流粉碎设备相比，除了具有扁平式喷流粉碎设备 的特点外循环管式生产的成品粉细度和粒度分布都比扁平式的好，产量也比扁平式的 大。 24 单赜式( 靶式) 喷流粉碎设备 单喷式喷流粉碎设备，又称靶式喷流粉碎设备，也是一种流化床式的喷流粉碎设备。 它粉碎物料的基本方式是带科射流撞击靶板，致使物料粉碎。单喷式喷流粉碎设备粉碎 物料的方式有两种，如图2 8 ( a ) ，( b ) 所示。图2 - 8 ( a ) 是物料随喷流经过喷嘴，这种结 构能量利用率高，粉碎效率高，但是喷嘴易磨损，物料被污染严重，由于喷嘴磨损严重， 维修成本也较高，这种粉碎方式目前较少采用。图2 8 ( b ) 是物料不经过喷嘴，从喷 嘴出米的射流，由于射流区的低压吸入周围的粉料，使物料加速，并撞击靶板，致使其 粉碎。 第二章喷流粉碎设备的类型、工作原理及特点 一i f 6乏p l 6厂1 物料经i 止_ 聊膏 f b j 钧料干：绳i 士喷啪 图2 - 8 单喷式喷流粉碎设备的两种粉碎方式示意图 卜原料2 一压缩气体3 一喷嘴4 一带料射流5 一靶板6 一粉碎后的料7 一进料喷嘴 单喷式喷流粉碎设备成品粉的分选方式也有二种，如图2 - 9 ( a ) 、( b ) 所示。一种是 类于旋风分离器的螺旋分选结构，如图2 q ( a ) 所示，经粉碎后的粉料随喷流一起进入 螺旋分离器，粗颗粒由螺旋分离器下部出来，进人粉碎室继续粉碎，细颗粒则由螺旋分 离器上端中间出口出去，并被作为成品粉收集。成品粉的另种分选结构形式是，采用 离心叶轮分级器，如图2 q ( b ) 所示，经粉碎后的粉料随喷流一起进人离心叶轮分级器， 粗颗粒被甩出，由回管进入粉碎室继续粉碎，细粉则克服离心力，由离心叶轮分级器的 中部出去，并作为成品粉被收集。关于离心叶轮分级