（材料加工工程专业论文）控制性粉碎的关键技术及应用研究.pdf

独创性声明 ilulllllllriiifllrlllllllllllijiiflllijirllrlul,=,w a l l li i i i i1 1 1 1j i l l y 1819 9 4 7 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 阉墨 日期：，刃彦 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： l 趔毫 导师签名：f ，白细发 日期：少，多p l 一 l l l 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 现有的超细粉碎主要有以机械冲击、剪切等方式进行粉碎的机械粉碎机和以 高压气流为动力的气流粉碎机，虽然这两种传统的超细粉碎技术在加工普通超细 粉过程中得到了广泛的应用，但在加工某特定窄粒度段的产品时会出现成品率非 常低、产量很小、加工成本高等致命性缺点，为了改善这些缺点，控制性粉碎技 术应运而生。 本文研究开发了控制性粉碎射流磨，利用一次粉碎一次分级和同轴心喷嘴引 射的原理对颗粒形貌和粒径进行控制，采用f l u e n t 模拟技术对粉碎设备的流场 进行数值模拟分析，并在玻璃微珠行业和金属硅行业生产实践中进行验证。在实 践中对粉碎压力、喷嘴与靶的距离、扩散锥的角度和靶的角度等关键技术参数进 行优化和调整，最终得到成品率高、产量高和形貌圆润的产品。 实验选取陶瓷材料为射流磨靶材，研究烧结温度对陶瓷微观结构、抗弯强度 和耐磨性的影响，得出最好烧结靶材的烧结温度。 研究结果显示：目前，控制性粉碎技术在生产玻璃微珠行业中，粉碎1 0 0 , - - 一4 0 0 um 粒度段产品时的最优参数为：粉碎压力0 11 m p a ，物料扩散角度为0 0 ，靶距 为3 8 0 m m 。在这个条件下成品率可达到7 8 - - 8 3 ，单套设备产量可达到2 0 0 2 5 0 k g h ，该粒度产品的单位能耗在3 4 0 4 2 5 k w h t 。以投资2 套设备为例，年利 润在2 0 0 0 万以上。 另外，控制性粉碎技术在金属硅行业中，粉碎3 0 1 5 0 目粒度段产品时的最 优参数为：粉碎压力0 0 5 m p a ，物料扩散角度为0 0 ，靶距为4 2 0 m m 。在这个条件 下成品率可达到8 9 - - - - 9 5 ，单套设备产量可达到3 0 0 - - - 4 0 0 k g h a ，该粒度产品的单 位能耗在1 5 0 2 0 0 k w h t 。以投资2 套设备为例，年利润在1 8 0 0 万以上。 关键词：控制性粉碎参数工艺金属硅玻璃微珠 a b s t r a c t a tt h i sp r e s e n ts t a g e ，t h e r ea r et w om a i nu l t r a - f i n eg r i n d i n g s ，o n ei sm e c h a n i c a l g r i n d e rw h i c hu s e sm e c h a n i c a ls h o c ka n ds h e a rt oc r u s h ，t h eo t h e ri sj e tm i l lw h i c hu s e s h i g h 。p r e s s u r ea i r f l o wt ow o r k ，b o t ho ft h e mh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ep r o c e s s i n g o fp r e p a r i n go r d i n a r yu l t r a - f i n ep o w d e r h o w e v e r , i f u s i n gt h e mt op r e p a r eap r o d u c to f p a r t i c u l a r l yn a r r o ws i z es e g m e n t ，t h e r ew i l la p p e a rf a t a ld r a w b a c ks u c ha sv e r yl o w y i e l d ，l o wp r o d u c t i o n ，h i g hp r o c e s s i n gc o s t sa n ds oo n i no r d e rt oi m p r o v et h e s e s h o r t c o m i n g s ，c o n t r o l l e dg r i n d i n gt e c h n o l o g yh a se m e r g e d t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e da n dd e v e l o p e dac o n t r o l l e dj e tm i l lg r i n d i n g ，u s e dt h e p r i n c i p l eo fo n e - t i m es m a s h ，o n e - t i m ec l a s s i f i c a t i o na n de j e c t o ro fa x i sn o z z l et oc o n t r o l t h ep a r t i c l e s ，m o r p h o l o g ya n ds i z e ，u s e df l u e n ts i m u l a t i o nt oe x e c u t en u m e r i c a l a n a l y s i so nt h ef l o wo ft h egr i n d i n ge q u i p m e n ta n dd ov e r i f i c a t i o ni nt h ep r o d u c t i o no f g l a s sb e a da n ds i l i c o nm e t a li n d u s t r y d u r i n gt h ep r a c t i c e ，w eh a v eo p t i m i z e da n d a d j u s t e dt h ek e yt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha sc r u s h i n gp r e s s u r e ，t h ed i s t a n c eo fn o z z l e a n dt a r g e t ，t h ea n g l eo fd i f f u s i o nc o n ea n dt a r g e ta n ds o o n ，f i n a l l yw eh a v eg e t p r o d u c t i o n sw h i c hh a v eh i g hy i e l d ，h i g ho u t p u ta n df r u i t ym o r p h o l o g y i nt h i sa r t i c l e ，w eh a v es e l e c t e dc e r a m i c sa sj e tm i l lt a r g e t ，s t u d i e de f f e c t so f s i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo nc r y s t a ls t r u c t u r e ，b e n d i n gs t r e n g t ha n dw e a r , f i n a l l yg e tt h eb e s t s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：w h e nw eu s ec o n t r o l l e d g r i n d i n gt e c h n o l o g yt oc r u s h p r o d u c t s o f10 0 4 0 0 i - t mi nt h eg l a s sb e a d s i n d u s t r y , t h eo p t i m a lp a r a m e t e ra r e f o l l o w i n g ：c r u s h i n gp r e s s u r ea s0 11m p a , m a t e r i a ld i s p e r s i o na s0 。t a r g e td i s t a n c ea s 3 8 0 m m i nt h i sc o n d i t i o n ，t h ey i e l dc a nr e a c h7 8 - 8 3 ，t h eo u t p u to fa s i n g l ee q u i p m e n t c a nr e a c h2 0 0 2 5 0 k g h ，t h eu n i te n e r g yc o n s u m p t i o no fp r o d u c t si s3 4 0 4 2 5 k w h t a s i n v e s t i n gt w oe q u i p m e n t sf o re x a m p l e ，a n n u a lp r o f i tw i l lb em o r et h a n2 0m i l l i o n i na d d i t i o n ，w h e nw eu s ec o n t r o l l e dg r i n d i n gt e c h n o l o g yt oc r u s hp r o d u c t so f 3 0 - 15 0m e s hi nt h em e t a l - s i l i c o n i n d u s t r y , t h eo p t i m a lp a r a m e t e ra r ef o l l o w i n g ： c r u s h i n gp r e s s u r ea s0 0 5 m p a , m a t e r i a ld i s p e r s i o na s0 0 ，t a r g e td i s t a n c ea s4 2 0 m m i n t h i sc o n d i t i o n ，t h ey i e l dc a nr e a c h8 9 9 5 ，t h eo u t p u to fas i n g l ee q u i p m e n tc a nr e a c h 3 0 0 - 4 0 0 k g h ，t h eu n i te n e r g yc o n s u m p t i o no fp r o d u c t si s15 0 - 2 0 0 k w h t a si n v e s t i n g t w oe q u i p m e n t sf o re x a m p l e ，a n n u a lp r o f i tw i l lb em o r et h a n18m i l l i o n k e yw o r d ：c o n t r ol ie dc r u s hin g ，p a r a m e t e r s ，t e c h n olo g y ，s iic o nm e t ai 。 g i a s sb e a d s r 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。1 。1 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 l i 页 目录 1 绪论1 1 1 超细粉碎技术简介1 1 1 1 超细机械粉碎技术1 1 1 2 超细气流粉碎技术1 1 1 3 超细粉碎技术的应用2 1 2 超细粉碎设备研究进展2 1 3 控制性粉碎技术的提出4 1 4 控制性粉碎的研究意义及主要内容5 2 控制性粉碎技术6 2 1 控制性粉碎技术的定义6 2 2 原理分析6 2 2 1 原理6 2 2 2 进料的方式9 2 2 3 颗粒的加速9 2 2 4 颗粒的碰撞方式1 3 2 2 5 颗粒粉碎1 4 2 2 6 颗粒分离技术1 6 2 3 影响控制性粉碎的参数17 2 3 1 进料粒度17 2 3 2 粉碎压力18 2 3 3 喷嘴与靶的距离2 0 2 3 4 扩散锥的角度2 1 2 3 5 靶2 2 3 控制性粉碎参数的数值模拟与分析：2 6 3 1f l u e n t 简介2 6 3 1 1f l u e n t 软件的介绍2 6 3 1 2 力学控制方程运用。2 7 3 1 3f l u e n t 软件求解问题的步骤3 0 3 2 控制性粉碎系统粉碎腔模型的建立3 l 3 2 1g a m b i t 简介3l 3 2 2 控制性粉碎系统粉碎腔的建立3 2 3 3 控制性粉碎设备系统射流磨粉碎腔系统的模拟及分析3 5 3 2 1 粉碎腔基本模型的模拟分析3 5 3 4 控制性粉碎系统粉碎腔流场模拟结果分析3 7 3 4 1 扩散锥角度的模拟3 7 3 4 2 喷嘴与靶距离的模拟3 9 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 v 页 3 4 3 粉碎压力的模拟4 1 3 4 4 靶角度的模拟4 3 3 5 本章小结4 5 4 控制性粉碎技术的实验研究4 6 4 1 金属硅和玻璃微珠性质4 6 4 2 玻璃微珠实验4 8 4 2 1 实验条件及方案4 8 4 2 2 实验记录及结果分析一5 0 4 3 金属硅实验5 6 4 3 1 实验条件及方案5 6 4 3 2 实验记录及结果分析。5 7 4 4 实验更新6 2 4 5 陶瓷靶材的实验6 2 4 5 1 实验内容6 3 4 5 2 结果分析与讨论6 3 4 6 本章小结6 8 5 控制性粉碎技术推广及应用6 9 5 1 玻璃微珠行业的推广及应用6 9 5 1 1 玻璃微珠粉碎设备演变过程7 0 5 1 2 设备性能优势7 1 5 1 3 经济效益7 5 5 2 金属硅行业的推广及应用7 5 5 2 1 控制性粉碎优化处理7 6 5 2 2 性能优势7 7 5 2 3 经济效益7 9 5 3 本章小结8 0 结论8 1 致谢。8 3 参考文献。8 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果8 8 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 超细粉碎技术【2 】被看作是支持高技术工业最重要的基础技术之一，现 代工业技术的发展要求呈粉体状态的原料和制品具有某一特定大小而均匀 的粒度并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、医药、颜料、催化剂、化妆品、高级磨料、精细陶瓷、 磁记忆元件、固体润滑剂等方面都表现出很好的性能。近年来在工业需求的 刺激下，超细粉体的精细加工技术有了较大的进步，最主要的超细粉碎设备 分为机械磨和气流磨，各自运用于不同的行业中。 1 1 超细粉碎技术简介 1 1 1超细机械粉碎技术 冲击式机械超细粉碎机【3 】【4 】是国内超细粉碎技术与设备开发研制成效最 显著的领域之一，近2 0 年来发展迅速，如获得中国实用新型专利的高产窄 分布超细粉磨机、立式高速离心超细粉碎机、立式风选超细度涡轮粉碎装置、 多功能超级微粉机、湍流超细装置、粉磨双吸双磨超细磨机、旋风式无介质 精细磨机、离心式超细粉磨机等，其中冲击式粉碎机效果最为明显。 冲击式机械粉碎磨的主要原理为利用转子上锤头以5 0 1 0 0m s 的速度 对物料进行打击而将其粉碎，处于定子和转子间隙中的物料被剪切、反弹到 粉碎室内，与后面高速飞来的物料颗粒相碰撞，从而使粉碎过程反复进行。 高速冲击式机械粉碎磨按转子的布置方式和锤头的个数分为多种类型，其特 点是粉碎效率高、粉碎比大、结构简单、运转稳定，适合于中、软硬度物料 的超细粉碎，广泛应用在食品、药物、建材、矿业、化工等行业中加工某一 粒度以细的产品。但冲击式机械粉碎磨在粉碎硬度较大的物料时，很容易磨 损，大大减短了设备的使用寿命；而且粉碎后中的铁杂质含量很高，污染了 产品。由于其本身结构和粉碎方式的原因，这种方式在粉碎过程中很容易存 在过粉碎现象，造成某一特定粒度段产品的成品率低，产量低等缺点。 1 1 2 超细气流粉碎技术 在超细粉体技术中，超细气流粉碎机是制备超细粉体最有效、最常用的 设备之一。气流粉碎机亦称( 高压) 气流磨，它是利用高速气流( 3 0 0 5 0 0 m s ) 或过热蒸汽( 3 0 0 4 0 0 c ) 的能量，使颗粒相互产生冲击、碰撞、摩擦以及气 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 流对物料的冲击、摩擦、剪切作用而实现粉碎的设备。 超细气流粉碎机可加工平均粒径在um 级的产品，有些机型加工精度可 达1um 以下；气流粉碎过程中是物料之间的相互产生冲击、碰撞和摩擦， 并没有跟粉碎腔直接接触【5 】【6 儿7 1 ，所以铁杂质含量大大降低，对产品不造成 污染；产品形貌光滑圆润，无棱角。 但是气流粉碎机仍存在一些不足之处。例如，设备制造成本较高，能耗 大，加工成本也较大；单机处理能力较差( 产量均小于l t h ) ，不适合于大规 模生产；对特定粒度段要求的产品来说，获得的产量和成品率太小；产品粒 度难以达到亚微米级，在10um 以下时产量大幅度下降，此时加工成本急 剧增加。 1 1 3超细粉碎技术的应用 超细粉体市场前景【1 2 】十分广阔。据相关专家分析，2 l 世纪前l o 年全球 超微粉体产品的市场需求量将以平均每年5 5 以上的速度增长，略高于同 期的全球年平均经济增长率；而同期中国国内超微粉体产品的市场需求量将 以平均每年8 5 左右的速度增长，2 0 1 1 年将达到2 5 8 万吨左右。随着高技 术和新材料产业的发展壮大，传统产业进步和产品升级的步伐加快，相关应 用领域对各类粉体、微粉和超微粉材料需求量逐渐增大，同时对粉体的物理 性能、纯度等各方面的要求提高，并在节约能源、资源和环境保护方面更为 严格。因此，粉体加工没备的市场潜力巨大。根据国家非金属矿综合利用工 程中心组织的非矿科技发展规划会上的专家分析，预测2 0 1 1 年主要非金属 矿超细产品的年产量为9 0 0 万吨，需要超微粉碎设备1 0 0 0 套，超微分级机 1 5 0 0 台、改性设备5 3 5 5 ，后处理设备6 5 0 套。在该行业的超微加工设备总 市场容量约4 0 亿元。近十年来，我国超微颗粒领域的产业化生产发展较快， 化工和非金属行业中的超微粉末行情特别好，很多产品都己供不应求。医药 行业中以西洋参粉、超微珍珠粉、灵芝孢予粉、柠檬酸钙、维生素、螺旋藻 和抗菌素等为先导，促使更多的药品和中成药加入了超微产品的行列，从而 大大提高了药品的吸附力和附加值。根据中国粉体工业信息搜集到的资料统 计，2 0 1 0 年国内用于中药超微加工【l3 】的粉碎设备购销约2 0 0 台套( 5 0 0 目以 上产品1 ，贸易额约4 0 0 0 万元。估计今后5 年将以1 0 以上的速度增加。 1 2 超细粉碎设备研究进展 国外从4 0 年代起，以超细粉碎、分级、改性为基础的深加工技术就引 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 起人们的关注，到6 0 年代该技术得到了迅速发展。目前美国、德国、日本、 英国等国家超细粉碎技术和设备的研制具备了较高的水平，推出了干法、湿 法各类型和规格的超细粉碎及分级设备，可加工细度为o 5 1 0 pm 任意窄 级别的超细产品。国内超细粉碎技术和设备研究工作始于6 0 年代且发展缓 慢，到8 0 年代才得以迅猛发展。目前为止，国内已能生产各种类型的振动 磨、搅拌磨、冲击磨、气流磨，性能基本上可与世界上已成型的机种相媲美。 目前，国内的机械粉碎设备主要有高速机械冲击磨、球磨机( 包括振动球 磨机、转动球磨机、行星球磨机等) 、介质搅拌磨、射流粉碎机等。其中， 气流磨、高速机械冲击磨为干式超细粉碎设备；球磨机、介质搅拌磨、射流 粉碎机，既可用于干式超细粉碎，也是常用的湿法超微粉碎设备。由于粉碎 方式和工作原理的不同，各种设备性能存在着一定的差距。从1 9 9 5 年至今， 国内超细粉碎技术及设备进入了以自行开发和研制为主，引进为辅的同新月 异时期，具有自主知识产权或发明专利的超细粉碎技术和设备数量，较前几 年有显著上升趋势，大大地推动了我国非金属矿深加工行业的发展。 气流磨国内生产研究最多，机型也是所有超细粉碎设备中最为齐全的， 即使是国际上最为先进的流化床气流磨也有不少的生产厂家。由于是干法生 产，虽然可以省去非金属矿超细粉碎中的烘干工艺，但也存在一些问题：其 设备制造成本高，一次性投资量大，能耗较高，粉体加工成本太大，这就使 得它在这一领域的使用受到了一定的限制；它难以实现某特定要求粒度段的 粉碎，产品粒度在1 0hm 左右时效果最佳，在1 0um 以下时产量大幅度下 降，成本急剧上升，在要求相应粒度段的非金属矿领域的应用就失去了应有 的使用价值；目前气流磨的单机产量均小于l t h ，还不能适应大规模生产的 需要；在介质使用上，国内大多使用空气，很少使用过热蒸汽或惰性气体； 另外，设备加工精度与材料的磨损问题仍困扰着设备制造商和广大国内用 户。目前工业上应用的气流磨主要有扁平式【1 4 】、循环管式【l5 1 、对喷式、靶 式、流化床对喷式等几种大机型。其中流化床对喷式气流磨是7 0 年代末8 0 年代初德国a l p i n e 公司开发并投入使用的新机型，具有能耗低、磨损轻、 污染小、噪声低、产品粒度细且分布较均匀、能用于较高硬度物料粉碎等特 点。在国内超细粉碎设备中，气流磨机型较全、应用范围也较广，上述几种 机型国内大体上都能生产，并在生产中都有应用，而且技术性能接近国外同 类设备，但是，单机生产能力较低，尚无处理能力达l t h 以上的大型气流磨， 大多数厂家只是处于仿制国外同类设备的水平上，根本谈不上自己的技术创 新。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 冲击式粉碎机粉碎效率高、粉碎比大、结构简单、运转稳定，适合于中、 软硬度物料的粉碎，广泛应用于矿业、化工、建材等行业。它不仅具有冲击 和摩擦两种粉碎作用，而且还具有气流粉碎作用。目前比较成熟的机型主要 有咸阳非金属矿研究设计院开发的c m 型超细粉碎机、湖北沙市津江超细粉 公司生产的d j m 9 0 0 型超细粉碎机、清华大学与沈阳重型机械厂开发的c z m 多段冲击式粉碎机、a c m 型冲击式粉碎机，其中a c m 型粉碎机是美国、日 本几家公司的产品，浙江嵊州市特种粉碎设备厂也生产类似的机型，它结构 简单、加工造价低、适应物料范围广，再加上大风量输送物料，传热效果好、 粉碎区域温度较低，可用于某些热敏性物料的粉碎，这是其它设备所难以比 拟的。冲击式超细粉碎机【l6 】是国内超细粉碎技术与设备研制开发成效最显著 的领域之一。近几年来，这方面的发明专利也大量涌现，如湍流超细粉磨机 ( 中国专利c n 2 2 4 7 5 6 1 y ) 、多功能超微粉机( 中国专利c n 2 2 3 0 18 4 y ) 、多级高 效旋磨分选超细粉碎机( 中国专利c n 2 2 5 0 8 0 7 y ) 、离心超细粉磨机( 中国专利 c n 2 2 7 4 9 8 5 y ) 、立式风选超细度涡轮粉碎机( 中国专利c n 2 2 9 5 5 3 0 y ) 、立式 高速离心超细粉碎机( 中国专利c n 2 2 9 0 4 0 2 y ) 、双吸双磨超细磨( 中国专利 c n 2 3 1 0 6 2 1 y ) 、旋风式无介质超细磨( 中国专利c n 2 3 2 1 5 2 2 y ) 、中高产窄分 布超细粉磨机( 中国专利c n 2 3 1 3 6 6 3 y ) 。 1 3 控制性粉碎技术的提出 高科技的发展对超细粉体提出了越来越高的要求，不仅要求粉体极细， 而且要求粒度分布窄，对于分级设备的要求更高。现有的超细粉碎主要有以 机械冲击、剪切等方式进行粉碎的机械粉碎机和以高压气流为动力的气流粉 碎机，这两种传统的超细粉碎技术在加工普通超细粉过程中得到了广泛的应 用，但需要加工粒度段很窄、粒度要求又较细的控制性粉碎上就会存在加工 某特定很窄粒度段的产品成品率非常低、产量很小等致命性缺点。所以能加 工特定粒度段的控制性粉碎技术应运而生，它可有效选择提高粉碎强度，增 加成品率，降低能耗，实现超细粉体的低成本、规模化生产，但国内外关于 控制性粉碎技术的研究未见报道，许多关键技术尚需进一步探讨。存在的问 题和需要进一步的研究如下： ( 1 ) 控制性粉碎结构参数的设计上还没有成熟的设计依据，如颗粒加速、 粉碎强度、重复粉碎等方面的控制。 ( 2 ) 控制性粉碎技术与分级技术的系统配置设计。在粉碎系统与分级系 统的配置、联合控制、操作参数等方面还没有依据。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 3 ) 控制性粉碎技术在实际工业中的应用还很少。 ( 4 ) 研磨过程真正的优化还未能达到，控制性粉碎分级操作条件仍然通 过反复实验确定。在控制性粉碎分级参数优化模型的建立方面还很欠缺，控 制性粉碎机参数优化和数学模型的研究更少见报道，从而给控制性粉碎设备 的完善和优化设计带来了困难。 ( 5 ) 至今未见对控制性粉碎技术的控制性粉碎装置的结构设计和工业化 试验的研究，开发适合于各种原料的新型控制性粉碎系统尚属探索阶段。 1 4 控制性粉碎的研究意义及主要内容 超细气流粉碎分级技术是现今制备超细粉体最有效、最普遍的方法之 一，而控制性粉碎技术则是其中最前沿的。国内外气流磨厂家极少针对玻璃 微珠的粉碎做过实验及生产研究，最早采用的是机械磨来粉碎玻璃微、珠筛 分级，但产品的成品率很低，只有5 0 左右，铁杂质含量非常高、收集效 率较低、产品损失较大；2 0 0 4 年前后开始采用气流磨来粉碎过玻璃微珠且 采用三级串联分级，产品的成品率有所提高，达到到6 3 左右，铁杂质含 量明显降低、收集效率较高、但是产品的稳定性较差，三级串联分级设备的 磨损较大，设备维修工作量大；且对特定粒度段要求的产品来说，获得的产 量和成品率太小。基于现在工业发展对粉体特定粒度段的要求，控制性粉碎 技术在反复理论分析和多次的实践经验中逐渐成熟起来。 流化床气流粉碎分级机己在国内外广泛地应用，但是关于控制性粉碎的 控制性粉碎设备还没有研究报道。绵阳流能粉体设备有限责任公司设计了 l n j 系列射流磨，应用于玻璃微珠行业和金属硅行业，在长时间的实践中得 到了丰富的经验。本文在现有的理论基础和实验条件下，对l n j 系列控制性 粉碎技术作较为全面的研究，跟传统的气流粉碎机( 流化床气流磨) 在各参数 比较，以指导其工业设计和工业应用。主要研究内容： ( 1 ) 控制性粉碎的机理分析； ( 2 ) 利用f l u e n t 流体计算软件，分析和研究控制性粉碎流场的流动状 态，从而对一些重要结构参数进行分析； ( 3 ) 控制性粉碎技术的结构参数优化设计( 包括控制性粉碎的喷嘴的工况 参数的研究、控制性射流粉碎进料方式、颗粒加速过程、控制性粉碎的操作 参数和粉碎腔结构参数) ； ，( 4 ) 控制性粉碎与分级技术的系统配置及优化； ( 5 ) 控制性粉碎技术在玻璃微珠行业及金属硅行业中的应用。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 2 控制性粉碎技术 2 1 控制性粉碎技术的定义 控制性粉体技术是一门新兴技术，它是利用高速气流的能量经喷嘴带动 物料与靶产生冲击、碰撞、摩擦以及气流对物料的冲击剪切作用而实现超细 粉碎的设备。我们可以控制它的粉碎进料方式、颗粒加速方式、颗粒碰撞方 式、颗粒分离技术等方面根据粉碎所要求的某特定粒度段进行调整和控制， 从而达到该特定粒度段的更高成品率和产量。 2 2 原理分析 2 2 1 原理 图2 1 为l n j p 型控制性粉碎设备的原理图，当物料从加料管加入， 在喷嘴处获得高压气流所致的加速动能，扩散锥进行导流，形成的气固 两相流高速地冲向下方的靶材，物料除了与靶产生碰撞、摩擦，除此之 外，根据不同的参数匹配可以有以下三种情况：( 1 ) 颗粒经喷嘴气流加速 与靶撞击( 1j 2 ) ，然后颗粒跟粉碎腔陶瓷轨道发生二次碰撞( 2 专3 ) ，由 于靶距和反射角度等参数的关系，颗粒再次进入扩散锥中( 3 4 ) ，此时 扩散锥气流再次对粉碎过的颗粒加速进行二次粉碎；( 2 ) 颗粒经喷嘴气流 加速与靶撞击( 1 专2 ) ，由于其能量损失太多，不具备( 1 ) 的反射条件，颗 粒与粉碎腔的陶瓷轨道再次发生碰撞( 2 专37 ) 后就落入下方进入分级机； ( 3 ) 颗粒经喷嘴气流加速与靶撞击( 1 2 ) ，由于颗粒太小和负压的原因， 没有与粉碎腔的陶瓷轨道发生碰撞就直接落入下方进入分级机 ( 2 专3 ”) 。控制性粉碎根据粉碎物料所要求的特定粒度段调整各种参数匹配 达到最优状态，从而达到该特定粒度段的更高成品率和产量。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 进气口 加料管 图2 - 1 控制性粉碎设备原理图 f i g 2 1s c h e m a t i co fc o n t r o iie dg rin d in ge q u i p m e n t 流化床气流磨是2 0 世纪9 0 年代最新的超细粉碎设备。其工作原理是：物 料加入后利用二维( 或三维) 设置的数个喷嘴喷汇的冲击能，以及气流膨胀呈 流化床悬浮翻腾而产生的碰撞、摩擦进行粉碎，同时在交汇点周围向上得气 流，在负压气流带动下通过顶部设置的分级装置分级，细粉排出，粗粉受重 力作用而返回粉碎区继续粉碎。如图2 2 所示。 本质区别：流化床气流磨是从下方入料，粉碎后负压不能完全将合格的 粉体抽入分级机，导致大量沉积在粉碎腔内进行第二次粉碎，使得细粉过多， 产量下降，增加了系统能耗；而l n j 系列控制性粉碎设备则是加料和气流从 上而下，有效的避免了物料在粉碎腔的过粉碎；原料由高处落下具有一定的 重力势能，更有利于粉碎加强粉碎和降低了系统能耗；颗粒的碰撞方式不同 导致控制性粉碎设备的粉碎效率高于流化床气流磨。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 - 2 流化床气流磨原理 对辊机工作时，在电动机的带动下，两个转子逆向高速旋转，物料进入 板锤作用区时，被转子上面的齿轮挤压、剪切破碎，物料之间也相互挤压、 摩擦，破碎成小颗粒由出料口排出。调整两个转子之间的间隙和转动速度可 达到改变物料粒度的目的。如图2 3 所示。 本质区别：对辊机是传动的两个齿轮挤压、剪切破碎物料，对破碎硬度 较大的物料，设备易磨损，l n j p 型控制性粉碎设备的磨损性小，使用寿命比 对辊机长5 倍；对辊机由于磨损使产品的铁杂质含量超标，污染了物料；对 辊机的挤压、剪切力使破碎的物料形貌成扁平棱角，多裂纹，而l n j p 型控制 性粉碎设备破碎的物料形貌光滑圆润，少裂纹。 图2 - 3 对辊机原理 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 2 进料的方式 控制性粉碎技术采用流线式加料方式，即物料从设备上部加入，通过粉 碎腔粉碎后直接由负压从设备下部抽走。此方式是一个从上至下流线型路 线，及时的把合格的产品抽入分级机，避免了物料的过粉碎。而传统的流化 床气流磨一般采用折回式加料方式，即物料从设各中部加入，在下部的粉碎 腔经喷嘴射出的高速气流加速粉碎后，产品由引风机产生的负压从设备上部 抽走经过分级机，此方式是一个折回的路线。这个过程中流化床里很容易形 成涡流，会让已破碎的颗粒再回到流化床中进行再粉碎。 2 2 3 颗粒的加速 2 2 3 1 颗粒加速的方式 从单颗粒的加速过程可以看出：喷嘴的设计要考虑增加颗粒碰撞的动 能，以及增加颗粒与颗粒碰撞的机会，最多的颗粒在最大的速度下实现相互 碰撞可以产生出更好的研磨效率。通过对流化床气流粉碎区的观察发现，颗 粒在喷射横断面上的分布不均匀，绝大部分固体颗粒仍在喷射气流的周边区 域，极少的颗粒进入喷射的核心区域，喷射气流的能量用于粉碎相对不足。 由此可见，流化床气流粉碎只有极其低的能量利用效率，据文献【l7 】估计只有 6 的总能量用于气流粉碎。喷嘴设计的目标应能增加颗粒的速度、增加颗 颗粒的碰撞机率。一般而言，喷射气流中心速度较高，碰撞机率也较大，但 在实际工作中，颗粒在流化床中的加速有较多的颗粒未能进入喷射气流中 心。 传统的加速方式有两种： 一种是混流加速式，将要粉碎的颗粒，送入压缩空气中，形成气固两相 流在喷嘴中被加速，然后再在粉碎室内相互碰撞或与冲击靶碰撞进行粉碎， 由于喷嘴对颗粒的加速，比气流经喷嘴加速后引射颗粒的加速相比，颗粒可 获得更大的速度。这种加速方式的喷嘴形状、喷嘴尺寸、颗粒加速距离需要 确定一最佳匹配值，气固浓度对粉碎的效率影响较大，最主要缺点是由于颗 粒经过喷嘴，喷嘴的磨损较大，喷嘴内部形状易发生变化，严重影响工作气 体通过喷嘴的速度，以及污染物料，且由于粉碎能量过大，难以对其进行控 制性粉碎。如图2 4 所示。 另一种是气流引射式，即流化床气流磨中所用的，物料从上方加入粉碎 腔中，高压气流通过一个平面内的两个或多个喷嘴射出，将上方落下的物料 西南科技大学硕士研究生学位论文第l o 页 进行加速使物料在中心位置碰撞、摩擦、剪切从而达到破碎的目的。这种方 式使物料相互碰撞，避免了颗粒对喷嘴和粉碎腔的磨损，但是粉碎合格的产 品容易产生过粉碎现象。如图2 5 所示。 而控制性粉碎技术采用同轴心加速喷嘴对物料进行加速，同轴心加加速 喷嘴是指在传统的音速喷嘴和超音速喷嘴进口的喉部位置的轴心处再设一 加料管，形成同轴心而直径不同的喷嘴，从加料管加入物料，外喷嘴加速气 流。该喷嘴可实现颗粒的有效加速，采用同轴心喷嘴加速颗粒，不但实现了 对颗粒更有效的加速，而且大大减少了颗粒在加速过程中对喷嘴的磨损。如 图2 6 所示。 气流 图2 - 4 混流式 f i g 2 - 4f r a n c is 图2 - 5 引射式 f i g 2 - 5 in j e c t o r 流 图2 - 6 同轴心式 f i g 2 6a x is 2 2 3 2 同轴心喷嘴单颗粒引射加速 控制性粉碎依靠喷嘴出口高速气流引射颗粒进行加速，加速后的颗 粒与靶进行碰撞、摩擦实现粉碎，因此颗粒被有效地加速，并在其最大 速度下实现碰撞，是提高气流粉碎效率的重要条件。本文针对控制性粉 碎，从理论上对颗粒在喷嘴喷射气流中的加速作一定的探讨。 颗粒雷诺数： r e ：2 生! 竺二划 以 ( 2 3 ) 在不考虑重力时，单颗粒的运动方程为： 船粥警。 其中：i 无因次距离，等于喷射气流断面至喷嘴出口的距离与喷嘴 出口直径的比值；“l x 广u s 为无因次距离时的气流速度，m s 。 后面一章的模拟表明，控制性粉碎设备粉碎腔在喷嘴出口附近的喷 射气流会产生激波，其变化规律难以描述，则假定喷嘴出口气体的轴心 速度按气体射流动力学的一般规律变化： 初始阶段，当i 4 4 时： “【工j 2 砟( 轴心速度)( 2 6 ) “( i ) = 1 + 1 5 2 a e + 5 2 8 a 2 i 2 ( 质量平均流速)( 2 7 ) 在主体段，当i 4 4 时： 甜：盟 i + 1 9 3 ( 轴心)( 2 8 ) u f x l ：生 i + 1 9 3 ( 质量平均流速)( 2 - 9 ) ( 1 ) 当s t o k e s 区，r e s o 3 ，g = 2 4 r e s 时，x - ( 2 5 ) 变为： 警。1 8 彬l a g d 。( 抖) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 当a l l e n 区，0 3 r e s 5 0 0 ，c d = 1 0 r e ：时，式( 2 - 5 ) 变为 2 2 3 3 同轴心喷嘴的颗粒加速规律 控制性粉碎设备粉碎中的喷嘴不是超音速喷嘴，最大速度通常不超 过4 0 0 m s ，粉碎的颗粒的密度最多的在2 5 左右，喷嘴出口的紊流系数 按圆柱形喷v i 选取，气流粉碎的入料粒度在4 0 - - - 2 0 0f f m 之间较多，但在 加工l 5f f m 的粉体时也有大量的10f f m 左右的颗粒要再次粉碎，硬度 较高的物料和纯度要求高的物料很多通过流化床粉碎时要求的粒度并 不细，入料反而较粗，如金刚石，碳化硅，金属硅等通常在3 m m 。假定 u e = 3 4 0 m s ，只= 2 6 5 0 k g m 3 ，心= 17 8 1o 6 ，p = 1 2 k g m 3 ，口= o 0 7 6 ， d e = 10 2 4 10 3 m ，边界条件：一x = 0 ，u s = 0 ，当d s 分别等于2 0 ，8 0 ，18 0 ， 5 0 0 ，3 0 0 0f f m 时，将方程式离散化，如对( 2 10 ) 即： 冬巡掣，蚝( o ) ：o 赢醯 ”。 ( 2 - 1 3 ) 依此可求出u s ( 1 ) ，u s ( 2 ) ，u s ( 3 ) ，