中日两国不同粉体单元加工设备厂商分布对比(%)制造、加工设备分粉筛分过混造成干给输分收包改烧其类碎分级滤合练粒型燥料送散尘装覆性成他曰本中一―国检测、计量、:表12010年主要非矿产量和满足该产置所需超细加工设备的数量估计矿种预测年需求量(万吨)深加工部分估计所需大型设备台(套)数单系统产量万吨/年比例吨位(万吨)超细分级改性后处理干法加工超细产品篼岭土石里滑石桂灰石方解石一石英湿法加工超细产品煅烧篼岭土重钙合计由上述估算的结果,到2010年非金属矿超细产品的年产量为713万吨。需要超细粉碎设备980套、超细分级机1300台、改性设备485套、后处理设备550套。在该行业的超细加工设备总市场容量约32亿元。
超细粉碎设备的种类很多,客户选择设备的原则主要是达到产品技术前提下的低加工成本。粉碎是一个篼能耗过程又是一个能量利用率很低的过程。除原料的因素外,在超细粉加工量很大的情况大,能量消耗将占加工成本的很大比例。因此,必须认真考虑设备的能量利用率。在分析每个设备特点之前有必要对设备的粉碎机理和能耗问题进行探讨。
不同粉碎机理设备的能量作用方式不同,所达到的粉体细度和能量消耗也有较大的差异。冲击式粉碎机中力的作用时间短暂,能在脆性物料中瞬间形成许多微裂纹,具有较高的能量利用率,但对于微米乃至亚微米级的粉碎能力就不够了。
球磨机借助于介质在重力场下的冲击和研磨完成粉磨作业,但当颗粒细化到数微米的水平后大尺寸介质的冲击对进一步的细化已无济于事,研磨作用也因介质比表面积太小而很微弱。在没有超细分级机配合的条件下,球磨机难于完成微米级超细粉碎的作业。在振动磨中可以选用较小的研磨介质(大的比表面积)在惯性力作用下对细小颗粒进行冲击研磨,产品细度可达到球磨机所不能及的严微米级,能量利用率相对高于球磨机。为了达到更高的细度,需更大比表面积的介质对物料进行研磨。大比表面积意味着很小的介质径;微小介质的惯性力因质量小而变的很微弱,振动不再适合作为粉碎能量施加的方式。搅拌磨和砂磨机借助于搅拌棒、盘的直接作用使微小介质与物料在剧烈的相对运动中产生冲击和研磨,可以达到振动磨还达不到的细度,并具有超细粉碎阶段较高的能量利用率。涂布料级超细粉的专用搅拌磨中使用的介质粒径小于1mm,干法搅拌磨的介质粒径仅数mm.气流磨比研磨粉碎的能耗要高出许多。其原因是气流粉碎系统中能量经过多次转换才作用到被粉碎颗粒上,*后在颗粒相互撞击中达到粉碎的目的;颗粒越小这种冲击的能量也越小,内部晶格缺陷减少,自身强度增大也变得难于粉碎。
以下将按照研磨、冲击和气流三种不同的粉碎方式进行分类评述。
介质研磨超细加工设备搅拌球磨机是超细粉碎机中*有发展前途而且能量利用率*高的一种超细粉碎设备。在搅拌球磨机中设有搅拌装置,它使球介质和物料在整个筒体内不规则地翻滚,使球介质与物料之间产生相互撞击和研磨的双重作用,致使产品磨得很细并达到均匀分散的效果。基于这一原理,搅拌磨安搅拌器的细构形式、转速、轴的安装形式、干式/湿式的不同分为多种多样的形式。
同常规球磨机相比,搅拌式磨机采用高磨机转速和高介质充填率及小介质尺寸,这使搅拌式磨内获得了极高的功率密度,从而使细颗粒物料的研磨时间大大缩短。小介质尺寸,则大大提高了微细物料的研磨效率。适用于不同产品粒度和物料性质的各种搅拌式磨机都已商业化。特别是立式搅拌式磨机,以其构造简单、操作容易、维护方便等优点成为目前工业上应用*广泛细磨设备之一。高功率密度(篼转速)搅拌磨机,适用于*大粒度小于微米以下产品,在颜料、陶瓷、造纸填涂料、化工产品及食品等工业中已获得了极大成功。目前高功率密度搅拌磨在工业上的大规模应用有处理量小和磨损成本过高两大难题。随着篼性能耐磨材料的出现,相信这些问题都能得到解决。
由于研磨的发热量比较大,为了能够良好地将热量移出粉碎机外,搅拌磨的主要工作方式是湿式。近年来,国内造纸、涂料工业的快速发展,对-2微米大于90%的超细粉体需求量急剧增加,从而推动了超细搅拌磨的销售。加上陶瓷和精细化工领域的超细研磨要求,该类型设备的销售量有增无减。根据不完全的统计2002年全国用于湿法超细研磨的搅拌磨(剥片机)的销售量在400台套左右,贸易额7500万。
为了避免对湿式粉磨产品的干燥过程,以及解决部分化学合成粉体干燥后的研磨解散的问题,干式搅拌磨成为搅拌超细粉碎的新热点。瑞士ABV公司、微国ALPINE公司、日本KOTOBUKI公司等相继推出了立式连续干法搅拌磨。在国内华大学与徐州煤矿采掘机械厂也合作开发了类似的设备。由于搅拌研磨过程的内部散热、大功率启动与传递、粉体在研磨介质表面的包覆等问题,该系统没有能够得到推广。为了克服上述种种弊端,卧式搅拌研磨设备的开发得到了重视。日本三菱矿山公司开发了类似的设备,根据该公司的业务人员介绍,这种设备除轴间密封问题外,运行良好,在世界各地的销售情况不错,尚无在中国的销售业绩。此类型设备国内企业也在积极的开发之中。
球磨机问世已近200年,管磨机作为球磨机的一种也有100多年的应用历史。世界各同学者与工程技术人员进行了多方面研究与改进,使其成为主流的粉磨加工设备。球磨机作为一种传统的粉磨设备,其突出的特点是:适应性强,对大多数物料都能粉磨;能连续操作,且生产能力可以满足现代化工业大规模生产的需要,结构简单,工艺成熟,可靠性强。缺点是:效率较低,磨耗较大,容易对产品产生污染。特别是用于超细粉磨方面,人们曾一度对它失去信心而试图寻找其他设备,如气流粉碎机等。这些设备的加工细度虽有所提高,但是其处理量、运转率和能耗指标远不能适应工业化大规模生产的需求。目前国内流行的干法超细工艺多采用气流粉碎机,但由于工业矿物原料的生产量大,要求加工成本低,这些因素决定了气流粉碎等其他粉碎机难于实现大工业化生产。
大型超细分级机的出现,为使管磨机生产超细粉提供了可能途径。从工艺上为了达到这一目的,(1)必须对管磨机结构和操作工艺参数进行调整;(2)考虑到较大循环负荷率,超细分级的处理量必须足够大;(3)产品捕集必须连续有效。球磨机与超细分级机的组合,是国内外大批量生产超细粉体的*佳工艺路钱。国内在1995年开始,根据市场要求和超细粉碎技术的现状开发了高细管磨机/超细分级机的系统,用于超细水泥、矿渣和方解石等粉体。在系统的优化方面,国内清华大学、南京化工大学、合肥水泥研究院等单位,通过吸收国外先进的成功经验,同时结合我国国情和市场发展的需要,研制开发了多种全新的球磨干法超细、改性粉体的加工技术。该流程结和了球磨机系统的优点,同时通过优化的系统配置和设备改造,达到生产超细粉体高效粉磨系统;配置超细分级系统与粉磨系统形成闭路循环,不仅实现产品细度的多品种化,同时减少电耗;系统*后配置连续改性装置,直接实现产品的功能化和拓宽产品的应用领域。
用于水泥、矿渣、粉煤灰的超细加工方面,4000比表面积的大处理量粉磨设备还是以篼细管磨为主。根据中国粉体工业信息网对国内主要球磨机生产厂家的调了解,2002年直径2.2米以上大型高细管磨的销售量为120台套,贸易额约为6900万元。
借助于机械振动,将动力传递给研磨介质来对物料进行冲击研磨粉碎,振动磨的效率要比球磨机高许多。振动磨的形式和种类有多种:单筒到多筒、单激振到双激振、机械弹簧到空气弹簧、大长径比的连续式到小长径比的批次研磨方式。
振动磨是近年来推广较快的超细粉碎设备,生产企业多达3家,市场竞争非常激烈。由于机械传动和刚体本身振动内应力的问题,目前*大的工业用振动磨3升,中国粉体工业信息网的调统计,2002年400升以上大型振动磨的销售量在80台套左右,形成的贸易额约为2000万元。
高速冲击式粉碎机按转子的布置方式和锤头的个数和形式分为多种,其特点是粉碎效率篼、粉碎比大、结构简单、运转稳定,适合于中软硬度物料的粉碎,广泛应用在矿业、化工、建材、食品、药物等行业。冲击式粉碎机借助于转子上锤头对物料的以50-lOOm/s的高速打击而将其粉碎,处于定子和转子间隙处的物料被剪切和反弹到粉碎室内与后续高速飞来的颗粒相撞,使粉碎过程反复进行。这类冲击式粉碎机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。定子衬圈和转子端部锤刃之间形成强有力的高速湍流场,其中产生的强大压力变化可使物料受到交变应力而破碎和分散。粉碎成品的颗粒细度和形态与转子上锤头的运转状态和定转子间间隙来决定,低速冲击要得细长的颗粒,而高速冲击则易得物料结晶状态相同的颗粒。
冲击式粉碎机发展的特点是将粉碎室和粉磨室两大部分组合为一体,依次完成物料的破碎、粉碎和超细粉碎,与超细分级头组成内部闭路系统。这种将粉碎机和离心转子分级机做在同一台设备上,具有结构简单整体性好的特点。被粉碎物料通常从管道给人磨机内部,给料中的合格产品在气流的夹带下可直接进人分级机进行分级。粗物料在冲击粉碎区域完成粉磨过程后进人分级机分选,细粉作为产品而被捕集,粗粉返回粉碎区域再度粉碎。若给料以达到一定细度,可将给料口改为下部风送给料,强化定子和转子间缝隙的气流剪切粉碎作用。
冲击式粉碎机的适应能力较强,广泛应用于化工、药物、食品、农副产品、软质矿物等物料的粉碎过程。由于生产厂家太多,没有形成市场的销售量统计。
气流式粉碎机气流磨是洁净超细粉碎的主要手段,在药物、精细陶瓷和精细化工领域对产品纯度要求很篼的情况下这一优点显得就是更为突出。缺点是比机械方式粉碎的能耗要高出许多。其原因是气流粉碎系统中能量经过多次转换才作用到被粉碎颗粒上,*后在颗粒相互撞击中达到粉碎的目的;颗粒越小这种冲击的能量也越小,内部晶格缺陷减少,自身强度增大也变得难于粉碎。
当然对于气流粉碎机有其它设备不可比拟的优点,它的粉碎过程简单、污染物极少、由于气体的等压膨胀而使粉碎区域的温度较低,保证某些产品的品质不变。每一种具体的超细粉碎设备对于不同的物料都有一定的粉碎极限,而在这个极限范围内又都存在着特长的关键。
气流磨的种类很多,有圆盘式气流粉碎机、0形环气流粉碎机、冲击靶式气流粉碎机、对撞式气流粉碎机和流化床对撞式气充粉碎机多种。气流粉碎机的生产厂家有20家左右,大型气流粉碎机的销售在逐年降低,小型用于药物和精细化工的气流粉碎机市场在逐渐扩大。根据中国粉体工业信息网的调统计,用气量在2立方米/分钟以下的小型气流磨销售量在120台套左右,平均11万/台套。大型气流磨的销售量仅仅在50台套左右,平均82万/台套。
粉碎是一个概率过程,其产物具有一定的粒度分布。将合格细度的产品取出或将不希望的大颗粒去除是获得指定产品的重要步骤。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机械法制备粉体技术发展的关键。分级的概念非常广泛,本文主要针对与干式超细粉碎配套以空气为介质的气流分级设备作以简单的介绍。
目前国内生产上述分级机的企业有30多家,多数都是强制涡流式分级机,其种类主要有立式转子和卧式转子两种形式。根据中国粉体工业信息网的调统计,2002年的市场销售量约为130台套,贸易额约2400万。
分级设备是粉体加工设备的关键,为了满足各种要求,各种新型的机型在不断出现。
其发展趋势有以下几种:1、无运动部件、靠两相流沿定器壁的旋转流动所产生的离心力场进行分级的自由涡流式分级机:MC、DS等几种形式,切割粒径范围为1-300微米,分级浓度可达1000g/立方米,处理量为10~4000kg/h. 2、在分级过程前进行机械强力分散的牵制涡流分级机也是比较突出的机型,如清新公司SPC型涡轮分级机。其工作原理是:粉体进人分级机后,由分散叶片和圆盘两级分散系统充分分散,粗颗粒在转子的离心力的作用下抛向出口方向,细颗粒与由附属叶片产生的空气流混合,通过分级叶片后进人涡型管罩中,由布袋收尘器收集。分级机的切割粒径可通过改变转子速度或空气流速来调整。这种分级机的生产能力为108000kg/h,空气量为1为K =0.5(l叫!的细粉)至K 3、EJ附壁交叉射流式:它利用高速射流的附壁效应,同时将物料分成不同细度的四个等级,颗料在压缩空气的夹带下通过加料喷嘴进入分级机,流动中的颗粒轨迹是由颗粒惯量及空气阻力所决定的,能过附壁块曲线表面时由于附壁效应形成流动的偏向。因为每个铟粒根据其大小不同而惯童不一样,较小的颗粒具有较强的附壁效应而傥着附壁块表面流动,大铟粒因惯性大而被空气夹带得更远。颗粒将按大小不同形成―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。这种分级机也没有运动部件,对0.5-lOfzm范围的粉体其分级效率*篼,这种分级机单位体积的产量高,能力从lKg/h(实验室模型)到2000Kg/h,要求压缩机排量为2~100m3/min(相当于2.2~1171),切割粒径=0.5~50,分级点可自动地调整和控制。该分级机现有曰本MATSUBO公司在经营销售,广泛应用于对粒度分布要求严格的产品的加工过程中。2003年在中国已经有多台的销售业绩。
在超细粉体篼额利润的推动下,国内很多单位开发了多种多样的超细粉碎机和分级机,这些产品为填补国内空白做出了积极的贡献(第三部分将做介绍)。尽管质量和性能上与先进国家的产品相比还差一段距离,但因价格低,国产设备仍占主流,有些设备的性*能与进口设备差不了太多,而且根据国情并有所改进。从众多的设备中如何根据具体的工艺条件选好用好相关的设备不是件容易事。象计算机一样,硬件需要软件的配合,并非任何“超细”粉碎设备都能生产出质量符合要求,成本合理的“超细粉体”来。如普通球磨机被认为是不能用于超细粉碎的,然而在经过工艺参数调整后与超细分级机组成闭路系统仍可生产各类微米级超细粉体。这就是说:“系统工艺选定与设备同等重要,这是许多设备生产厂家和购买厂家容易忽视的问题。
在超细粉碎分级系统设计选用设备时应考虑以下几个方面的问题:随着相关行业的产品更新换代,市场上对粉体加工提出了更多、更特殊的技术要求,粉体表面改性和颗粒的整形就是其中之一。
粉体表面改性是随着客户对无机粉体填料表面有机化需求的增长而出现的。为了降低塑料橡胶、涂料的成本和改善性能,通常以粉体的形式将大量的工业矿物原料填充到制品中去的。矿物粉体经超细化后,由于其表面积增大、界面特性改善,使得它们在复合材料中的粘附力、均匀性及表面光泽性都大大提高;可以增加在塑料制品中的填充量。
为了达到更好的使用效果,改善复合材料中无机矿物颗粒表面与高分子聚合物的相容性,需要对这些无机矿物填料颗粒表面进行有机化处理。
超细粉体表面能大、表面活性高,单个超细颗粒往往处于不稳定状态,它们之间相互吸引导致颗粒团聚。这一现象又使得粉体比表面减小,表面活性降低。矿物表面具有亲水性,容易吸附水分;而有机篼聚物则属于增水性,两者相容性差,直接混合添加会造成分散不均,界面难以形成较好的粘接。因此,为了充分利用超细粉体的表面与界面特性,必须采取表面改性处理的方法,将颗粒表面有机化达到改善粉体特性的目的。
国内采用的改性设备主要有:1、篼速混合搅拌机:它从塑料行业引用过来的设备,其特点是结构简单,成本低,但属于间歌操作,改性效果不很理想,不能连续化生产。优点是设备简单,投资少,占地面积小,可与搅拦冷却设备配套组成批次作业系统。
2、高速三转子连续改性机:通过消化吸收国外技术的一种连续生产的改性设备,其特点是靠三个高速旋转的转子对物料进行篼速打散(线速度在100米/秒以上),改性药剂在自摩擦生热的作用下融化在粉体表面实现包覆改性,该设备无须外加热源,能连续化生产。但由于其运动部件与粉体作用时间较短,对较细粉体的改性效果不突出,仅靠自摩擦生热难以达到要求。优点是系统简单,投资小。
3、低速管式搅拌改性机:物料在被加热的一定的温度后,在通过有搅拌棒搅拌的筒体过程中被打散和输送;药剂多是以喷雾形式喷洒在粉体的表面,同时在搅拦的作用下对粉体进行包覆改性。搅拌棒的线速度约为30米/秒。优点同样是系统简单,投资小;缺点是对物料的分散效果差。
4、组合式的改性系统:主要由料仓、改性剂加药机、喂料螺旋、管式搅拌加热器、三转子高速打散机以及收集系统组成。它吸收了上述各种改性设备的优点,回避了各自的缺点。其艺流程是:未改性的普通粉从料仓通过螺旋给料机进人管式搅拌机,同时按一定比例加人改性剂。普通粉和改性剂在搅拌机中进行充分混合,同时通过搅拌机筒壁的导热油进行预加热从而实现初步改性。*终改性则由三转子高速打散机完成。物料在打散机中受到强烈冲击和剪切作用充分分散,同时由于激烈摩擦产生的热量完全满足反应需要的温度。改性完的产品在气力输送作用下由旋风和布袋收集器进行收集。在收集过程中通过与外界空气的热交换实现自然冷却。
5、湿法改性系统:充分利用超细矿物粉体在液体介质(水)中具有良好分散性的特点,将粉体的表面充分与药剂结合,实现改性剂与颗粒*大化的包覆。系统主要由原料搅拌混合、振筛过滤、高速强湍流分散器、压滤干燥和产品收集器组成。需要改性的物料在搅拌罐中进行混合,混合均匀后进人改性搅拌罐,同时按比例加人改性剂。在搅拌过程中对料浆进行加温,通过控制温度和搅拌时间实现改性过程。改性后的料浆进行干燥和打散,*后完成收集和包装。
改性后的产品将大大提高在塑料橡胶中的填充量,并在抗冲击、耐磨、导热性、阻燃等方面改善这些复合材料制品的性能。其应用和设备的市场在不断地扩大。根据中国粉体工业信息网对相关企业的调,国内开发这类设备的厂家不到10家,2002年的销售量大约在30余台套,平均系统售价在28万。
铟粒整形设备在复合材料需要密实填充的情况下往往要求填充的粉体没有明显的棱角,或者称之为球型化或类球型化。这种密实的填充将为材料带来许多新的性能:锂离子电池用的石墨颗粒,在整形后的振实密度可以达到1.1以上,可以起到降低电池的记忆效应延长寿命的效果;电子玻璃的焊接用粉料颗粒经过整形后,其流动性从45%提篼到75%以上,大大改善了由此配成浆料性能,提高焊接质量;磨料颗粒的整形,希望处理掉尖锐的棱角,由此可以延长和提篼磨料的磨削寿命和磨削能力;等等事例都说明高新技术产品对粉体原料的需求,不仅仅是粒度的粗细和分布,而且在颗粒微观的形状上也有越来越高的目标。
国内开发整形设备的研安单位和企业有清华大学、山东潍坊精华粉体设备公司、洛阳矿山机械研究院等单位。除在磨料行业外,尚未形成大的市场销售,但这是值得注意的发展动向。
了粉体技术界的极大兴趣,甚至吸引了电子、生物工程、材料、医药、涂料、冶金、化妆品等行业的技术人员投身于这项新课题的研究中来,“新材料的开发,必须从新粉体材料开始”逐渐成为大家的共识。
颗粒复合化设备是实现这一目的的的关键,其中具有代表性的Hybridization系统是日本奈良机械制造的利用机械力化学法对颗粒进行表面复合化的专用设备,可对各类有机物、无机物、金属等进行广泛组合,通用性很强,运用于许多行业领域,随着干法机械制备复合粉体的需求不断增加,这类系统的应用领域还将进一步扩大,可以预料这将成为粉体制备加工设备中新方向。清华大学已经从日本引进该系统装置,着手开展颗粒复合化工艺过程的研究。目前该设备在中国的销售尚未展开。
超细粉碎加工设备的一个重要的市场动向是系统的成套。随着社会专业分工的曰趋明显,粉体加工设备多数是以系统的形式成套供应的。在系统的配套组合时应该注意的有许多问题,其中主要的有两个:1、粉碎氛围的选择:超细粉碎是一个高能耗作业,在总体能耗和其它条件允许的情况下,尽可能选用湿式粉碎,它可以避多粉尘飞扬和降低粉碎温度。对有介质的球磨、振动磨和搅拌磨来说,采用湿法工艺的粉磨效率要高于干式,并能达到干式所达不到的细度。然而,对*终产品需要粉状物料的情况下,还要对粉磨泥浆进行脱水干燥,干燥后的产品容易形成二次密实团聚颗粒。在确定具体工艺时必须从能耗、设备投资、用户对产品的要求几方面统筹考虑。
为了防止物料氧化、吸潮或燃烧爆炸,则需要在真空或惰性气氛中进行粉碎/分级作业。惰性介质的选择对成本影响很大。从物料热特性和提高粉碎效率方面考虑,粉碎系统必须注意冷却问题,尽可能降低粉碎机内温度。
2、系统功能复合化:在设计超细粉碎/分级系统时,不应仅将其看成是单纯的超细粉碎/分级过程,而应该按用户需要给产品嬴予更多的功能,超细粉碎的同时给予它更多用户所希望的性能指标。在这种意义下自然出现了一机多用的问题,如粉碎/分级的同时对物料进行表面改性处理、干燥或深度脱水;与其他物料进行高均匀度的混合,对颗粒进行整形和除杂等作业。当然,一机多用应根据具体工艺的需要选择合适的设备。这有助于简化生产工艺流程,降低设备投资从而更篼的经济效益。如气流粉碎机中物料的滞留时间很短,温度又低,不易完成粉体产品的表面改性等作业,但颗粒以撞碰的形式进行粉碎,易产生较多棱角,有利于对颗粒整形处理,如用于微粉磨料的生产。我们在非金属矿物料超细粉碎/分级系统设计中选用了介质研磨的方式,通过添加助剂达到了在超细粉磨的同时完成对产品进行改性处理的目的,省去了高速搅拌机等表面活化处理专用设备,降低设备投资达到了较好的效果。
1大好的经济发展形势为粉体设备铺垫了良好的市场。
中国“人世”之后关税降低,贸易制裁等不平等关系消失,外贸渠道更加通畅。中国粉体产品和设备的相关企业参与国际化分工、必然带来全球产业结构的地区性调整。这将有利于中国来料加出口型工业、高能耗、劳动密集性、资源消耗性加工业的发展,如无机化工、非金属矿产等工业矿物的加工出口。加工业的发展,需要大量设备与工业原料的供应和技术支持,作为以粉体状态的固体原料和粉体加工设备,将会从中受益。
2标准需要规范,质量需要提高。
粉体产品进人国际市场,首先要求产品品质达到或接近国际行业标准。统一行业协调、制定适宜的标准是规范粉体加工业市场秩序的关键。先进标准将带动粉体加工业和设备制作业技术水平的整体提升,有助于贸易的有序化。
3放眼世界,企业国际化具有巨大的潜力。
现实为粉体系统设备企业提供机遇的同时,也提出了任务和问题:如何提升技术水平,如何尽快与国际市场接轨。国外粉体设备进人中国市场的*佳途径是生产的本土化,这为中国粉体工业技术的提升带来机遇。中国的通用粉体加工机械借助外企介入进人国际市场是近几年的突出现象。
4设备多样化、设计工艺个性化,规格系列化是粉体制备加工设备的重要发展方向,希望各位同人引起注意。