气流磨粉碎原理在棕色陶瓷颜料生产中的应用

摘　要：对扁平式气流磨粉碎原理进行研究，以棕色陶瓷颜料为粉碎物料，探讨工质压强，加料速度，喷嘴角度及喷嘴孔径对物料加工的影响，从而确定粉碎这一物料的工艺参数。

关键词：扁平式气流磨 粉碎效能 加料速度 工艺参数

中图分类号：TQ1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（a）-0086-02

随着现代化工业及高新科技的发展，超细粉碎技术已成为最主要的工业矿物及其它原料深加工技术之一。超细粉体由于粒度细、分布窄、质量均匀、缺陷少，因而具有比表面积大、表面活性高、化学反应速度快、溶解度大、烧结温度低且烧结体强度高、填充补强性能好等特性及独特的电性、磁性、光学性能等，广泛应用于高技术陶瓷、陶瓷釉料、微电子及信息材料等高技术和新材料产业[1]。客户对陶瓷颜料产品的要求越来越高，要求它们具有极细的颗粒、极高的纯度、严格的粒度分布、一定晶形等。要达到这一要求，传统的机械粉碎如球磨机、雷蒙磨等设备已无能为力。气流粉碎、气流分级技术，在超细粉碎工程中所占的地位也越来越明显。我公司采用扁平式气流磨超细陶瓷颜料，棕色陶瓷颜料是公司主要产品之一，所以，研究其加工工艺参数对粉碎效果的影响，并最终确定最优工艺参数是非常必要的。

1 气流磨

制备粉体离不开粉碎设备，气流粉碎设备能量利用率较一般机械设备高，适用于干法生产超微粉体。气流磨是一种技术较成熟的干式超细粉碎设备，可省去物料的脱水、烘干等工艺，其产品纯度高、活性大、分散性好、粒度细分布较窄、颗粒表面光滑，所以气流磨在粉碎行业很受欢迎，广泛地应用于非金属矿、化工原料、颜料、磨料、保健药品等行业的超细粉碎中。

气流磨又叫喷射磨或能流磨，是一种较成熟的超细粉碎设备，它利用高速气流（300～500m/s）或过热蒸汽（300～400℃）的能量使颗粒相互产生冲击、碰撞和摩擦，从而导致固体物料粉碎。工业型气流磨自20世纪40年代初问世以来，发展很快，机型正由最初的水平圆盘式或扁平式发展到循环管式、对喷式、塔靶式和流化床对喷式等五大类，规格达十几种[1]。

扁平式气流磨，是工业上应用最早和最广泛的气流粉碎磨机，我公司超细粉碎多采用扁平式气流磨。

2 扁平式气流磨粉碎原理

物料的粉碎过程，实际是在粉碎力的作用下，块状和粉状物料破裂的过程。气流粉碎则是高速气流，使物料加速获得足够的动能，在混合加速的过程中，分散于湍流中的物料相互碰撞、摩擦、从而达到粉碎目的。

压缩空气通过加料喷射器的高速射流所产生的负压使物料吸入混合室，通过与粉碎室半径方向成一角度并分布在同一水平上的喷嘴，被高速射流喷入粉碎室，喷气流夹带物料以极高的速度旋转，在粉碎室半径上形成流体功能特性梯度，物料颗粒之间以巨大的动量相互碰撞，又与粉碎室的内壁碰撞而粉碎，被粉碎粒子随旋转流高速旋转获得很大的离心力，又受到气流的向粉碎室中心排出的自心力，两个力的方向相反，颗粒在这两个力的作用下分级，扁平式气流磨机内，粉碎和分级是同时进行的。

3 影响扁平式气流磨粉碎的因素

影响气流磨粉碎的因素主要是物料的物性、粉碎的物性、粉碎时的工艺参数及操作条件等。物料的硬度、脆性、温度进料粒度及其分布都直接影响粉碎的细度和产量。硬度大的不易磨细，软而粘的物料易堵塞加料喷管和粉碎室，也不易粉碎，进料粒度直接关系到出料的粒度和产量。粉碎时气体压力及流量的大小，加料速度等工艺参数的确是很重要的，任何一个参数变化都会影响到出料的细度及产量。正常情况下进气压力恒定时，提高加料速度会使出料量提高，颗粒粒度增大，反之，则会使出料量降低，颗粒粒度减小。另外气流磨喷嘴的结构形式、喷嘴的布置也是影响气流磨粉碎效率的重要因素之一。下面就影响的各因素进行分析。

3.1　喷嘴的结构及布置对粉碎效能的分析

喷嘴的结构（孔径大小、开孔形式）对气流速度产生影响，从而影响旋流中的粒子碰撞，对粉碎效果产生影响，另外，喷嘴必须在同一平面上且在粉碎室半径方向成一定角度均匀分布。

T角增大，粉碎区变小，有利于颗粒细化，但过大，各喷嘴气流将严重冲刷粉碎室内壁。

适当提高喷嘴处的气流速度，对粉碎效果是有利的。喷嘴的结构形式也对粉碎效能产生影响。现实生产中，喷嘴一经加工安装完毕投入生产后，便被认为特性保持不变。虽然气流粉碎是颗粒之间的相互碰撞，与喷嘴等不发生径向关系，但在实际生产中由于喷嘴材料、加工精度和正常的磨损，喷嘴的孔径会发生变化。另外，频繁的开停机，会使物料颗粒吸入喷嘴内部，细微的物料颗粒或成饼状贴附于喷嘴内腔，长时间会逐渐缩小或阻塞喷嘴口径，或因二次团聚后的较大颗粒高速冲击、碰撞喷嘴，造成喷嘴内部磨损或剥蚀，使喷嘴内部形状发生变化，这将严重影响气流通过喷嘴的气流速度，影响粉碎效能。同时，个别喷嘴的变异或堵塞，造成几条并联喷嘴气路的流速不平衡，将影响整个粉碎室内的原有流场分布，最终导致粉碎的细度、粒度分布，使粉碎效率下降。

3.2　进料速度对粉碎效能的分析

进料速度要适当、均匀，最重要的是保证物料粉碎室内能源源不断的得到物料的供给，满足粉碎室内物料的一定浓度。实践证明，无论物料浓度偏低，还是物料浓度过高，对气流粉碎的产量都会造成不良的影响。物料浓度低，物料间接接触碰撞的机率小，物料浓度高，将影响气流速度，两者都不利效率提高，应视气压、物料特性、机体自身的特性及检测结果而定。不同规格的气流粉碎机对于某一确定物料，都有一最佳的加料速度。为使粉碎产品质量稳定，特别要注意加料量的均匀性，一般认为加料量变化幅度不大于2％。

3.3　气流速度对粉碎效能的影响

所谓气流速度，即为空气压缩机所输送的气体通过喷嘴进入粉碎室的速度，由极限粒度理论分析可知，物料所受的压力超过自身脆性极限或疲劳极限时，物料即发生脆性粉碎或疲劳粉碎，二者中以脆性为主，疲劳这辅。脆性粉碎较易，时间较短，疲劳粉碎较难，时间较长。因此提高喷嘴处的气流速度，对提高粉碎效果是有利的。

但是，欲提高气流速度势必要求提高能源消耗，同时当气流速度高到某一物值时（物性不同，该速度值不同）。粉碎效率不但不再上升反而呈下降趋势。因此单纯提高气流速度对能源消耗，粉碎效率等也是不利的。

3.4　物料特性对粉碎效能的分析

物料的性能直接影响物料的粉碎效果。物料的基本性能有以下几个方面。

（1）几何特性：颗粒大小、颗粒形状、物料的比表面积、孔隙度及空隙度。

（2）物料的物理性能：粉碎加工性、粉体流动性、摩擦性、团聚性、结块及粘结性等。

（3）物料的化学和电解性：固体物料的化学性能，导电性及静电等物料的强度、硬度、宽度、结构的均匀性、含水量、粘性、裂痕、表面情况以及形状因素有关。一般物料的硬度强度大时不易粉碎，易团聚的不易粉碎。

3.5　物料温度对粉碎效能的分析

物料的热性质，化学性持与粉碎性之间有密切关系。物料的热膨胀系数不同，有的物料加热后，可降低物料的细度，从而提高粉碎效能。而对于融点、软化点低的热可塑性材料和因温度上升而失去结合水由氧化作用而变质的材料，以及常温时强韧，低温时脆性化的材料，适宜采用低温粉碎[2]。

4 生产应用

根据扁平式气流磨的粉碎原理及对影响粉碎效能原因分析，应用于棕色陶瓷颜料的生产实践中。

（1）经常检查喷嘴的磨损情况，发现喷嘴孔径变化、变形的要及时更换。更换时喷嘴要求结构尺寸精确，材料和粗细度达技术要求，喷嘴的布置及角度，一经安装投入生产即认为特性保持不变。

（2）对一确定物料，都有一最佳的加料速度，掌握好加料量的变化幅度，严格控制进料速度，以保证粉碎室的物料的浓度，有利于粉碎效率的提高。

（3）加强空压机及管道的维护保养，保证在动力不增加的情况下，尽量供给的空气压力要大，这样才能提高气流速度，增大粒子间的碰撞速度，达到提高粉碎效率的目的。

（4）对进入气流磨的原始物料要尽可能的细，一般在100μm以下，要求前期对物料进入初粉碎，以便提高粉碎效率。

（5）经实际生产的验证，气流温度高对棕色陶瓷颜料的粉碎有利。对此物料进行气流粉碎时，由往复式空压机提供空气源（不使用单螺杆空压机）。

综上所述，现下关键的是掌控气流速度和进料速度。当空压机工作正常，提供的空气压力恒定时，关键是进料速度的掌控。下面对此物料在其它条件不变的情况下，不同进料速度和不同压力下进行粉碎效能比较。

5 实验装置与方法

5.1　原料及实验条件

实验用实际生产中的350扁平式气流磨，物料以公司主要生产品种之一的棕色陶瓷颜料，进入气流磨前此物料的粒度在100μm以下，空气压缩机的压力在6.5～8×105Pa之间，粒度测定仪用LS-POP激光粒度分析仪，功耗采用三相电度表测量。

5.2　实验方案

在实验过程中，采用三水平正常设计安排实验，加料速度，空气压强分别排在一、二列上，三水平为：加料速度80kg/h、100kg/h、120kg/h，空气压强分别为6.5×105Pa，7×105Pa，7.5×105Pa。粉碎效果的评价用两种方法：（1）粉碎检验：用粉碎产品颗粒的中位径表示，最大颗粒粒径不超过10μm。（2）比功耗：由所测产品的粒度分布，功率消耗和加料量来计算比功耗。

6 实验结果与讨论

为了确定最优工况，希望d50越小越好，比功耗率越小越好。因这两个测量因素不可能达成一致，所以根据比功耗（质量合格）确定最优工况，确定工艺参数。

具体测试结果如表1所示。

对测试结果进行分析：加料速度增加时，d50增加，最大颗粒粒径增大；空气压强增大时，功耗加大。由于对物料的要求是d50尽可能小，粒度分布越窄越好，但颗粒最大粒径不能超过10μm。这样综合考虑在空气压强为7.5×105Pa，加料速度为100kg/h时为最优工况。

附粒度检测表：

实验1：120kg/h7.5×105Pa

实验2：100kg/h7.5×105Pa

实验3：80kg/h7.5×105Pa

7 结论

通过实验、研究可以得出下面几点结论：

（1）350扁平式气流磨粉碎后物料的粒度分布，随进料速度的增加而变宽。

（2）350扁平式气流磨可对棕色陶瓷物料进行微粉碎，可以满足对此物料细度的要求。

（3）为满足质量要求，最佳工艺参数为进料度100kg/h空气压强为7.5×105Pa。

（4）因为在实际生产中测得数据，所以可以在以后实际生产中按此参数进行实际生产。

参考文献

[1] 郑水林.超细粉碎[M].中国建材工业出版社，1999.

[2] 卢寿慈.粉体加工技术[M].中国轻工业出版社，1999.4.