气流粉碎法制粉技术研究现状及问题

气流粉碎法制粉技术研究现状及问题
摘要：
粉末冶金是一种制取金属粉末，以及采用成型和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成制品的工艺技术。

其具有精度高、效率高、成本低的特点。

粉末冶金工艺的第一步便是制备粉末。

制粉技术分为很多方法例如：气流粉碎法、球磨粉碎法、涡旋研磨法、电化学腐蚀法、还原法、雾化法、旋转电极法、超速凝固法、溶盐沉淀法、水热法、电解法、热离解法、气相沉积法、溶胶-凝胶法、自蔓延高温合成法……本文将主要介绍气流粉碎法制粉技术的原理、设备、特点、效能分析及发展方向。

关键词：气流粉碎法；超细粉体；
一．气流粉碎法原理
气流粉碎是利用气流的能量进行粉碎的。

该方法广泛用于非金属矿物及化工原料等的超细粉碎，产品细度可达0.1~ 45微米.气流粉碎所用的装置，叫做气流粉碎机。

气流粉碎机又称气流磨(Fluid Energy Mill),或称喷射磨(Jet Mill)，是一种高效的超微粉碎设备。

与传统的机械式粉碎机原理不同，它是利用高压气体通过喷嘴产生的高速气流所孕育的巨大动能，使物料颗粒发生互相冲击碰撞，或与固定板(例如冲击板)冲击碰撞，达到粉碎目的的。

[1]
要使颗粒得到充分的粉碎，粉碎力是一个主要的作用力，气流是粉体颗粒获得能量和速度的动力，粉碎时颗粒所需要的粉碎冲击速度为:[10]
式中，σ-物料强度极限，
g-重力加速度，
E-弹性模量，
γ-物料重度，
ν-冲击速度
ε-冲击粉碎后的恢复速度。

从公式可以看出，物料颗粒冲击破坏所需要的速度与颗粒的强度极限、弹性模量及重度等机械性能有关，同时颗粒表面形态和结构形态也对冲击速度有很大的影响，但颗粒表面和内部总是存在着各式各样的缺陷，如裂纹、微孔等，能使应力高度集中，从而降低了颗粒的强度，但是在实际粉碎过程中还存在许多不可预测的因素，所以应使粉碎物料的冲
击速度相对大一些，这样才能保证所需的粉碎细度.
二．气流粉碎设备
气流粉碎机自20世纪30年代问世以来，经过许多研究者的努力，其结构不断更新，种类不断增多，先后出现了扁平式(或圆盘)气流磨、循环式气流磨、对撞式气流磨、流化床气流磨、靶式气流磨、超音速气流磨等。

但是无论哪种气流粉碎机，都是由一些基本部件如加料装置、工质分配室、喷嘴、粉碎室、成品收集器,废工质排出管等构成。

扁平式气流粉碎机其原理和结构具有一定的代表性，图 1为早期扁平式气流粉碎机示意图：[4]
其原理是压缩空气(空气、过热蒸汽或惰性气体)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定角度并分布在同一水平上的喷嘴，被高速射流喷人粉碎室，喷气流夹带着物料以极高的速度旋转，在粉碎室半径上形成流体动力特性梯度，物料颗粒之间以巨大的动量相互碰撞(约占粉碎量的80%左右)，又与粉碎室的内壁碰撞(占20%左右)而粉碎[77。

被粉碎粒子随旋转流高速旋转获得很大的离心力，又受到气流向粉碎室中心排出的向心力，两个力的方向相反，颗粒在这两个力的作用下分级。

因此，在圆盘式气流粉碎机内，粉碎和分级是同时进行的。

目前比较先进的是流化床对撞式气流粉碎机,生产此种气流粉碎机的主要厂家是德国
的Alpine公司(AFG型喷嘴水平设置，AFG-R型喷嘴三维设置)，日本、中国也有生产。

美国Majac公司研制的对撞式气流粉碎机是流化床气流粉碎机的先导，德国Alpine公司1981年也进行了成功的研制。

下图为流化床气流粉碎机(螺杆加料式)，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。

与对撞式气流粉碎机相比，具有分散
效果好、产品粒度可通过分级机进行调整、磨损小(因为通过喷嘴的介质只有空气)、能耗小、适合于大规模工业化生产等优点。

常用于医药、化妆品、高级陶瓷、磁粉等生产。

三．气流粉碎法的特点
经气流粉碎后的物料平均粒度细，粒度分布较窄，颗粒表面光滑，颗粒形状规整，纯度高，活性大，分散性好;可粉碎低熔点和热敏性材料及生物活性制品(因为气流粉碎机以压缩空气为动力，压缩气体在喷嘴处的绝热膨胀会使系统温度降低)。

气流粉碎设备在生产超细粉体方面已有取代机械式粉碎机的趋势。

气流粉碎已广泛应用于化工、农药、矿产、医药、陶瓷、电子、国防、日化、轻工、纺织、冶金、食品等行业，对农药可湿性粉剂、药品、化学试剂，各种填料、颜料、染料、粉末涂料、火箭推进剂、矿产品、固体润滑材料、化妆品、食品、有色金属等进行了有效的超微粉碎，使这些物料及关联产品的质量(如粒度、悬浮率、溶解度、遮盖力、着色力、药效、吸油率、润滑性、绝缘性、粗糙度等)有明显的提高，取得了巨大经济效益和社会效益。

但同时应用气流粉碎法工艺生产时出现的一些问题也不容忽视。

首先是噪音问题。

[8]
研究及生产实践都表明，气流速度越高，所获得的产品越细。

当要获得超细产品时，气流的速度必须超音速。

为了获得更细的产品，人们已经将气流的速度提高到2-5个马赫数。

然而，随着气流速度与马赫数的增加，高速气流所产生的噪声增大，尤其是对于直接排料接料的圆盘式气流粉碎机，当气流速度超过3个马赫数时，出料口附近的噪声实际值达130 dB (A)以上，严重地影响了操作人员的身心健康，使听力衰退、心慌，而且这种听力损伤是不能恢复的。

嗓声使人精力不能集中，注意力分散，往往易导致事故发生。

由于气流粉碎机本身结构特殊，即排气口同时用于高压气体的排出和超细粉体产品的排出，因此要求消声器的设计既能降低噪声又不影响出料，这对消声器的结构设计提出了十分严格的要求。

目前通常在出料口处接多级旋风分离器和大的除尘设备以及抽风机等辅助设备。

其次是超音速气流粉碎机制造超细粉体的安全问题。

[5]
包括可能导致呼吸性尘肺病和粉尘爆炸。

超音速气流粉碎机碎样所得的粉尘粒径基本在5μm以下，而5μm以下的粉尘对人体的危害最大。

因此，使用超音速气流粉碎机碎样操作者患尘肺职业病的几率会明显增加。

同时粉尘大规模地散布于空气中形成粉尘云后，还有可能发生粉尘爆炸。

因为超音速气流粉碎机碎样过程中未捕获的粉尘粒子具有合适的粒径和分布状态：一般粒径小于5μm，在空气中的分散稳定性好，极易达到爆炸极限。

如果在这些粒子周围有足够助燃空气并具备其最小点火能，那么就容易发生粉尘爆炸。

而且由局部粉尘云爆炸产生的冲击波使大量的沉积粉尘飞扬并与空气混合，还有可能形成二次爆炸。

由于粉尘爆炸具有能量大、破坏严重、爆发时间短等特点，容易引起不完全燃烧，从而产生大量一氧化碳气体使人员中毒。

因此，粉尘爆炸的后果也是极其严重的。

为了尽可能地减少粉尘危害，除采用除尘设备和进行防护外，还需要实施以下管理措施: (1)增加作业区湿度、加强通风换气、储备灭火器材等。

（2）由于粉尘在制造过程中稍有漏缝，粉尘就会冒出，造成作业区污染。

因此，应确保接头处的密闭性。

（3）按规定为操作人员配置防护用品，操作人员也要养成习惯按规定正确佩带防护用品。

（4）对现有防尘设备做好维护管理!保证其正常运行，发挥防尘作用。

同时要投入资金，进行技术改造，提高防尘设备的防尘效率和作业自动化水平。

四．气流粉碎效能分析
1 气流速度对粉碎效能的影响
所谓气流速度即为空压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，物料所受的应力超过其自身脆性强度极限或疲劳强度极限时，物料即发生脆性粉碎或疲劳粉碎，二者中以脆性为主，疲劳为辅.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，对提高物料粉碎效果是有利的。

但是，欲提高气流速度势必要增加能源消耗；同时，当气流速度高到某一值时(物料不同，该速度值不同)，粉碎效率不但不再上升反而呈下降趋势，如图2所示.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.
2.喷嘴效能分析
如前所述，适当地提高喷嘴处的气流速度对粉碎效果是有利的.此外，喷嘴的结构形式也对粉碎效能产生影响.喷嘴的结构形式很多，但通常使用的是Laval喷嘴，原因是该种喷嘴可以在不增加能源消耗的情况下使气流的速度增至音速或超音速 ,当喷嘴处的气流达到或超过音速时，所通过的流量已与粉碎室的内压无关。

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。

理由是气流粉碎是颗粒之间的相互碰撞，与喷嘴等不发生任何连带关系。

但是实际生产中由于频繁或正常的开机、停机都会导致物料颗粒吸入喷嘴内部，加之周围环境及物料干燥程度的不同，细微的物料颗粒或成饼状贴附于喷嘴内腔，日积月累，逐渐缩小或阻塞喷嘴口径；或以呈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流速,影响粉碎效能.同时个别喷嘴的变异，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，最终导致粉碎效能的下降.
3.管路效应
对于流化床式气流粉碎,由于其属于干式粉碎，因此必须特别注意系统中尤其是气动管路中水份油份的影响.虽然气源中的后冷却器、滤气器、油水分离器、冷冻干燥器等已经去除压缩空气中相当数量的水份油份，但是由于加工设备所处环境的差异，(南方的潮湿、北方的寒冷)会使管路内外产生温差效应，使管路内部结水、结雾或结霜，生产过程中便有可能成为雾滴在管道中流动，如果进入粉碎室或分级室势必造成物料颗粒湿润、团聚，增加粉碎及分级的困难，降低生产效率，增加能耗，甚至引发机器故障.因此适当在管路的关键部位安装排油排水装置，配管时按照气路的规范要求去做，以避免可能引发的粉碎室、分级室潮湿所带来的团聚现象加重、粉碎效率、分级效率低下、能源消耗过大的状况发生.[2]
五．气流粉碎法的发展方向
信息技术、生物技术和新材料技术的发展对粉体产品的粒度、纯度和粒度分布提出了
更高的要求，而且尽可能地节约能源、减少环境污染。

为了满足社会生产的需要，超细粉
碎技术面临着严峻的挑战。

近几年在气流粉碎基础理论研究方面有了很大的进步。

但是，
很多方面还需要完善:[3]
a. 超音速粉碎流场的实验研究有必要加强。

高粉碎速度给流场的直接测量带来了极大的困难，因此应加强测试仪器的研究。

b. 目前将蒸汽作为工作介质的粉碎设备少，从而对以蒸汽在粉碎机的影响过程的研究很少，可充分利用蒸汽工作介质的优势，实现粉碎设备的大型化。

c. 在气流粉碎参数优化模型的建立方面还很欠缺，从而给粉碎设备的完善和优化设计带来了困难。

d. 深化混合、干燥、造粒、包覆等工艺与粉碎联合进行。

软质材料的粉碎是粉碎技术的一大难题和研究重点。

因此，为了满足现代工业的发展需要，加强基础理论研究，优化设备
的设计迫在眉睫。

参考文献:
[1] 言仿雷; 超微气流粉碎技术; 材料科学与工程第18卷第4期;
[2] 杨云川，李国康; 超细粉体气流粉碎技术探析; 化工矿物与加工2002年第6期;
[3] 李均 ; 超细气流粉碎基础理论的研究现状及发展 ; 化工机械 2004年;
[4] 陈文梅; 超细气流粉碎设备的现状及发展趋势; 化工装备技术第26卷第1期;
[5] 朱常龙,任常兴,许永胜; 超音速气流粉碎机生产超细粉体的安全问题探讨; 安全与
环境工程, 第10卷第3期;
[6] 蔡艳华; 超音速气流粉碎技术应用研究新进展; 化工进展 2008年第27卷第5期;
[7] 吕方；国内气流粉碎设备；中国非金属矿工业导刊 2006年第1期；
[8] 刘宏英; 降低气流粉碎过程中噪声强度的研究; 环境工程 2003.12.第21卷第6期;
[9] 沈志刚; 气流粉碎对粉体颗粒形状的影响；中国粉体技术，2000年10月；
[10] 刘维平; 气流粉碎法制备超细微粉的研究; 化工冶金增刊 1999 20卷；
[11] 赵玉梅;双圆盘气流粉碎机的应用研究; 现代机械 2009年3期；。