粉体物料形状与干法造粒的关系

粉体物料形状与干法造粒的关系
摘要:
造粒是粉体技术的一个重要部分，各类粉状、块状、溶液和熔融状原料制成具有一定形状和强度的固体颗粒过程都属这一类。

干法挤压造粒是目前我国粉体工业中压力成型法造粒的主要方法。

在千法造粒过程中，粉末是在限定的空间中通过施加外力而压紧为密实状态的。

造粒成功与否，一方面取决于施加外力的有效利用和传递，另一方面也取决于颗粒物料的物理性质。

本文主要阐述粉体颗拉形状与干法挤压造粒的关系和影响。

关键词:粉体物料;颗粒形状;干法挤压造粒
1概述
造粒，是粉体技术的一个重要部分，各类粉状、块状、溶液和熔融状原料制成具有一定形状和强度的固体颗粒过程都属这一类。

广义的说，任何使小颗粒聚成较大实体的过程都可以称为造粒过程。

这一过程可以改善细粉物料后处理加工及最终产品团聚操作的有效性。

造粒技术有近两百多年的发展，有关技术可追溯到古代成型过程，如砖、瓦等建筑材料的制备过程;捶打可塑性金属的成型过程，各种型式的药剂成型过程等，在十九世纪工业化过程中，由于对煤粉与细矿处理的需要，团粒过程走向大规模生产。

本世纪初，造粒技术成了许多工业生产过程中的基本过程。

到三十年代，发展尤为迅速，其主要原因为:
1.农业的高发展需要使用高质量的氮肥，而非颗粒状氮肥易产生很坏的结块现象。

2.原材料质量的下降，必须磨碎后除去杂质，而后对高品位材料进行团粒。

3.环境因素，包括对回收粉尘的处理和使用较粗颗粒炉料，以避免粉尘和烟雾对空气的污染。

4.自动化的高强度生产，要求给料具有很好的流动性。

5.现代食品向速溶或方便化发展。

造粒作业的目的和带来的好处大致可分为以下几点:(1)将物料制成理想的结构和形状;(2)为了准确定量、配剂和管理;(3)减少粉料的飞尘污染;(4)制成不同种类颗粒体系的无偏析混合体;(5)改进产品外观;(6)防止某些固相物产生过程中的结块现象;(7)改善分离状原料的流动特性;(8)增加粉料的体积质量，便于储存和运输;(9)降低有毒和腐蚀性物料处理作业过程中的危险性;(10)控制产品的溶解速度;(11)调整成品的空隙率和比表面积;(12)改善热传递效果和帮助燃烧;(13)适应不同的生物过程。

2粉体造粒技术分类
一般地，造粒的最初原料是细粉粒子，而产品是团粒(块)，在此团粒中，仍保持了原始细粉粒子的某些特性。

但情况也并非都如此，因为颗粒形状可由流动的固体，还可由浓泥浆(悬浮物)干燥、冷却制得。

一般操作所形成的产品应是坚固稳定的物质，但有些应用中，秩序十分微弱和瞬时的粘结性，团粒的强度仅满足后续工序的需要即可。

如在速溶食品和片剂的制备中，微弱的粉末团粒即可满足要求。

同时，在某些颗粒材料的产生过程中，造粒操作是一辅助过程，其主要目的可能是干燥(如喷雾干燥)，也可能是废物处理(如流化床焚烧炉)。

为使粉体粒化，在细粉料之间必须产生连接力。

粉粒间的链接作用分为5类:
1.固体链接:在一定的温度条件下，在分离的相互接触点上，由于分子的相互扩散而形成连接两个颗粒的固体链。

2.毛细血管作用:在液体链中，毛细管压力能够使颗粒与颗粒之间形成较强的结合力。

这种力在液体被蒸发后就会消失。

3.粘接力和粘附力:高粘度的结合介质，如沥青和其他高分子有机液体能够形成很类似固体链的连接。

4.固体颗粒之间的吸附力:固体颗粒之间的吸引力有范德华力、静电力和磁场力，如果两个颗粒靠的足够的近，这些力就能把颗粒牢固地结合在一起，颗粒越小，这种结合力越明显。

5.颗粒表面凹凸交错的结合力:纤维状、薄片状或形状不规则的颗粒互相接触、碰撞、重叠在一起时，形成相互交错并结合在一起。

现有粉体造粒技术可分为4类:
1.搅拌法造粒:是将某种液体或粘结剂渗人固态细粉末中并适当地搅拌，使液体和固态细粉末相互密切接触，产生粘结力而形成团粒。

最常用的搅拌方法是通过圆盘、锥形或筒形转鼓回转时的翻动、滚动以及帘式垂落运动来完成。

根据成型方式又可分为滚动团粒、混合团粒及粉末成团。

典型的设备有造粒鼓、斜盘造粒机、锥鼓造粒机、盘式造粒机、滚筒造粒机、捏合机、鼓式混料机、粉末掺合机(锤式、立轴式、带式)、落幕团粒机等。

搅拌法的优点是成型设备结构简单，单机产量大，所形成的颗粒易快速溶解、湿透性强，缺点是颗粒均匀性不好，所形成的颗粒强度较低。

2.喷雾和分散弥雾法:该法是在特定设备中，使处于高度分散状态的液相或半液相物料直接成为固体颗粒。

这种造粒设备有喷雾干燥塔、喷雾干燥器、造粒塔、喷动床和流化床干燥器以及气流输送干燥器等。

这种喷雾和分散弥雾造粒法的共同特性为:液态进料必须是可用泵输送的和可弥散的;造粒过程通常应为连续、自动化的以及大规模的操作;造粒系统必须设计成能回收或循环使用料末，以解决物料的磨损消耗和粉末夹带现象;产品粒度一般限制在Slnln以下。

这类设备的优点在于物料的造粒过程和干燥过程同时进行。

该设备可广泛应用于制药、食品、化工、矿业以及陶瓷工业等。

其缺点是颗粒强度较低，粒度较小。

3.热熔融成型法:热熔融成型法是利用产品的低熔点特性(一般低于3℃)，将熔融物料通过特殊的冷凝方式，使其冷凝结晶成所要求的片状、条状、块状、半球状等形状。

根据成型设备工作原理，主要可分为转鼓结片机和回转冷带落模成型装置。

4.压力成型法:该法是将要造粒的粉体物料限定在特定空间中，通过施加外力压紧为密实状态。

根据所施加外力的物理系统不同，压力成型法又可分为模压法和挤压法。

典型的模压法设备有重型压块机、台式压榨机、混凝土块压制机、压砖机、重型制片机等。

其优点是可制造较大的团块，所制成的物料也有相当的机械强度，缺点是设备的适用范围较小，对有的物料不易脱模。

这类设备多用于建筑、制药等领域。

挤压法造粒是目前我国粉体工业中压力成型法造粒的主要方法。

挤压法造粒设备根据工作原理和结构可分为真空压杆造粒机、单(双)螺杆挤压造粒机、模型冲压机、柱塞挤压机、对辊式挤压机、对齿式造粒机等。

这类设备可广泛适用于石油化工、有机化工、精细化工、医药、食品、饲料、肥料、染料、塑料助剂、色母粒、橡胶助剂等等领域。

该法具有适应能力强、产量大、
粒度均匀、颗粒抗压强度好、成粒率高、散落性和分散性强等优点。

3粉体物料颗粒形状性质
在用压力法进行造粒过程中，粉末是在限定的空间中通过施加外力而压紧为密实状态的。

产生稳定团聚的力有絮团的桥连力、低粘度液体粘结力、表面力和互聚力。

团聚操作的成功与否，一方面取决于施加外力的有效利用和传递，另一方面也取决于颗粒物料的物理性质。

颗粒形状是指一个颗粒的轮廓边界或表面上各点所构成的图像。

颗粒形状直接影响粉体的其他特性，如流动性、填充性等，亦直接与颗粒在混合、贮存、运输、烧结等单元过程中的行为有关。

工程中，根据不同的使用目的，人们对颗粒的形状有不同的要求。

例如，用作砂轮的研磨料，要求颗粒形状具有棱角，表面粗糙;高速干压法成型的墙地砖坯粉，要求在模具中填充迅速、排气顺畅，故以球形粒子为宜;混凝土集料则要求强度高和紧密的填充结构，因此碎石的形状希望是正多面体。

反过来，颗粒形状因形成的过程不同而不同，例如，简单摆动式额式破碎机会产生较多的片状产物;喷雾干燥制备的粉料则多为球形颗粒。

因此，对各种颗粒形状需要定量加以描述，以示区别。

另一方面，在理论研究和工业实际中，往往将形状不规则的颗粒假定为球形，以方便计算粒径，实验结果也容易再现。

正因如此，从而成为理论计算与实际情况出人很大的主要原因之一。

所以一般需将有关理论公式中的颗粒尺寸乘以表示外形影响的系数加以修正。

4干法制粒：
它是干粉经挤压、破碎、整粒，制成所需干颗粒的过程。

使用的设备就是干法造粒机。

关于干法造粒机的讨论，本楼主查遍了百度、谷歌等网站，未找到类似的阐述干法造粒机缺陷及改进的文献。

究其原因，可能是大家关注的不多，另外，这种设备的使用用户相对也不多。

干法制粒优点：
将粉体原料直接制成满足用户要求的颗粒状产品，无需任何中间体和添加剂，造粒后产品粒度均匀，堆积密度显著增加，即控制污染，又减少粉料浪费，改善物料外观和流动性，便于贮存和运输，可控制溶解度、孔隙率和比表面积等。

4（1）、干法造粒作业的目的以下几点：
1.将物料制成理想的结构和形状；
2.为了准确定量、配剂和管理；
3.减少粉料的飞尘污染；
4.制成不同种类颗粒体系的无偏析混合体；
5.改进产品外观；
6.防止某些固相物产生过程中的结块现象；
7.改善分离状原料的流动特性；
8.增加粉料的体积质量，便于储存和运输；
9.降低有毒和腐蚀性物料处理作业过程中的危险性；
10.控制产品的溶解速度；
11.调整成品的空隙率和比表面积；
12.改善热传递效果和帮助燃烧；
13.适应不同的生物过程。

4（2）、粉体物料颗粒形状性质
自然界中和工业生产中遇到的颗粒并非理想的规则体，如球形，其形状是千差万别的：球形(spherical)、立方体(cubical)、片状(platy，discs)、柱状(prismoidal)、鳞状(flaky)、粒状(granular)、棒状(rodlike)、针状(needle-like，acicular)、纤维状(fibrous)、树枝状(dendritic)、海绵状(sponge)、块状(blocky)、尖角状(sharp)、圆角状(round)、多孔(porous)、聚集体(aglomelate)、中空(hollow)、粗糙(rough)、光滑(smooth)、毛绒的(fluffy，nappy)。

用数学语言描述的几何形状，除特殊场合需要三种数据以外，一般至少需要两种数据及其组合。

通常使用的数据包括三轴方向颗粒大小的代表值，二维图像投影的轮廓曲线，以及表面和体积等立体几何各有关数据。

习惯上将颗粒大小的各种无因次组合称为形状指数(shape index)，立体几何各变量的关系则定义为形状系数(shape factor)。

1 形状指数
1)均齐度(proportion)
颗粒两个外形尺寸的比值——长短度(elongation)N和扁平度(flackiness，flatness)M可以根据三轴径L、B、T之间的比值导出：
长短度N=长径/短径=L/B (≥1)
扁平度M=短径/厚高度=B/T (≥1)
当L=B=T时，即立方体的上述两指数均等于1
2)充满度(space filling factor)
体积充满度Fv，又称容积系数，表示颗粒的外接直方体体积与颗粒体积V 之比，即：
Fv=LBT/V(≥1)
Fv的倒数可看作颗粒接近直方体的程度，极限值为1。

面积充满度Fb，又称外形放大系数，表示颗粒投影面积A与最小外接矩形面积之比，即：
Fb=A/LB (≤1)
3)球形度(degree of sphericity)
球形度或称真球度，表示颗粒接近球体的程度：
ψ0=πDV2/S (≤1)
DV=(6V/π)1/3
式中DV表示颗粒的球体积相当经，S为颗粒表面积，V为颗粒的体积。

对于形状不规则的颗粒，当测定其表面积困难时，可采用实用球形度，即：ψ0′=与颗粒投影面积相等的圆的直径/颗粒投影的最小外接圆的直径(≤1)
4)圆形度(degree of circularity)
圆形度又称轮廓比，表示颗粒的投影与圆接近的程度：
ψc=πDH/L
DH=(4A/π)1/2
L表示颗粒投影的周长。

5) 圆角度(roundness)
表示颗粒棱角磨损的程度，其定义为：
圆角度=∑ri/NR (≤1)
式中ri——颗粒轮廓上的曲率半径；R——最大内接圆半径；N——角数。

2 形状系数
1)表面积形状系数
Фs=颗粒的表面积/(平均粒径)2=S/dp2 (＞1)
2)体积形状系数
Фv=颗粒的体积/(平均粒径)3=V/dp3 (≤1)
3) 比表面积形状系数
Φ=表面积形状系数/体积形状系数=Фs/Фv (＞1) 对于球形颗粒，上述三个形状系数分别为：
Фs=πd02/d02=π
Фv =πdo3/6d03=π/6
Φ=Фs/Фv =6π/π=6
必须指出的是，由于颗粒的粒径表示方法很多，因此采用不同的粒径表示方法可以定义出不同的形状系数。

另外，粒径值又与粒径的测量方法有关，因此形状系数的数值亦随测量方法不同而异。

所以，在使用形状系数时，一定要注意颗粒径的具体表达形式。

4) 粗糙度系数
前述的形状系数是个宏观量。

如果微观地考察颗粒，会发现粒子表面往往是高低不平的，有许多微小裂纹和孔洞。

其表面的粗糙程度用粗糙度系数R来表示：
R = 粒子微观的实际表面积/表观视为光滑粒子的宏观表面积(＞1)
颗粒的粗糙程度直接关系到颗粒间和颗粒与固体壁面间的摩擦、粘附、吸附性、吸水性以及孔隙率等颗粒性质，也是影响造粒操作设备工件被磨损程度的主要因素之一。

因此，粗糙度系数是一个不容忽视的参数。

5结论:
粉体颗粒形状对由干法挤压造粒机制得的颗粒的抗压强度有很大影响:
1.粉体颗粒球的形状越趋近于球体，即粉体颗粒的球形度越大，挤压制得的颗粒的抗压强度越小;粉体颗粒的形状越复杂，即粉体颗粒的球形度越小，挤压制得的颗粒的抗压强度越大。

2.粉体颗粒为正球体时，挤压成粒效果不如其它形状的粉体。

3.当粉体存在粒径分布时，其制得的颗粒的抗压强度要高于均一粒径粉体制得的颗粒。