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国内外超细磨矿和分级设备进展pdf

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  国内外超细磨矿和分级设备进展 杨俊平 (北京矿冶研究总院100044) 摘要超细粉体技术是一门多学科交夏的综合技术,随着其研究和应用的迅速发展,与其有关的设备的研制也取得了很 大的进展,本文着重就国内外最近几年出现的一些新型或改进型的,有发展前途的超细粉磨和分级设备及其在新的应用领域 的发展情况作以介绍,和大家共同探讨。 关键词超细粉磨设备超细分级设备 概述 相结合来制备超细粉体的新工艺和新设备;3.研究 随着科学的发展和技术的进步,超细粉体的应 新的分级理沦和设备。并趋向于把磨机与分级机或 用范围越来越广,发展也十分迅速。对超细粉体技 干燥机等作成一个整体设备来达到降低能耗和生产 术的研究涉及到化工、材料、食品、生物工程、电子、 成本,提高生产效率的目的;4.对传统的超细粉磨设 航天、机械、控制、物理、化学、力学等等诸多学科和 备和分级设备进行改造以提高生产能力。本文将着 领域,因此,超细粉体技术是一门多学科交叉的综 重就国内外最近几年出现的一些新型或改进型有发 合技术,也是材料科学的一个重要组成部分。由于 展前途的超细粉磨和分级设备作以介绍,和大家共 其发展是近几十年的事情,且是先从应用再到研究 同探讨。 的过程。并没有相关的教科书或国家标准对其一些 1超细粉磨设备 基本概念或名词术语进行严格的统一定义。国外 对超细粉体技术的研究最初比较注重的就是制 备技术和设备的研发,经过近几十年来的发展,以美 有以粒径lum,也有以3,um、lOpm、lOOpm等 定义为超细粉体。用“ultra 国、日本、德国、俄罗斯等发达国家为代表先后研制 fine”或“superfine”来表 示。国内的定义也是非常混乱,今年4月在北京召 成功了一系列超细粉磨设备:1)冲击式磨机:如机械 开的第七届粉体工程学术会议上,经与会专家代表 冲击式磨机、各种类型的气流磨、液流粉碎机等;2) 讨论。对其定义达成了共识(至于能否推广还得看 介质型研磨机:如立式搅拌磨、卧式搅拌磨、振动磨 等;3)其它由传统粉磨设备改进的辊磨或球磨设备, 其影响力了):亚微粉,0.1pm一1/an;微粉,lpm~ 基于电磁、超声、冷冻、高压膨胀等原理制成的超细 lOpm;超微颗粒,0.1岬;超细粉,lpm;纳米颗 粒,2rim—lOnm;原子团,2rim。 碎设备等。国内超细粉体技术的研究虽然起步较 对超细粉体技术的研究包括其制备技术、分级 晚,但近十几年来发展十分迅速,改变了八十年代进 技术、分离技术、干燥技术、混合改性技术、粒子复 口设备统领市场的局面,各种冲击型、介质型超细磨 合技术、检测技术等等。其中最重要,也是最基础 机,国内都有生产和应用。总体来说,超细粉体的加 的就是制备和分级技术。粉体的制备已经有很悠 工设备技术和应用都已相当成熟,采用机械法可以 久的历史了。可以追溯到16世纪以前,那时候就有 将物料粉碎到1pm的粒径。下面将介绍几种新型 古老的粉碎机、磨机和分级机出现,但直到70年代, 磨机或其在新的应用领域的拓展情况。 大多设备也只能做到把物料粉碎到325目以下,超 1.1机械冲击式离心粉碎机 细粉体的制备和分级技术的发展也就是近三十年 图1—1为长沙矿冶研究院研制的离心粉碎机 来的事情。其研究方向集中在四个方面:1.研究薪 的结构图,它主要由传动部件、筒体机架部件、旋转 的粉碎理论和设备,傲到设备能力更高,制备的粉 粉碎轮部件、鼓风轮排料部件等组成。主要结构特 体更细;2.研究通过物理的和化学的方法与机械法 点是采用水平内回转体。轴向给料、周边切向排料方 189 式。粉碎轮的叶片具有一定的轴向扭角,可形成轴 分级能力;⑥改进风送和风选系统,叶轮分级机的风 流旋转风压,分级轮叶片呈径向布置,形成旋转气 选原理是分级粒径与流量的平方根成反比,因此须 流。入料经给料口进入第一粉碎室,随气流旋转的 减小通过叶轮的风量,克服风选叶轮的阻力,选用小 物料相互闻碰撞、冲击,同时受离心力的作用被甩 流量和高风压的鼓风机;⑦改进收粉系统。用小直径 向内衬板和反击板,再次受到撞击剪切。若物料受 多筒组合式旋风收尘器来代替原来的大直径单筒旋 到的离心力大于轴向吸力,则滞留在第一粉碎室A 风收尘器,旋风收尘器的细粉收尘效率与旋风筒的 内被连续粉碎。反之则通过锥形喉道随气流进入第 直径有关,直径越小,效率越高,但处理能力下降,所 二粉碎室.再次受到冲击、碰撞而进一步被粉碎。 以须采用多筒组合。另外,可用反吹风布袋收尘器 粉碎后的合格物料随气流进入排料鼓风室而被排 取代原来的小旋风收尘器,来收取10%一15%的超 出机外。其回转轴的转速为1880r/min,粉碎轮叶片细余粉,同时配备更高风压的小型引风机,来保证布 线Kw。工业试验物料为袋收尘器的正常运行,且使整个风道系统在各种工 硝酸铵,人料粒度为0.2—0.3rran。产品粒度为小于况下都能维持负压运行,防止粉尘外溢。存在的问 0.1mm占90%,处理量2.5—3t/h。实际消耗功率28题是磨辊与磨圈会发生直接接触而产生强烈的振动 —3lkW。 和噪音。加快相关部件的磨损。 表1新型超细雷蒙磨的生产性能指标 加工状况 设备型号 。删一4R o删一5R 物 莫氏 细度 产量 电耗 产量 电耗 料 硬度 目 埘h kWh/t kg/h kWh/t 325 2200 45 4600 39 滑 1 800 800 80 1800 58 石 1250 420 125 1000 100 325 砌 48 4800 42 重钙 3 800 850 86 1900 70 1250 450 120 950 儿0 图1—1长沙矿冶研究院离心粉碎机结构图 325 2000 46 伽 40 氧 化 3,5 800 700 100 1600 60 1.2超细雷蒙磨 镁 1250 400 1加 900 120 雷蒙磨是传统的初级粉体加工设备,产品细度 Maxx 1.3 i11(干湿两用偏心搅拌球磨机) 在100—325目之间,近年来有许多单位为了适应市 场需要,拓宽其使用范围,而对其进行一系列的改 由德国Eirieh公司研制,它拓宽了搅拌球磨机 造,收到了一定的成效。如清华大学材料系粉体技 的应用范围.人料粒度可以达到几个毫米,并且可以 术开发部对4R雷蒙磨改造,用单转子超细分级机 连续进行干式和湿式作业。图1—3为MaxxMill的 替代分析器,改良大旋风除尘器,配合布袋除尘器 结构图。主要由电机(7)驱动的转筒(1),电机(8)驱 组成新的系统,用于800目微细粉的生产,生产方解 动的搅拌器(2),带有进料管的固定刮壁器(3)构成。 石微细粉的产量为600一S00Wh。 搅拌器相对转筒偏心布置,转向可以相同或相反。 辽宁朝阳超细粉体公司经过对雷蒙磨的改进, 研磨筒内装入3—10mm的介质,充填率80%。物料 研制出可生产1250目以下超细粉的新型超细雷蒙通过刮壁器中的管(5)与载体(空气或水)一起进入 磨机,它主要进行了以下几个方面的改进:①减小 磨机。在磨机中物料与充当粉碎介质的球强烈混 人磨粒径,使人磨粒度小于15wan;②采用自动反馈 台,细粒从介质的上部通过产品出口被吸出,而介质 控制系统,检测和控制进料量和进入分级机的粉尘 因为重所以不会被吸出,用于高粘度物料时,可安装 浓度,设置控制范围,实现最佳工艺匹配;③改进主 一个筛子阻挡介质。它基本上是作为粗磨设备来使 传动的参数和结构,提高磨辊装置的重量和主轴的 用的,磨后产品再进入常规搅拌球磨机细磨。最主 转速,并在辊子下端增加配重,提高粉磨强度;④增 要的优点是单位能耗低,能量分布好,设备小而处理 大辊碾表面积,确保磨辊与磨圈表面的精度和光洁 能力大,没有粉磨死角,可以自磨。用磨腔容积为 度,增大接触面积。改善碾磨效果;⑤改进分级系 统,应用大直径叶轮分级机取代扇叶分析器,提高 10%的泵送石灰浆料时,处理量达3矗,h,产品“为 190 63/Jm。它主要用于超细粉体加工的预磨设备,磨后产时,产品中dIrm为8.2,tan,dS0为1.03蛐。 品浆料直接给人下一级超细磨机进行终磨。 1.5偏心振动磨 振动磨在工业上用于细磨和超细磨已有40多 年的历史,早期形式为双筒型,70年代开始出现多 筒,特别是三筒振动磨,90年代末,由德国Siebtech— nik有限公司生产的单筒偏心振动磨出现,并在工业 上得到应用。图1—5.1为振动磨的发展过程。与 传统振动磨相比,偏心振动磨可产生椭圆、圆形和直 线三种振动形式。当磨机筒轴线在半径为R的圆上 振动时,主动端的筒壁在一个升高的长轴(垂直)为 2R,短轴(水平)为R的椭圆轨迹上振动,而在另一 端。筒壁作水平往复直线运动,从主动端到另一端, 半径长度逐渐减少,直至变成直线运动。采用模块 图l一3为M啪mm的结构图 化设计。可根据实际需要增减简体容积,如图l一5. 2,为其模块化结构图。表2为用双筒振动磨和 ESM506—2型偏心振动磨对某种矿物进行磨矿的对 比结果,产品粒度一29m含量大于60%,由表看出, 偏心振动磨的单位能耗低45%,单位筒体容积的处 理能力为双筒振动磨的3倍以上。在相同的磨矿条 件下。与三筒振动磨相比,生产能力提高30%,单位 能耗降低50%以上(详细数据从略)。 图1—4塔磨机KD一1,KD一2。KD一3结构图 1.4塔磨机 图1—5.1振动磨从双筒多筒到单筒的发展过程图 日本KD一1干式塔磨已经发展改型为KD一2, KD一3新型塔磨机,如图1—4,KD一1类似普通的 表2双筒振动磨和ESM506—2型 实验室塔磨机,其粉碎和分级均在同一柱内,新生 偏心振动磨的磨矿对比数据衰 成的颗粒与鼓风机产生的循环气流混合并被传送 ESM506—2型 单位 双简振动磨 到旋风收尘器中。该磨机不能控制过量的气流速 偏心振动磨 度。KD一2的粉磨室类似KD一1的结构而它的分 O.5 0.483 磨机简体直径 级柱为了减少气流速度而进行了放大,结果引起分 磨机简体长度 6.0 2.460 级柱内气体的涡旋。在产品中最大颗粒仍象KD—l 简体容积v d 1.357 0.46 存在。KD一3是KD一2的改进型,分级拄倒置,另 t 4.650 1.918 振动体净重G 外。该室内装有筛网以减少气流的涡旋,细颗粒通 WG 甜,t O.292 0.24 过筛网流到旋风收尘器里,而粗颗粒沉降在分级室 生产能力 t/h 0.155 0.18 的底部。用于收集作业的旋风收尘器有不同的类 单位电耗 kV吖h 11l 61 型,KD一1和KD一2使用常规的旋风收尘器,KD一3 采用具有常规旋风收尘器一半直径的具有中问螺 旋片的双旋风收尘器,具有更好的气一固分离效 果。处理粒度0.42—3.36ram,密度为2.7的石灰石60%。 191 度325—400目,产品粒度可达到一2pm含量75%一 92%.生产能力1.5—4.0t/h。该机对山西某煤系硬 质高岭土进行的生产试验表明,入料粒度为325目, 产能力为1.8t/h时,产品中一2,um含量为舯%,一 69m含量为99.1%,平均粒径0.7/.an。图1—7为该 机的外形图。 图l一5.2偏心振动磨模块化结构图 1.6 PM卧式搅拌球磨机用于自磨 搅拌球磨机在超细磨矿中应用的十分普遍,但 多采用介质磨矿方法。对自磨的研究和应用甚少。 德国AmoKwade博士对于在卧式搅拌球磨机中实 现半自磨和全自磨,减少介质对物料的污染做了深 入的研究。 试验采用德国曼海姆Draiswerke的PM型磨机, 并根据需要进行了改造。如图1—6为该机结构图。 磨腔容积为5.541,搅拌器由六个孔盘固定在搅拌轴 上构成,并装有测扭距和速度的仪表;矿浆由泵给 图1—7GJ5×2大型双槽搅拌磨外形圉 入;自磨介质由螺旋给料机给入,在磨腔出口被一 旋转的分隔缝隙(宽度大约400t一)阻回磨腔。在给1.8新型超细气流磨PMTSJ型 PMT 料为石灰石,粒度分布20—100/an,介质采用 SJ型气流磨是诸多形式的分级磨的一种, 200/ml的粗石灰石颗粒时,产品的平均粒径可以达是澳大利亚PMT 到1.5—2.0/an或更细。至于能耗,与用玻璃球作介 气流磨(spiralje喇t1)的发展,spiral气流磨广泛使用 质的磨矿方法相当。 于轻的或层片结构的矿物,如石墨、云母、高岭土、硅 藻土等,为了尽可能保留此类矿物的结构性能,提高 处理能力,必须对其进行改进。改进后机型为PMT 8piralietmiUSJ50,该机用一简单的气力转换系统取 代了给料喷射装置.采用低速给料方式,使物料与高 速气流能达到最高的速度差,提高冲击强度,且不必 在给料上浪费能量,使能耗降低20%以上;内置独 特的分级转子,装在一垂直轴上,可装于磨机中间。 也可异型布置,通过自由支承高速轴承与电机联为 图1—6PM型磨机结构图 一体,称作转子动力体,由高强度铝合金制造,最高 圆周速度达160nds;粉磨区与传统不同,它采用尽 1.7大型双槽高强度搅拌磨 可能小的内部空间来防止颗粒外溢,而磨体上部又 由北京矿冶研究总院研制成功的GJ5×2大型比较高,以使更多的物料给人粉磨区;配特的喷 湿式介质搅拌磨,是连续性细磨设备。其最主要的 嘴位置设计,使气流把能量集中于更小的粉碎区,提 特点是:设备规格大,生产能力高,能量利用率高。 高了粉碎效率;自动给料系统可以根据磨机内部的 结构特点为:磨腔为立方体双槽结构,两槽相连,各 负荷情况调整给料量,根据与转子相连的测试系统 有一套独立的驱动传动装置与各自的搅拌装置(叶 信息来调整转子速度.从而控制产品粒度。该机在 轮)联接,物料先进入第一槽预磨,再进入第二槽精 澳大利亚LeobenPMT自己的试验车问作了大量试 磨,然后从第二槽上部排出.无须物料冷却装置。 验,产品粒度最低可达到d蚰(0.5p.m。 x 装机功率为75kW×2,槽体容积为52订,给料粒 1.9 EMM磨机(电一磁~机械磨机) 192 EMM磨机由一个通用的三相旋转电磁场感应 任它们与未达到要求的混在一起继续粉碎,势必造 器、一个dP86×150ram的不导磁钢制成的工作磨腔、 成能量的浪费和过粉碎现象。超细粉体具有很大的 一些大小为m1.5×15ram的铁磁性磨矿介质组成。 比表面积和很高的表面能和表面活性。极易团聚结 图1—9为EMM高能磨机的外形和研磨介质图。工 块,很难分散。所以对超细粉体分级的研究是十分 作磨腔是密闭的,固定安装在通用感应器的中心, 重要又难度很大的课题。国内外对这方面的研究也 只有磨腔内的铁磁性磨矿介质与旋转磁场和谐一 非常多,尤其是近几十年来,涌现了基于各种原理的 致地旋转。被磨物料由磨矿介质带动,颗粒间相互 分级机类型。如:旋流式分级机、干式机械分级机 发生激烈地碰撞并与磨矿介质发生强烈碰撞而引 (叶轮式、涡流式)、碟式分级机、卧式螺旋分级机等, 起粉碎。EMM磨机的其它技术参数如下:感应器尺 还有静电场分级、超临界分级方法及相关工艺和设 寸为中360×300ram,工作腔内磁感强度0.22T,单位 备。本文仅就近几年出现的新型或对传统分级机的 能量高达1.5—2.2MW/nd。比常规磨机要高出许 改进型式作以介绍。 多,磨矿能量被集中在旋转的磨矿介质区域。局部 2.1 KSF型新型超细分级机 压强高达IGPa,其它的力也被集中作用于粉磨的实 质上,通过提升粉体的内部化学能来加速其裂变分 开发出的新型超细分级机。该机也是一种叶轮式分 散以达到粉碎的目的。由于其独特的粉碎机理,几 级机,分级转子为叶轮型或笼型。转子的转速很高, 种高能量的场力,即电、磁、声、机械力的集中作用, 其分级粒径是由转子所产生的离心力与气流的向心 使磨矿过程非常强烈,所有这些都发生在磨腔中非 力决定的。该机结构如图2一l所示。物料从下部 常小的活动空间中,使磨矿效率非常高,且磨矿时 进入分级室内,在分级转子和分级叶轮之间被分散 间非常短,也就是几十秒钟的样子,如平均粒径 并进行反复循环分级,细颗粒随气流进人上部经细 155,ttm的Fe—Al—si粉经过120秒后粒径降至 粉出口叶片排出,粗颗粒则从中部排出。据资料报 8t,m,25%以上的粒径小于1.3/.tm。特别硬的物料。 导,采用该机可获得粒径为0.3/an的超细产品,这 如SiC和B4C在EMM磨机中磨120秒后,粒径减少 在干式机械分级机中是非常优秀的,目前KURIMO. 30倍。而在球磨机、振动磨、行星磨中得到类似的 结果要数百倍的时间。该磨机用于其它场合,也可 TO公司巳有多种型号的KSF分级机。分级粒度为 以得到独特的效果,如:搅拌粉体和液体、硬物料的 干法或湿法磨矿、机械合金化、硬物质的表面活化 5kW。 改性、机械法催化化学反应、制备乳剂、制备纳米粉 体等。 图1—9删高能磨机的外形和研磨介质图 2分级设备进展 利用机械法生产的超细粉体,其粒度分布范围 较大。而在现代工业各领域的应用中,对粉体的粒 度范围又要求较窄。另外,在粉碎过程中,往往一 图2-1K趼型新型超细分级机 部分粉体粒度先达到要求,如果不及时分离出去, 193 特点:利用射流的附壁效应为主要影响因素,将 惯性力、离心力和悬浮力进行有效的组合,设计出新 颖的高效分级机;无运动部件,工作介质为高压空 气,分级粒度可以通过几个闸阀方便控制;利用高速 的引射喷嘴分散物料,引入的物料在主分级室中迅 速分级,避免了物料在分级室的二次团聚,提高了物 料的分级精度,经主分级室的一次分级后,粉料进人 蘑1 悬浮式分级室中进行二次分级,把第一次分级不完 全的部分细粒再次分选出来。从而进一步提高分级 精度。 参考文献 1.剂排秧:转子式离心粉碎机及其回转轴转速的确定.矿 冶工程.18(4).1998,12:30—32; 图2—2逆流离心机示意图和转子结构图 2.吴学锋:超细类蒙磨的研制和实践.中国非金属矿工业 2.2逆流微细分级离心机 导刊.2001,1:26—28; andWet with 3.Dr.JensSaehweh:MaxxMill—DH Grinding 德国克劳斯塔尔工业大学矿物工程学院研制 Ban StirredMills in岛q蛐i鲥丽tllC硼rcenfional毋埘“i唱 的一种新型湿式逆流微细分级离心机,图2—2为其 Mill日.AUFBEREITUNGS 示意图和转子结构图。分级发生在平台转子1中. 283; hall 底部圆筒部分由六个转动节组成,它连接转子与周 4.Jells millfor㈣and Saehweh:Anecc删ca叶呼uaed MineralPro- the)ⅨInternational 边间的水流或矿浆流,水流或矿浆通过轴中空管进 dIy—m吨.Proc∞di。咿0f 出管子。给矿由喷嘴进入分级室,细粒经丽个出管 c目面19Congre∞.2.1997:79—90; 0f for 8tower耐nfine 5.SukeyukiMoil:Developmem grlrlding, 离开分级区;旋转轴垂直,楔型横截面的分级医竖 of Minezal Con- Proceedingsthe)。【International Pmeesemg 直拓宽,分级水进人外室并径向穿过特制阻隔块. gTess.2.1997:61—69; 阻隔块孔径减至20/an以防止颗粒通过,粗颗粒沉6.Eberhard mill KnlTer:Eceemrie C-_0ck,Karl—Eugen vihm,ry —Industrial 降在阻隔块前方,形成流床从有轴缝的管子排出, introduction蠢arlev/eonstng,60nseries.Proceed. 分级区作成楔形为了使分离粒度与半径成正比,防 姆0f如)。【InternationalMineml胁∞自jngCm】g㈣,2, 1997:267—276; 止粗粒进入溢流中去。该连续式新样机在给矿体 in酬 积浓度30%时,经连续运转细粒回收率达到90%, medmmilhanditseffect011 speeiflcenergyrequ油aent.Int. 分级精度达到0.83,分离粒度可达1.4/an。 J.Mi『目.n∞目.2001,61:189—208; 2.3射流分级机 liledi8 in鼬Ted 8.Dr.一hlg.AmoKwade:Autogenous酊nding SLFJ一50A型射流分级机是由山东省建材学院 9.Horst Ultratine New 研制的新型射流分级机,样机经过试验,生产能力 ThalerI jelmill—ndingdevelopraenb,In- dustrialMinerals. 150kg/h,分级粒度0.5tJm一‰(可调),性能与日 2000,4:39—45; 本EJ一30—3型机相当,但分级效率较高。图2—3 0f fill mill.Poeder deetro一113agneto—mechanleal powd∞in 为射流分级机工作原理图 Technology,114.2001:237—243; 11.李风生:超细粉体技术,2000:178—179; 12. K.施勒特:离心机的湿式逆流微细分级.国外金属矿选 矿.1997。5:46—49; 13.郏少华等:超细粉射流分级机工业样机的研制.中国粉 体技术.6(2).2000,4:16—19。 图2—3射流分级机工作原理图 194

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