气流粉碎法制粉技术与超音速气流粉碎法制粉技术的研究

摘要：

粉末冶金具有精度高、效率高、成本低等的特点，而粉末冶金工艺的第一步便是制备粉末。在先进技术的发展中气流粉碎法、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、自蔓延高温合成法等是比较先进的制粉技术。本文主要介绍气流粉碎法制粉技术与超音速气流粉碎法制粉技术的原理、设备特点、发展方向及存在的问题。

关键词：气流粉碎法、超音速气流粉碎法、超细粉末

一、气流粉碎法制粉技术

<一>、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。

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:

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>、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：

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。

<三>、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。

<四>、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。

二、超音速气流粉碎法制粉技术

<一>、原理

气流在自身高压作用下强行通过粉碎室喷嘴时，将产生高达数百米甚至千米的高速气流，物料经负压的引射作用进入超音速喷管，并在高速气流作用下被加速到一定的速度，由于气流喷嘴与粉碎室相应半径成一锐角，故高压气流带着颗粒在粉碎室中作回转运动并形成强大旋转气流，使颗粒加速、混合并发生冲击、碰撞等行为，粉碎合格的细小颗粒被气流推到旋风分离室中，较粗的颗粒则继续在粉碎室中进行粉碎，从而达到粉碎目的。研究证明：80％以上的颗粒是依靠颗粒间的相互冲击碰撞被粉碎的，只有不到20％的颗粒是通过颗粒与粉碎室内壁的碰撞和摩擦被粉碎。

<二>、设备

在超音速气流作用下，物料颗粒之间不仅要发生撞击，而且气流对物料颗粒也要产生冲击剪切作用。同时物料还要与粉碎室发生冲击、摩擦、剪切作用，其损失的能量将部分转化成为颗粒的内能和表面能，从而导致颗粒比表面积和比表面能的增大，晶体晶格能迅速降低，并且在损失晶格能的位置将产生晶体缺陷，出现机械化学激活作用。在粉碎初期，新表面将倾向于沿颗粒内部原生微细裂纹或强度减弱的部位(即晶体缺陷形成处)生成，如果碰撞的能量超过颗粒内部需要的能量，颗粒就将被粉碎。

<三>、特点

(1)耐热敏性 由于压缩空气在喷嘴处绝热膨胀会使系统温度降低，所以整个粉碎空间是低温环境，颗粒的粉碎是在低温瞬间完成的，从而避免了某些物质在粉碎过程中产生热量而破坏其化学成分的现象发生，尤其适用于热敏性物料的粉碎。

(2)物理性气流粉碎纯粹是物理行为，既没有其它物质掺入其中，也没有高温下的化学反应，因而保持物料的原有大然性质。

(3)无污染性 因为超音速气流粉碎技术是根据物料的自磨原理而实现对物料的粉碎，粉碎的动力是空气。粉碎腔体对产品污染极少，粉碎是在负压状态下进行的，颗粒在粉碎过程中不发生任何泄漏。只要空气经过净化，就不会造成新的污染源。

(4)精度高通过调节分级机的转速和系统负压等参数，可以控制产品粒径分布在很小的范围内，并且分级机的调整是完全独立的，对一些有特殊要求的中药材加工十分有利。

<四>、发展方向

随着超音速气流粉碎技术的不断发展，其在化学化工、矿物加工、食品加工以及材料科学等领域中已显现出广阔的应用前景。进一步拓宽超音速气流粉碎技术的应用范围，是科学技术自身发展的必然要求，具有十分重要的科学价值；相信随着超音速气流粉碎技术的不断发展以及其应用范围的拓宽，超音速气流粉碎技术必将发挥越来越重要的作用。

三、气流粉碎法与超音速气流粉碎法制粉技术存在的问题

<一>、 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。

<二>、 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。

<三>、 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。

<四>、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：

作者不详；气流粉碎法制粉技术研究现状及问题；

   蔡艳华 ，马冬梅等；超音速气流粉碎技术应用研究新进展；1000—6613(2008)05—0671—05;