国内外超细粉体干法快速分级设备对比
2020-12-23 08:32:52
粉体的精准分级，如同数学界的哥德巴赫猜想，是粉体技术皇冠上一颗璀璨的明珠，粉体行业发展到今天，粉体的分级技术已经成为制约整个粉体行业，尤其是超细粉体、微纳米粉体行业进一步提升粉体质量的瓶颈问题，在分级时能实现粉体的充分分散，让粉体在稳定可控力场的作用下，实现粉体的快速、精准分级是本领域技术人员，一直以来孜孜不倦研究的课题。
快速分级是指采用合理的结构或控制合理的气流速度，在粉体分级过程中，让颗粒经分散后就迅速参与分级，而后又迅速离开分级区，快速分级的目的是尽可能的减少颗粒在分级区内滞留的时间，避免粉体在分级区内二次团聚，因此快速分级是迄今为止任何类型的精细分级机所极力追求的。其关键是提高分级物料的分散性和配置合适可控的分级力场。
现有的粉体分级技术分类按所用介质可分为干法分级(介质为气体)与湿法分级(介质为水或其它液体)。
湿法分级用液体作为分级介质，存在较多的后处理问题，即分级后的粉体需要脱水、干燥、分散、废水处理等。而干法分级的特点是用气体作流体，成本较低，方便易行，故本文以粉体干法分级为主线，追溯现有干法分级技术及经典设备现状，介绍粉体快速分级的新近技术的原理，并介绍我国新技术的实践应用以及应用中取得的效果。
粉体干法分级经典设备现状
干法分级机大多是采用离心力场、惯性力场对粉体进行分级，它们是目前发展较快的重要精细分级设备。以下是几种有代表性的设备。
MS(MicronSeparator)叶轮分级机：待分级物料和一次气流经给料管、可调管进入机内，经气流分布锥而进入分级区，轴带动分级叶轮旋转，细粒级物料在分级区内受分级轮高速旋转产生强大的离心力场和分级机后部引风机所产生的向心力双重作用下，因向心力大于离心力，随气体经叶片之间的间隙向上通过细粒排出口排出。粗粒级物料因受离心力大，经环形体从机体下部的粗粒排出口排出。
ATP型分级机：ATP型分级机是德国研制生产的一种分级机，为叶轮转子式。该设备分级轮水平安装在分级机顶部，与流化床气流磨，轮碾机等联合使用。同时，为了克服叶轮转速太高而使生产能力下降问题，可将多个小直径分级叶轮并联水平安装于分级机顶部，以提高生产能力并确保获得较细产品。
惯性分级机：惯性分级机是利用颗粒运动由于其质量不同，惯性力也不同，因而形成不同的运动轨迹，进而实现颗粒的分级。另一种惯性分级机——射流分级，是利用喷射对粉料产生的抛射作用，同时物料受到不同方向的气流作用，导致颗粒的分级。研究发现采用惯性力场分级时，流场的干扰因素较多，不易控制。
MC(MicronClassification)型微粉分级机：MC型微粉分级机无运动部件，靠两相流沿器壁的旋转流动所产生的离心力场进行分级。其原理是夹带分散颗粒的气固两相流在负压的吸引下进入上部的涡旋腔，在导向圆锥体的引导下以稳定的浓度进入分级室，在离心力的作用下被分离成粗细两种颗粒。细粉通过分级锥体上部的中心通道，在由入口进入的二次空气夹带下，从出口排出分级机；粗粉则沿着分级锥体落入粗粉室。该机的分级切割粒径范围在5～50μm之间，可通过改变导向锥体和分级锥体之间的缝隙、二次空气量以及不同区域的压力来调节，其处理能力为0.5～1000kg/h。
KSF型新型超细分级机：该机为日本生产。分级转子为叶轮型或笼型，转子转速高，其分级粒径由转子产生的离心力与气流向心力所决定。据报导，该机适用于金属矿、非金属矿、塑料、陶瓷等多种物料的分级，可获得0.3μm的超细产品。
ACUCUT型分级机：该分级机由美国开发生产，其结构及原理如下：中间部分为分级转子，转子外侧是固定壁，上下盖板将分级室密封。转轴上段空心轴为细粉出口，下段实心轴由电机带动旋转。转子由上下转盘和叶片构成，转子旋转形成离心力场。同时在空心部分产生负压区，使气流随着转子旋转，并沿径向流向空心轴部，由此构成离心力场与压力场共同作用的流体流动。分级室内颗粒受到流体夹带的作用，若颗粒受到的径向夹带力大于离心力，则颗粒通过细粉出口排出，粗粉由切向出口排出。该机的特点是分级精度高，切割粒径可小于1μm，分级细度仅靠调整转子转速即可。
Turbo分级机：是由Nisshin工程公司开发出的一种新型分级机，属于涡流分级机范畴，该机分级精度高，可获得超细产品。该机的特点是易用微机控制操作，分级处理能力大，结构紧凑，分级机分级带空间极小，为了提高被分级细粉的分散性，防止其团聚，在粉体进入分级腔前安装了分散叶片。此外为了强化分级效果，还采取了引入循环气流并进行反复分级等措施。该机特别适合对于各种轻质粉体的分级，如超细中药材，茶叶等，对茶叶分级可获得d50=5um的超细产品。
粉体分级设备新趋势要求
以上分级机为较典型的微粉分级机，对照快速分级在实践应用的4个方面，则是各有所长，但随着现代科技的发展，对粉体分级设备也提出了新的趋势要求：
(1)加强理论研究，注意学科交叉、积极借鉴其他学科知识
(2)注重研究超细粉体在各种介质中的分散技术及相应设备，研究超微细粉体的团聚机理、探索消除团聚的有效途径。
(3)加强专用设备的研究，发展高效低耗、高精细和大处理量的分级技术和设备。
(4)在现有设备和工艺基础上发展人工智能技术，根据原料特点和产品细度要求自动优化生产工艺配置和操作参数，达到高效、低耗、稳定产品质量的目的。
(5)提高产品的稳定性和可靠性，注重粉碎与分级的有机结合。
(6)进一步完善设备的配套性，加强超细分级的在线测试、监控及其相应监测仪器设备的研究。
新分级设备——TCM陀螺磨
我国技术人员新近研发了一种能快速分级的磨粉分级设备TCM陀螺磨（专利号为2018104841305一种能快速分级的筒状磨粉转子及其工作方法；同时该专利PTC检索PTC/CN2019/074321全部权项一次通过了三性审查）TCM陀螺磨是集粉碎、分级于一体，能应用于磨粉、打散、分级、改性的一种新型粉体设备。
它具有呈筒状的磨粉转子，多组齿刀呈螺旋状分布在磨粉转子外周，呈筒状的磨粉转子的筒体上有回流孔，分级叶轮悬置在筒状磨粉转子的筒体内，回流孔将磨粉转子的内外连通，形成粗颗粒的回流通道，该设备配有选分分离器、除尘、引风机，工作在负压状态，工作中可避免造成空气污染。
套筒状的粉碎室，分布在磨粉转子外周呈螺旋状分布的多组齿刀高速旋转时，在外部负压风的作用下，粉碎的细粉被及时输送出粉碎室，进入分级区，可有效避免过粉碎。
高速旋转的磨粉转子对粉体进行充分的分散，进入分级区的粗颗粒物料，在磨粉转子高速旋转产生的强大离心场作用下，可将靠近边缘的粗颗粒物料及时俘获，并获得很高的离心加速度，通过回流孔输送回外部粉碎区，与粉碎室中正在粉碎的物料进行碰撞，磨擦实现高效的粉碎。
粗颗粒的快速分离，使得分级室内气流通畅，与分级轮同向旋转的磨粉转子也可平拟分级叶轮高速旋转时，所产生的边缘气流涡旋，最大限度地减小或避免涡流改善分级环境，实现快速高效精确分级，获得较窄粒度分布的粉体。
由筒状磨粉转子和分级轮形成的离心力场的大小可以分别通过调节各自的转速进行控制，设备也可用于粉体打散分级、颗粒整形改性，整套设备实现了PLC自动化控制，可大批量，稳定的连续自动作业。
图为TCM陀螺磨机组的实物图
TCM陀螺磨的突出优势主要表现在这几个方面：
1实现了细粉的及时输送和物料的高效粉碎。
2实现了粗颗粒的快速回流循环。
3实现合格细颗粒的高效快速分级。
图为用TCM陀螺磨快速分级的石榴石粒度分布检测报告
(以上图片均来自网络)
参考文献:
超细粉体的应用与分级 王瑾昭
超细粉体分级技术与研究进展 鲁林平
微纳米粉体制备与改性设备 李凤生、刘宏英等
：阿栋