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超细气流粉碎设备的现状及发展趋势
发布时间：2013-08-23 08:10 来源：未知
1、引言
超细粉体技术是一门新技术，其基本概念至今尚无严格的定义。我国通常根据粉体加工技术的深度和粉体物料物理化学性质和应用性能的变化，一般将粒径小于10um的粉体称为超细粉体。现代工程技术的发展需要许多呈粉体状态的原料和制品。例如：在军事、航空、航天和电子领域，利用超细粉体可制造隐身材料；在化工领域，催化剂超细化后可使石油裂解速度提高1～5倍；药物经超细粉碎后，药品的表面能得到极大的增加，提高了药效的发挥，方便了人体的吸收等等。
2、国内外超细气流粉碎设备发展现状
超细粉碎设备按不同的粉碎方式可分为：机械冲击式粉碎机、振动磨、气流粉碎机（又称气流磨）、搅拌磨等。气流粉碎机，与其它粉碎机不同，它是在高速气流作用下，物料通过本身颗粒之间的撞击，气流对物料冲击剪切作用以及物料与其它部件的冲击、摩擦、剪切而使物料粉碎。因此，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），据统计，国际上约25%的气流粉碎机是用于药物的超细制备。而且若采用N2、C02等气体时，可进行特殊场合下惰性气氛中的粉碎。气流粉碎可在无菌状态下操作；生产过程连续，生产能力大，自控、自动化程度高。但是，机械冲击式粉碎机、振动磨、搅拌磨等粉碎设备的生产周期往往较长，从而使生产效率低；物料粉碎时会产生大量的热，致使热敏性物料变质；而且设备的磨损会污染产品。因此这些机械式粉碎机已不能完全满足人们对超细粉体物料越来越高的要求，气流粉碎设备在生产超细粉体方面有取代机械式粉碎机的趋势。但气流磨也存在一些不足之处：设备制造成本高，能耗大，加工成本也较大；单机处理能力较差(产量均小于2t/h)，不适合大规模生产；产品粒度难以达到亚微米级，在lOum以下时产量大幅度下降，加工成本急剧增加。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。
2.1 扁平（圆盘）式气流粉碎机
扁平（圆盘）式气流粉碎机( Micro - JetMill)是由美国Fluid Energy公司1934年研制成功的。目前，生产该类气流粉碎机的主要厂家有美国Fluid Energy and Equipment公司、Sturtevant Mill公司、Jet Pulverizer公司，日本Nippon Pneumatic MFG有限公司、清新企业（株）(STJ型)、富士产业（株），中国上�；せ等os型）、南京理工大学江苏省超细粉体工程技术研究中心试验基地(STJ型和GQF型>、宜兴清新公司等。
图1为早期圆盘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，被高速射流喷入粉碎室，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。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。
与其他气流粉碎机相比，圆盘式气流粉碎机结构简单，操作方便，而且自身具有自动分级功能。其缺点是，当被粉碎的物料（如氧化硅、碳化硅等）硬度较高时，物料随气流高速运动会与磨腔内壁产生剧烈的冲击、摩擦、剪切，导致磨腔磨损，并且对产品造成一定的污染。此类粉碎机多用于较软、较脆的物料，如国外无机颜料Tio2的气流粉碎，几乎都采用扁平式气流粉碎机。
2.2循环式气流磨
JOM系列循环式气流粉碎机是由美国Fluid Energy公司1941年研制成功。目前国外的生产厂家有美国Fluid Energy公司、日本清新企业，国内主要有上�；せ等а兄频腝ON75、QON100及宜兴清新粉体机械有限公司开发的JOM系列。
JOM型循环式气流磨（如图2所示）是目前应用最广泛的气流磨。其工作原理是压缩气体通过加料喷嘴2产生高速射流，在加料混合室内形成负压，使原料自动吸入混合室，并被射流送入下部的粉碎区，气流经过一组喷嘴1进入粉碎室，并将物料颗粒加速，使颗粒相互冲击、碰撞、摩擦而粉碎。底部的高压气体经喷嘴加速后高速射入管道，挟带粉碎后的颗粒沿上行管向上运动进入分级区。该机的优点是0型结构既能加速颗粒运动，又能增强离心力场的作用，从而提高了粉碎和分级效率；分级区的弯曲管壁设计，使磨损大大减轻。但是，与其它气流粉碎机相比，气流及物料对管道内壁的冲刷、磨损太严重，不适用于硬度较高的材料的超细化。常用于热敏性化学品、纤维、金属、药物、食品、颜料、填料等的粉碎，其粉碎细度可达3～0.2um。
1998年10月7日公开的实用新型专利“内循环气流粉碎机”，它由两个叠加组成的圆盘形粉碎仓和分级装置等组成，可以对超细物料在瞬间进行两次粉碎，并使其在粉碎仓内自然选粉、分级�？山嫌捕�≤8的干燥、脆性物料深加工超细粉碎至小于5～2um，尤其适用于非金属矿物的深加工。
2.3 冲击式气流磨
冲击式气流磨的粉碎动力源主要是颗粒与冲击部件（如冲击板、冲击环等）的冲击力，目前，常见的有靶式气流磨、超音速冲击板式气流粉碎机、冲击环式气流粉碎机等。
2. 3.1靶式气流磨
靶式气流磨是最早发明的气流磨之一，其靶子结构有固定和活动的两种形式。固定靶式气流磨如图3所示，其原理是高速气流挟带物料冲击到前方的靶上进行冲击粉碎，粉碎后的物料随气流经出口排出，进入后序的分级器中。活动靶式气流磨中的靶呈圆柱形，且缓慢转动，因此，物料冲击倾斜的圆柱形靶而得到粉碎。靶式气流磨常用于处理较粗的粒子，冲击力很大，冲蚀非常严重。因此，靶式气流磨的工业化应用受到一定的限制。
邢东海研制出一种塔靶式气流粉碎机，其结构紧凑，能使粉体经多次冲靶粉碎。在此基础上，林业部林产工业设计院临安化工制剂厂进行了改进，设计了球靶式气流粉碎机，其靶呈半球形，使靶面磨损减小，物料不易沉积，冲击力强，提高了粉碎效率和粉碎的颗粒细度，广泛应用于石灰石、方解石、石英砂、云母等的超细加工。结合靶式气流粉碎机和扁平式气流粉碎机各自的优点，设计出了旋喷式气流磨和SSTJ型超细粉碎机（日本清新企业研制），但两者还是有很大的不同，后者的靶是一个高速旋转的靶，而且靶面设计特别，使冲击力更大。
2.3.2超音速冲击板式气流粉碎机
超音速冲击板式气流粉碎机在美国、德国、日本、比利时都有专利，由日本NPK公司1967年开发成功。其结构示意图如图4所示，其工作原理为：原料从料斗1进入，右上方设置螺旋推料器以防止粉料架桥，高压气体从下部空气管进入，与物料在混合室内混合，并以超音速与斜置的冲击板4相冲击，物料得到粉碎。其最大的缺点是冲击板的冲蚀非常严重，颗粒对喷管内壁以及喷嘴的磨蚀也很严重，从而严重影响了这种粉碎机的推广应用。常用于纤维状物料、金属粉末和各种延展性物料等的粉碎。
吕烘灿等人研制了一种新型板式气流粉碎机，粉碎机内设置内衬反击板，机壳内设置循环冷却水套降温，粉体不堆积，广泛用于镁铝合金和橡胶等易燃易爆物的粉碎。
2.3.3冲击环式气流粉碎机
美国Flu/d Energy公司、日本细川公司将固定的冲击部件改成了可旋转的冲击环，避免了前面两种气流粉碎机中高速气流或气固流对某一固定点的长时间连续冲击引起的局部磨损，使整个环面的各个部位轮流作被冲击面，整个环面受到均匀同等的磨损，从而延长了冲击环的使用寿命。丽且，冲击环的旋转方向与喷射气流的方向相反，因此其相对速度提高，增大了粉碎效果。图5为MJ型冲击环式气流粉碎机。在此基础上，细川公司又生产了一种型号Super Micron Mill，经试用，其粉碎细度可达10um。
2.4对撞式气流粉碎机
对撞式气流粉碎机又称对喷式气流粉碎机。它是以两股高速气流挟带颗粒相互对撞而粉碎，能量利用率高，避免了上面三种气流粉碎机高速气流对冲击部件的磨损，解决了被粉碎颗粒的污染问题。美国Majac公司早期研制的对撞式气流粉碎机如图6所示，其工作原理是两股相同压力和相同速度的压缩空气从两侧呈一直线进入粉碎区，同时物料由螺旋加料器送入粉碎区，在混合后碰撞而粉碎，粉碎后的颗粒随气流向低压区运动，细粉通过上部排出，粗粉回落入粉碎区再次粉碎。
20世纪80年代中期，日本生产出了TJ型对撞式气流粉碎机。薛彬等人研制出了一种双圆盘对撞式气流粉碎机，其特征在于有两个相交的圆盘状粉碎室，粉碎室周围有若干只能产生两殷旋向相同的超高速旋流的射流喷嘴，颗粒在圆盘相交部位受到强烈的对撞和摩擦而被快速粉碎，撞击力度大，生产能耗低。专门针对硬度较高的磨料和耐火材料而设计了AB120B型对撞式气流粉碎机。另外，还有哈尔滨多元超细粉体工程有限责任公司、上虞市和力粉体有限公司等在国外设备的基础上，对对撞式气流粉碎机作了一定的改进，提高了粉碎设备的性能。
2.5 流化床气流粉碎机
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。
图7为流化床气流粉碎机（螺杆加料式）e19]，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�。ㄒ蛭ü缱斓慕橹手挥锌掌�、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。
中国的超细粉碎机厂商中，流化床气流粉碎机的生产厂家最多（约20家）．如上海化工机械三厂、上虞市和力粉体有限公司、昆山市超微粉碎机厂(QYF流化床对撞式气流粉碎机、西安秦岭超细粉厂等。另外，还有一些研究单位也对此种类型粉碎机的改进做出了很大的贡献，如中国科学院化工冶金研究所研制的FJM型流化床对喷式气流粉碎机、北京石油大学研制的流化床对喷式超细气流粉碎机、河北省邢台市农药厂研制的多喷嘴流化床气流粉碎机、宜兴市凯新材料开发研究中心研制的一种流化床气流粉碎机等。但是型号和规格都不是很全。
除了前面所提及的粉碎机外，还有高国儒等研制的旋流式气流磨，其结构包括一圆柱形粉碎腔、旋转气流的驱动装置和一收尘装置，粉碎腔周围开有多个对称的喷嘴口，高压气流通过高压喷嘴口切向喷入粉碎腔，不仅可实现10um左右的微细粉加工，而且设备简单、效率高、物料受污染程度小，可适用于化工、轻工、矿产、建材、陶瓷、医药等领域。
3、展望
超细气流粉碎机的种类很多，结构各不相同，每种机型都有其优缺点。自2000年以来，粉碎设备在以前的基础上有了较大改进，其结构不断完善，粉碎性能不断提高。为了满足信息技术、生物技术和新材料技术发展对粉体产品的粒度、纯度和粒度分布提出的更高要求，超细气流粉碎技术研究中应注重以下几个方面的发展：在现有的基础上，完善、优化超细气流粉碎设备，开发新型设备，并重视粉碎、分级系统的匹配设计；大型设备不多，在上述的超细气流粉碎机中，相比较而言，流化床对撞式气流粉碎机具有明显的优势，因此应加强理论研究，以指导粉碎设备的设计；由于气流粉碎机最大的缺点是能量利用率低，所以应当寻求降低能耗、增加能量利用率的途径等。
