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高压水射流超细粉碎技术的研究与应用
发布时间：2013-10-10 09:36 来源：未知
传统的粉碎技术能耗高且粉碎效率低，因此，如何从粉碎过程中节约大量能源的问题一直是人们研究的目标。另外，新材料技术对超细粉体提出了越来越高的要求，如超细颗粒不仅要有较窄的粒级、较高的纯度，而且还要保持颗粒的原始结晶形状与表面光泽。高压水射流粉碎技术正是应这些要求而发展起来的一门新的超细粉体制备技术。
高压水射流粉碎，简单地讲就是将高度聚能的水射流以一定方式作用在被粉碎的物料上，并在物料的裂隙和解理面中产生压力瞬变使物料发生粉碎。由于高压水射流通常具有极高的速度和高度能量聚集，对被粉碎物料和加载时间短且载荷的能量密度高，加之在粉碎过程中通�？梢孕纬煽栈饔�，因而物料的粉碎方式主要为解理破碎。由于水射流具有良好的解理性，因此采用高压水射流粉碎，在降低粉碎能耗的同时，还可以制备高质量的超细粉体。
长期以来，人们对传统的粉碎技术进行了许多深入的研究，其改进已没有大的余地。于是人们探索了新的超细粉碎技术。其中交叉交变料层粉碎、高压水射流粉碎、超声波粉碎和热粉碎被认为是有可能出现在20世纪后期或21世纪的粉碎工程的新的革命。本文着重介绍了高压水射流粉碎技术的实验研究与工业应用，以及在此领域的主要研究成果。
1、高压水射流粉碎技术的发展概况
超细粉碎技术是支持高技术工业的最重要的基础技术之一。颜料、医药、催化剂、磁记忆元件、水煤浆、高级磨料等现代新材料技术的发展，需要大量粒度极细、纯度极高、分布均匀，在某些时候要求其颗粒具有某种特定形状，以及颗粒表面具有较高光洁度的超细粉体制品。目前，超细粉碎行业所面临的问题一是粉碎能耗高，二是当物料颗粒粉碎至微米级与纳米级时，不能保持颗粒的原始结晶形状与表面光泽，同时由于研磨介质的污染，难以得到高质量、高纯度的超细粉体。这些问题是采用传统的粉碎技术所无法解决的。
发展高效、低能耗且能制备高质量的超细粉体的超细粉碎技术意义重大。因此，人们致力于开发出新的粉碎技术，包括交叉交变料层粉碎、高压水射流粉碎、超声波粉碎和热粉碎等。高压水射流粉碎以其简单的设备结构、良好理解与分离特性，以及清洁、节能、高效而成为一项新的、独树一帜的粉碎技术，近20年来得到发展并在工业中得到初步的应用。
80年代中期，美国密苏里一罗拉大学岩石力学与爆破技术中心进行的高压水射流粉碎试验表明了这项技术的应用潜力，所进行的实验涉及木材制浆、废纸制浆、城市固体垃圾处理以及煤与矿物的粉碎。高压水射流用于木材制浆的试验结果表明，水射流分离木材纤维的质量要比用磨碎方法制取的要好得多，用水射流制取的木材纤维要更长，对纤维的完整性造成的破坏要更小。与传统的木材磨碎工艺相比，由水射流处理单位体积木材所需的能量要少50%或更多。
用高压水射流进行废纸制浆的工艺不但处理量大，而且处理时间短，其比能与传统方法处于同一水平上。由于水射流的紊动清洗作用，用水射流工艺生产的纸浆可大幅度地减少漂白操作。高压水射流在城市垃圾处理中的主要优势是可以把高能量的水射流系统设计成一个可以有选择地进行粉碎的系统，即通过调节水射流的流量和压力，可使水射流有选择地切割某些材料而同时不破坏另一些材料，这样，即可把垃圾中的纸张、纸板，以及其它有机材料粉碎成小片，同时让垃圾中的无机材料，如玻璃和金属等完好无损，以利于进一步回收利用与处理。最早出现的高压水射流粉碎机是密苏里一罗拉大学研制的双圆盘水射流粉碎机。
意大利卡利亚里大学DIMM实验室研制了旋转水射流粉碎机，并用于矿物的选择性破碎。破碎的矿物包括重晶石粗精矿、氟碳铈矿石、铝土矿等。由于矿石的矿物、岩相、物理机械和结构特点，原矿不宜采用浮选、磁选和重选等传统的分离方法进行富集，必须对矿物进行选择性破碎，将其中有用的成分分离出来。普通的磨机磨这些物料时会造成过磨，使下一步的分离成为不可能。试验证明，水射流粉碎具有良好的解理与分离特性，对矿物的分离非常有效。
另一种较早投入工业应用的是基于前混合原理研制出来的水射流粉碎机，其典型产品有德国AKW公司、丹麦朗尼公司(APVRASNNIEA/S)和中国矿业大学研制的高压均化器，主要应用于高岭土与云母等材料的超细剥片。其特点是首先将被处理的物料与高压水在一耐压容器内混合共同处于高压状态，然后使混合物以很高的速度通过具有细小间隙的均化阀或螺旋线型喷嘴，由此产生的强大的剪切力和摩擦力使物料均化粉碎。高压均化器具有很高的能量效率，可把物料粉碎至超细的粒度。但这种水射流粉碎机的问题是设备结构复杂、造价高、操作程序复杂、不能连续作业、每次装料有限、生产率低、喷嘴容易堵塞和磨损，只适用于粉碎低硬度的物料，因而限制了它的推广和应用。
近年来人们研制了后混合的水射流粉碎机，这种水射流粉碎机己于1997年投入了制备珠光云母粉的工业应用。后混合式射流粉碎机的主要优点是结构简单、操作简便、可以连续作业、处理量大，不足之处是物料颗粒与高速水射流无法进行充分混合，从而降低了能量效率。为了改善颗粒与水射流的混合机理，提高能量效率，人们研制了自振式水射流粉碎机。自振式水射流粉碎机具有能量效率高、产量大、结构简单、操作简便、可连续工作的特点，在粉碎铁鳞的实验研究中取得了良好的效果。
2、用水射流粉碎煤的试验研究
在美国“液体”发电站所用的煤是一种均质的、可泵送的煤的悬浮液，要求煤在输送管线内不沉淀，燃烧时符合规定的燃烧速率，因此原煤必须由“标准动力煤粒度”破碎到粒度为lOUm以下。另外，由于预测的美国可利用的原油储量及世界原油市场的不稳定，因此把煤作为工业系统和内燃机的基本燃料来使用被认为是一个很有现实意义的重要课题，但是煤的使用伴随着一些问题，特别是煤中含有硫和其它矿物杂质的问题。
密苏里一罗拉大学进行了高压水射流粉碎煤的实验。在加工超细水煤浆的许多研磨方法中，用自动辗磨机获得的产品最细。这类磨机的优点是可以把物料破碎到非常小的粒度（小于lOUm），但每次只能破碎少量的物料。如对于砂磨机，进料粒度必须小于70t/m。这类机器的更大缺点是破碎过程消耗大量能量。例如，使用2#燃料油，把MontanaRosebud煤磨到90%的煤粉的粒度小于4t/m的能耗是1940kW h/t，磨至平均粒度为lOUm的能耗为106kW h/t。采用水射流制备水煤浆的初步试验取得了比预计大得多的成果，即水射流经过一次破碎操作就可以把初始粒度为1英寸(25.4mm)的Mis-soury原煤破碎到1～5um的超细煤粉，其能耗比传统磨机的能耗要减少一半。
他们认为：高压水射流对煤粒的碰撞产生了冲击波，导致煤粒中微裂隙的形成与发育，高压水渗透进这些裂缝，提高了裂缝中的压力，使裂缝增大，从而在流体压力作用下，造成煤粒内裂缝的拉伸增长而使颗粒粉碎。煤的抗压强度与抗拉强度的比值大体呈线性关系，其理论值为8。由于煤在采掘过程中经过强烈的破碎，其抗压与抗拉强度的比值实际在20～30之间。众所周知，脆性材料的抗拉与抗剪强度都远远小于其抗压强度。因此，将压缩破碎原理改为拉伸破碎原理会大幅度降低粉碎能耗。
用水射流制备水煤浆的另一个特点是：由于水射流为声速或超声速，且水射流的射束是由无数小水滴组成，高压水射流具有极高的能量密度，且其加载时间极短，从微观上看是无数个压力脉冲，物料在水射流的作用下的破坏主要是以脆性破坏为主。因此，水射流粉碎具有良好的矿物解离选择性，即水射流可以造成不同矿物晶体聚合体之间的解离，这是因为高速液体穿透了晶粒的边界，使物料内部的不同成分更好地分开。
高压水射流穿透质点边界上的固有微裂纹还能使上述的物料破碎过程转变成一种选矿过程，即通过具有分选作用的加压水射流，可使硫化铁、硅石（二氧化硅）以及其它脏物与煤有效地分开。再者，用高压水射流制备水煤浆，可以避免由于研磨介质造成的污染和加工过程造成的污染，从而进一步提高水煤浆的纯度。利用表面活化剂可促使煤进一步粉碎，并能预先处理掉煤的污染物，在配制煤与油的混合液时，可用油射流取代水射流，以取代中间干燥过程。
在随后的粉碎煤的试验中，Mazurkiewicz等研制了双圆盘式水射流粉碎机，其原理如图1所示。煤通过一个和圆盘同轴安装的中心进料管给入。当煤进入由上、下两个圆盘构成的破碎腔时，离心力将煤块甩向旋转圆盘表面，两圆盘的相对旋转对颗粒产生一定的机械破碎作用。由电机驱动的旋转射流喷头喷出水射流，冲击在煤块上，产生水射流冲击粉碎。符合粒度要求的煤颗粒从两圆盘的间隙射出，大颗粒则在腔内进一步粉碎。双圆盘水射流粉碎机的效率按破碎到200目(75t/m)煤的体积及该过程所需的单位能耗来评价。当煤的给料粒度为8目(2.5mm)时，将煤粉碎到75t/m粒度的最好能耗结果为62.38kW h/t。
双圆盘水射流粉碎机是一种用高压水射流来辅助机械破碎的磨机，射流原理是纯水射流，是一种早期研制的水射流粉碎机。与其它型式的水射流粉碎机相比，其对于水射流能量的利用率较低，机械运动机构较多，设备比较复杂。近年来人们着重发现的是没有任何运动部件、设备结构简单、易于操作维护、可连续作业、处理量大的水射流粉碎机。
3、用水射流粉碎铁鳞的试验研究
我国生产永磁铁氧体所用的氧化铁原料主要为铁鳞。判断一种原料能否生产高档永磁铁氧体，一是根据其生成的M相纯度，另一个是预烧料晶体形貌。对于铁鳞，除了其中的以化合物形式存在的Si0，会降低铁氧体的物相纯度外，铁鳞中混有润滑油、沙、土等杂质，使其成分波动也比较大。在预烧前必须去除这些杂质并将铁鳞磨至于10um以下，才能保证在预烧料中生成的M相物相纯度。
经过上述粉碎后的原料经过混料、氧化和固相反应烧结，便成为预烧料。预烧料再经细磨至1～3t/m的磁粉后，用于生产永磁铁氧体最终产品。粘结磁体的性能是磁粉颗粒形貌的敏感量。预烧料的细磨效果直接关系到磁体最终性能。要获得高性能的磁性材料，细磨工艺不仅只要求得到合适的粒度，最重要的是要求粒度分布要窄，颗粒尺寸要均匀，在粘结磁体用磁粉的制备中，还要求对预烧料晶粒形貌的破坏尽量要小。
永磁铁氧体生产中的粉碎工艺大都采用球磨机。铁鳞粉碎的球磨工艺过程如图2所示。球磨工艺的问题主要有：
(1)粉碎效率低、能耗高；
(2)铁鳞在进入球磨机之前必须经过干燥机干燥，这样就增加了能耗；如果采用晾晒的方法进行干燥，则需占用大面积的生产场地；
(3)在大规模的工业生产中，混在铁鳞中的杂质实际上是无法去除的，这些杂质也会同铁鳞一样被磨成粉末，影响混料配方的准确性；
(4)在预烧料细磨工艺中，粘结磁粉要求保持预烧料的原始结晶形貌，球磨机用于细磨时对预烧料的原始晶料形状破坏较大。
水射流粉碎铁鳞工艺如图3所示。与球磨机粉碎相比，水射流粉碎具有如下的特点：
(1)进入水射流粉碎机的铁鳞原料不需要进行干燥，从而简化了工艺流程；
(2)水射流粉碎机产量高、结构简单、易于操作与维护、粉碎效率高、能耗低、占地面积小、对环境无污染；
(3)由于水射流具有良好的理解性与漂洗作用，可以在粉碎过程本身将混在铁鳞中的泥沙以及焙烧除油后的积炭有效地分离出去，这一点是其它种类的粉碎机所无法做到的；
(4)水射流粉碎的产品纯度高，可以保持颗粒的原有结晶形貌。
水射流粉碎铁鳞的试验结合北京矿治研究总院磁性材料生产基地的球磨粉碎铁鳞工艺进行，高压水泵工作压力为45MPa.流量为75 L/min.铁鳞原料粒度为0.1～3.0mm，考察指标为200目(75t/m)以下的细粒产率。铁鳞原料和铁鳞经水射流一次粉碎后的粒度分布如图4所示。由图4可知，铁鳞原料中0～30Um的粒度分布为零，经水射流一次粉碎后0～3um的细粒为12.05%，这说明了水射流粉碎机具有很强的超细能力。
铁鳞原料的累积粒度分布和铁鳞经水射流一次粉碎后的累积粒度分布如图5所示。由图5可知，铁鳞原料75t/m以下的累积粒度分布的10.06%，经水射流一次粉碎后75 t/m以下累积粒度分布为29.66%，是原来的2.95倍，这说明水射流粉碎具有粉碎比大的特点。
为评价水射流粉碎铁鳞的效果，球磨工艺与水射流工艺粉碎铁鳞的几个主要技术指标如表1所示。由表1可知，水射流粉碎机的产量是球磨机的6.6倍，能耗仅为球磨机的25%，产品中的杂质含量比球磨工艺降低了95%。
4、水射流粉碎云母的工业应用
云母粉的生产分为干法与湿法两种。干法生产容易破坏云母的片状结构，使云母失去表面光泽。因此，干法生产的云母只能用作填料，其经济益也比较低。湿法生产云母粉，由于在云母的研磨过程中加入了水作为介质，可较好地保持云母鳞片的晶面光泽，因而可利用性更广泛，经济价值更高。
一般称粒度小于150t/m的云母粉为超细云母粉。超细云母粉用途广泛，其中价值最高的是珠光云母粉，用作珠光颜料的云母，粒度一般在3～150Um范围内，其中粒度为20～50um的云母颗粒具有最佳珠光光泽。珠光云母粉不仅要求细度，而且要求保持云母天然的片状结构与表面光洁度，必须用湿法生产。传统的湿法磨机有辊碾磨、振动磨及搅拌磨等。这类磨机的粉碎方式大都采用压应力粉碎方式，即物料的粉碎是压力的反复作用下发生的。因而对云母的摩擦严重，也会在一定程度上破坏云母的片状结构和表面光泽。为了得到高质量的珠光云母粉，需要采用新的云母湿法细磨工艺。
高压水射流是利用质点固有边界的扩张而导致拉应力破碎方式，即物料在高速水射流的冲击作用下，在颗粒内部产生向四方传播的应力波，应力波在颗粒内部的晶粒交界处反射，在晶粒交界处引起张应力，使物料产生卸载破坏。水射流粉碎的这一特点尤其适合于云母的超细剥片，可以制备高质量的珠光云母粉。内蒙古察右前旗云母制品有限责任公司采用水射流粉碎云母的工艺如图6所示。与该厂原有的辊磨云母湿法细磨工艺相比，水射流粉碎工艺占地面积小、设备简单、操作简便，由于水射流具有良好的解离性及水射流粉碎机可直接采用水力分级，将杂质、粗粒与合格的细粒分离，因而大大地简化了云母粉生产工艺，提高了云母粉的质量。
下面给出作者于1997年10月在内蒙古察右前旗云母制品有限责任公司进行水射流粉碎机现场调试及指导水射流粉碎云母生产线试生产时所得到的水射流粉碎云母数据中的一组。图7与图8分别给出了粒度为80目(180t/m)的云母原料，在48MPa压力下，经水射流多次粉碎后的粒度分布与累积粒度分布。由图7与图8可知，云母原料经多次水射流粉碎，特别是经水射流第一次粉碎后，0～30Um的细粒迅速增加，这再一次证明了水射流粉碎具有极好的超细能力与粉碎比大的特点。
用传统的碾磨类磨机制备的珠光云母粉，由于在磨机中压力的反复作用与磨擦，云母颗粒呈中间厚而周边薄的形状，表面光泽受到严重破坏。用水射流粉碎工艺制备的珠光云母粉(粒度为0～30um)，根据检测结果，具大部分粒度为5～15Um，也有一部分小于5um，全是薄片状结构，周边为多边形，晶面内几乎没有裂纹和擦痕。用水射流粉碎工艺制备的珠光云母粉，不但粒度比原来的细，光洁度也比原来的高，因而增值幅度很大。
水射流粉碎制备的珠光云母粉不仅质量好，而且工艺简单、产量大。根据当时该公司的有关负责人的计算，与原有辊碾磨湿法细磨云母工艺相比，水射流粉碎机1.5h的产量相当于辊碾磨机一个星期的产量。后来的实践证明，内蒙古察右前旗云母制品有限责任公司采用水射流粉碎工艺制取珠光云母粉取得了很好的效益。
5、结论与展望
高压水射流粉碎是由水射流的高能量冲击在颗粒内部的晶粒交界处产生应力波反射而引起的张力来导致物料的卸载破坏。由于水射流的高度能量聚集且水射流速度一般是在一个马赫数以上，因此水射流对于被粉碎物料的加载时间非常短且能量高度集中，物料是以解理的方式被粉碎的。因此射流粉碎的主要特点是：
(1)水射流的节理粉碎方式可以在大幅度降低粉碎能耗的同时，具有较高的粉碎效率；
(2)可以避免细颗粒的团聚，对热敏性物料尤其如此：
(3)可以很好地保持颗粒的原始结晶形态和表面光洁度；
(4)由于水射流具有良好的解离性与分离特性，可使物料内部的不同成分更好地分开，因而可以制备高质量、高纯度的超细粉体；
(5)水射流粉碎工艺的占地面积小，对环境无污染，符合节能、环保的要求。
因此，开展高压水射流超细粉碎技术的研究，有可能使超细粉碎技术在节能、制备高质量的超细粉体并可用于大规模工业生产方面取得重大进展�；诙愿哐顾淞鞣鬯榧际醯纳鲜鋈鲜兑约捌溲芯坑胗τ盟〉玫某晒颐怯欣碛上嘈�，高压水射流粉碎是超细粉碎技术中新的、最有前途的发展方向。
目前，在超细粉体制备行业，开发出节能的、对环境无污染的、可以制备高质量超细粉体的超细粉碎技术的呼声日益高涨，这也是科学技术不断进步的客观需要。在中国矿业大学（北京校区）力学实验室，正在开展高压水射流粉碎试验研究，旨在开发出新型的、可以达到工业化应用水平的水射流超细粉碎设备及工艺。相信在今后在高压水射流超细粉碎技术的研究与应用上会有新的突破。
