高速气流法制备微纳米粉体技术的应用

高速气流法制备微纳米粉体技术的应用

成都坤森微纳科技有限公司，四川成都 610404 摘要 目前，制备颗粒的方法主要有两种，一种是通过粉碎从大到小制备颗粒，另一种是通过合成从小到大制备颗粒。通过粉碎方法制备的颗粒，目前最细为0.1um，合成的方法可以制备几纳米到几十微米范围的颗粒。高速气流法制备微纳米粉体是通过粉碎的方法制备超细颗粒的，他能够制备亚微米到几十微米内的颗粒，主要制备0.5um~20um范围内的超细颗粒材料。高速气流法主要是利用高压气体通过喷嘴产生的高速气流（300m/s~1 000m/s）作为工作介质，赋予物料颗粒极高的速度，使他们互相或与固定板冲击碰撞，或高速气流本身对物料颗粒进行冲击、摩擦和剪切而使物料被较快粉碎。被粉碎的物料随气流至分级区进行分级，达到粒度要求的物料由收集器收集下来，未达到粒度要求的物料返回粉碎腔继续粉碎，直至达到要求的粒度并被捕集。

关键词 高速气流法；超微粉体；拉瓦尔喷嘴；陶瓷衬板 中图分类号tf123 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2012）70-0117-02

随着高新技术产业的飞速发展，也对粉体材料提出了更高要求，他们应具有高细度、高纯度、严格的粒度分布、一定的晶体形状。要达到这一要求，传统的机械粉碎如球磨机，雷蒙磨等已经不能满足生产加工需求。国家科委已将超微粉体材料与技术工程列为“九

五”“十五”重点高科技项目加以推广。各科研院校及相关粉体设备生产企业都致力于高性能粉体制备技术的开发与研究并取得了一系列的成绩。高速气流法制备微纳米粉体技术是一种适用于脆性物料的超微粉碎，尤其适宜于聚集体或凝聚体物料颗粒的粉碎技术。

1 高速气流法制备微纳米粉体的原理

高速气流粉碎机的下部为相对布置的拉瓦尔喷嘴，用来释放超音速气流使物料相对碰撞，物料在腔体内呈流化状态。同时速度可调的高速旋转分级轮，产生离心力场，引导粉碎后的气固两相流通过分级轮叶片之间的间隙由外向内运动时，颗粒被强制在离心力场中做高速旋转，较大的颗粒在强大离心力的作用下被甩向外壳，并在重力作用下，沉降到粉碎腔继续粉碎，较小颗粒则在气体拽力的作用下，随气流向转子内部运动，成为合格产品通过管道进入旋风收集器。它的分级精度较高，达到细度的颗粒能及时分离出主机，防止过粉碎增加能耗，具备高效生产特点。在该技术中如何达到粉碎效果，降低能耗是关键环节，影响该方法制备微纳米粉体主要有以下几个原因：

1）工作介质压力对高速气流法制备微纳米技术的影响 物料在粉碎腔中的冲击表现为自由状态冲击，颗粒与颗粒之间在飞行过程中的相互冲击碰撞如正面碰撞、追赶碰撞代表大多数高速气流粉碎机内发生的冲击碰撞过程，其他的一些运动包括高速运

动的颗粒与固定靶板壁面的正面或斜向撞击从而达到使物料粉碎的目的。该撞击的能量由喷嘴喷出的高速气流提供，只有当运动中的颗粒获得足够的动能，颗粒之间相互碰撞产生的能量才会增加，才能达到快速粉碎的目的，这一能量来源于喷嘴喷出的高速气流，当该气流源进入喷嘴前的压力提高时，由伯努利方程可以得出喷嘴出口处的流速会相应的增大，该高速气流从而带动了物料的飞速运行，使待粉碎颗粒获得较高的动能。然而喷嘴出口速度与喷射压力并非线性关系，当工作压力增加到某一定值时，产量的增加和粒度的减小趋缓，这是因为当工作压力超过一定值时，打破了喷嘴喉部前后的压力比，从而可能在粉碎腔产生激波或湍流，气流穿过激波时速度下降，固相物料颗粒速度几乎不变，气固两相的速度差导致固相撞击速度下降而影响了粉碎效果。因此工作介质压力对高速气流法制备微纳米技术有着较大的影响，针对不同物料需找一最佳值，这样才能有效避免能量浪费，提高单位值经济效益。 2）进料速度及均匀性对高速气流法制备微纳米技术的影响 物料被挤压或喷射进粉碎腔时，物料即接受喷嘴出来的高速气流的能量。当粉碎腔内物料颗粒较少时，颗粒之间的相互碰撞的概率减少，则时间值内粉碎颗粒粒径增大；当粉碎腔内物料颗粒超出额定范围值时，每个颗粒获得的单位动能比值降低，同样导致相互碰撞粉碎的概率降低。当进料颗粒浓度时高时低的情况下，导致粉碎腔内气固两相比值不稳定，从而破坏了粉碎腔内的压力稳定，扰

乱气固两相流流场，降低了生产力。因此寻找最佳的进料速度并稳定进料速度在高速气流法制备微纳米技术中也起着一定的重要作用。

3）工作腔壁对高速气流法制备微纳米技术的影响

物料颗粒除了在粉碎腔内相互碰撞、冲击而产生粉碎之外，与粉碎腔壁之间的碰撞、摩擦也是粉碎的一个重要途径。但是物料颗粒在与介质的相互摩擦过程中会产生大量的热量，同时工作腔壁的磨损会对物料造成污染，降低产品的纯度，不符合现代高新产业对原料的纯度要求。因此与物料和气流相接触的粉碎腔则用一些特殊的材料制作（聚氨酯、碳化钨、各种不锈钢等耐磨材料制成）。其中又以陶瓷衬板作为粉碎腔的内衬尤为理想，经验证对于一些要求较高的物料其白度，纯度都基本无影响。

工作腔壁采用陶瓷作为内衬，如何增加物料颗粒与陶瓷内衬之间的摩擦，达到提高粉碎效率的目的，一般在内衬表面制作起伏的纹路。

4）加料方式对高速气流法制备微纳米技术的影响

在实际生产过程中加料一般通过两种方式：一是物料与工作介质一起通过喷嘴，喷射到粉碎腔中；另一种是物料通过加料器被挤压或喷射入粉碎腔中。前者加料方式对喷嘴磨损大，且喷嘴内部曲线变化大，影响了气流在喷嘴出口的马赫数，以及压力变化与速度变化较大，且喷嘴的磨损导致污染。后者磨损较小，且对气压，风

速无明显影响，在应用过程中一般采用后者。 高速气流法制备微纳米粉体的应用现状

目前工业上应用的气流粉碎机主要有以下几种类型：扁平式气流磨、流化床对喷式气流磨、循环管式气流磨、对喷式气流磨、靶式气流磨。其中扁平式气流磨、流化床对喷式气流磨、循环管式气流磨应用较为广泛，现将其工作原理做一个简单阐述： 1）扁平式气流磨

作为粉碎动能的高压气流进入粉碎腔外围的稳压储气包作为气流分配站，该气流经过拉瓦尔喷嘴加速成超音速气流后进入粉碎磨腔，同时物料经文丘里喷嘴加速导入粉碎磨腔内进行同步粉碎。由于拉瓦尔喷嘴与粉碎腔安装成一锐角，因此该高速喷射流在粉碎腔内带动物料做循环运动，颗粒之间以及颗粒与固定靶板壁面产生相互冲击、碰撞、摩擦而粉碎。微细颗粒在向心气流带动下被导入粉碎机中心出口管道进入旋风分离器进行收集，粗粉在离心力的作用下被甩向粉碎腔周壁做循环运动并继续粉碎。 2）流化床对喷式气流磨

物料通过螺旋进料器进入粉碎腔后，由数个相对设置的喷嘴喷汇出高速气流冲击能，及气流急速膨胀呈流化床悬浮沸腾而产生的碰撞、摩擦力对物料进行粉碎。粗细混合粉在负压气流带动下通过顶部设置的涡轮分级装置，细粉强制通过分级装置，并由旋风收集器及布袋除尘器捕集，粗粉受重力以及高速旋转的分级装置产生的

离心力甩向四壁并沉降返回粉碎腔继续粉碎。 3）循环管式气流磨

原料由文丘里喷嘴加入粉碎腔，高压气流经一组喷嘴喷入不等径变曲率的跑道形循环管式粉碎腔，加速颗粒使之相互冲击、碰撞、摩擦而粉碎。同时旋流还带动被粉碎颗粒沿管道向上进入分级区，在分级区离心力场的作用下使密集的料流分流，细颗粒在内层经百叶窗式惯性分级器分级后排出。粗颗粒在外层沿下行管返回继续循环粉碎。

但是目前行业内使用最多的流化床对喷式气流磨，由于该粉碎模式所设计的喷嘴沿粉碎腔内壁呈平行、对称排列，只在单一平面内形成对射，因此待粉碎物料只能在一个近似平面的范围内进行粉碎，这就导致了以下几种缺点：（1）物料一旦落入粉碎腔底部的粗料收集器中，就进入了粉碎盲区，无法再继续粉碎；（2）受喷嘴局限，在粉碎腔底部的粗料收集器处于流化态盲区，物料无流化状态，则不能继续粉碎；（3）粉碎区域受粉碎腔的限制导致面积狭窄，使得气流粉碎概率减少。

针对于以上的诸多问题，不少科研单位，生产企业做出了不少的改进，同时也申请了大量的专利。其中以喷嘴三维排布方式效果最为理想，它扩大了粉碎区域，增大了物料颗粒之间的碰撞摩擦概率。是结合扁平式与流化床式而成的一种新型设备，根据性能测试的数据，达到同类产品的水平,在同样产品和粒度的前提下，产量

明显高于同类产品。 2 结论

目前我国高速气流法制备微纳米粉体技术正处于蓬勃发展时期，各类产品都还有很大的提升空间，距国外同类型产品也还有一定的差距，只有在不断实践中研制改进，定能取得良好的效果。 参考文献

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