粉体加工技术

第一讲 绪 论

粉体工程(粉体加工技术)：是一门在掌握超细粉碎理论基础上，以超细粉碎设备结构及工作原理、超细粉碎工艺流程为主要学习内容的课程。

一 非金属矿产及加工利用简介

1 非金属矿产发展

非金属矿产：是指金属矿产和燃料矿产以外，自然产出的一切可以提取非金属元素或具有某种功能可供人们利用的、技术经济上有开发价值的矿产资源。

（因此类矿产大多不是以化学元素，而是以有用矿物为利用对象，所以亦称为工业矿物与岩石。）

在人类发展过程中，非金属矿产起了决定性作用。

古代： 石器（工具） 陶器 青铜器（金属） 非金属矿产受挫 近代： 技术的进步和材料结构的多元化，促使了非金属矿产地位不断上升。 从科学技术角度看：已进入信息时代

从矿产资源利用看：进入一个以非金属资源为中心的综合开发时代。

(50年代开始，世界非金属矿产产值已经超过金属矿产产值，发达国家非矿产值超过金属矿产2~3倍。)

我国非金属矿产发展情况

我国是世界上最早利用非金属矿产的国家之一。但是近代由于封建制度的闭关自守及帝国主义国家列强的侵略掠夺，我国的非金属矿产发展落后于西方发达国家。

我国已发现有经济价值的非金属矿产有100多种，是世界上品种齐全、储量丰富的少数国家之一。

储量居世界前列的非金属矿产有：石膏、石墨、滑石、膨润土、石棉、萤石、重晶石等 储量在世界上有重要地们的非金属矿产有：高岭土、硅藻土、沸石、珍珠岩、石灰石等。 非常具有发展潜力的非金属矿产有：硅灰石、长石、凸凹棒石、海泡石等。

80年代开始我国非金属矿产日益受到关注（非金属在世界市场走俏）近十几年来我国非金属矿产出口增长，已成为出口创汇的一个重要方面。

但我国非金属矿产加工技术――比较落后

出口的非金属矿产产品种类――原矿和初级产品

（许多工业部门和人们日常生活所需的非金属矿深加工产品还需进口，有的甚至是我们出口的原矿或初级产品加工而成。）

2 非金属矿产开发利用新趋势

从目前国内外非金属矿产开发利用的特点，可反映出如下几个趋势：

（1） 已开发的老品种，其利用范围和开发深度不断扩大。

体现形式――大部分矿种已不限于一两个工业部门的少数用途，老矿种的新特性新功能不断被发现并得到利用(如高岭土)。

（2） 新开发的新矿种不断出现，且许多新矿种在应用方面表现出独特性能。

（3） 由直接利用非金属矿原料或粗加工产品（选矿精矿及粉料产品）向深加工及制

成品方向扩展。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 2

（4） 人工合成非金属矿物和天然非金属矿资源的综合利用，也愈来愈受重视。 总之，随着科学技术不断进步和社会需求的多样化，单纯利用非金属矿物原料或选矿粗加工产品，已在很多方面不能适应市场的发展需要，非金属矿产的深加工也成为非金属矿行业发展的必然趋势。所以，为适应市场和科学技术发展需要，非金属矿矿产发展方向应为：

非金属矿矿产发展：向高纯化、超细化、功能化、多品种、多系列方向发展。 非金属矿企业发展：向集团化的综合加工方向发展。

3 非金属矿深加工的主要内容

各类矿产的应用特点 金属矿产：通过冶炼提炼出其中的金属元素 这两类矿产都是以改变矿物原料 燃料矿产：利用并通过热化学反应提取其中的 的化学结构来达到其利用目的。

热能或有机化学组分。

非金矿产：绝大部分是利用其固有的技术物理性能，或利用其加工以后形成的物理特性及物

理化学性能。 材料工业的三大支柱：无机非金属材料、金属材料、有机高分子材料

无机非金属材料：利用某些矿物原料加工成其有某种功能、能被人们直接利用的材料。 1）非金属矿产加工利用阶段

在开发利用非金属矿产资源途径中，最简单的是直接利用（砂、石、粘土和经选矿提高了利用层次和经济价值的产品），但其本质仍是一种原料（制取某种材料的原料）。如果要将采出的非金属矿产加工成经济价值高的各类功能性材料，要经过如下几各加工阶段。 （1）初加工

非金属矿产初加工――指传统的矿物加工方法对矿物或岩石进行破碎、磨矿、分级以及有用

矿物的分选或富集。

初加工的任务：为材料工业部门提供从颗粒粒级上或有用矿物品位上都合格的原料矿物。 （2）深加工

非金属矿产深加工――将经过采选粗加工后的原料矿产，根据用户或制品对其技术物理性能及界面性能的要求，再进一步进行精细加工的过程。（深加工相对初加工的加工处理程度而言）

非矿深加工产品特性：

经深加工的矿物已不在是一种原料，而是具有某些优异性能可供直接利用的材料。具体体现在：

 保持了原料矿物的单一材料性与固体分散相特征。  矿物与化学成分不发生根本改变

 所被利用的技术物理特性与界面化学性能有质的飞跃  有时会发生局部晶层构造变异与表面化学性能改变 经深加工的产品在性能上己远不同于初加工的产品，其固有的天然矿物性能己发生质的变化（进行深加工的主要目的）。

例：膨胀珍珠岩或蛭石、煅烧高岭土、活性白土、轻质碳酸钙 (PCC)等。

窑 CaCO3+(heat) CaO+CO2 （生石灰） 轻质碳酸钙生产方程式：熟化器 CaO+H2O Ca(OH)2 + 热 （熟石灰） 反应器 Ca(OH)2+ CO2 CaCO3 + 热

重质碳酸钙(GCC) (方解石、白云石)直接超细粉碎加工得到的碳酸钙粉体产品。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 3

轻质碳酸钙特点：结构或晶体形态可选；凝聚程度可选；粒度分布窄---可以为某一特定用途“度身定做”。

2）非金属矿深加工的主要内容

（1） 精细提纯 主要是指采用化学选矿等方法的提纯； （2） 超细粉碎 包括具有特殊结构矿物的剥离及超细分级；

（3） 矿物改性与改型 化学处理改性、界面处理改性、热处理改性； （4） 特殊机械加工 矿物（或岩石）切、磨、抛、雕等工艺。

二 超细粉体技术研究的内容、作用及发展趋势

1 超细粉体技术的研究内容及范畴

1）超细粉体的定义

超细粉体技术是近几十年来发展起来新技术，其名词解释和基本概念尚无统一的定义。 超细定义： Ultrafine Superfine Varyfine

粒径范围： <100μm <30或<10μm <1μm 国外通用<3μm 我国定义： 超细 超微 超细微 粒径； <3μm 或<10μm；

<100μm或<300μm 100%小于<30μm定义。 李凤生

按粉体粒径大小又分为：微 米 级 1μm~30μm； 《超细粉体技术》

亚微米级 0.1μm~<1μm； 纳 米 级 0.001μm~<0.1μm

细粉 10μm~1000μm； 传统的粉碎和磨粉设备加工 超细粉 0.1μm~10μm； 超细粉碎设备加工 郑水林 超微细粉 0.001μm~0.1μm； 难以完全用机械粉碎方法加工， 《超细粉碎》

需采用其它物理化学方法加工

超细粉碎：一般将加工0.1μm~10μm的超细粉体粉碎和相应的分级技术称超细粉碎 2）超细粉体涵盖的相关技术

制备技术；分级技术；分离技术；干躁技术；输送、混合与均化；表面改性；粒子复合；粒度及性能检测；制造及储运过程中的安全、包装与运输，应用等技术。 由于粒度级别不同造成粉体材料的性质和相关技术有很大差别，又可分为： 微米技术；亚微米技术；纳米技术。 3）所涉及的学科领域

化工；材料；医药；生物工程；食品；军工；航天；电子；机械；力学；物理；化学；光学；电磁学；机械力化学；液体力学；空气动力学。

2 超细粉体在国民经济中应用

超细催化剂------可使石油解裂速度提高1~5倍

油漆、涂料、染料------高附着力、高性能

1）化工领域造纸、 橡胶------增强、增光、抗老化（碳酸钙、氧化钛）

化纤、纺织------提高光滑度（加入氧化钛、氧化硅） 日用化工-----化妆品、牙膏等（应用最早的行业）

医药细化------提高吸收率（超微钙）

2）生物、医学 亚微米及纳米级针剂

保健品细化------提高吸收率

粉 体 加 工 技 术 讲 义 4

超硬、抗冲击材料-----陶瓷粉、硬塑（重量轻）

超细氧化剂、炸药-----燃烧速度提高1~10倍

3）军事、航空、电子、航天等领域 超细氧化铁粉-----高性能磁材料

超细氧化硅------高性能电阻材料

超细石墨-----高性能显象管和电子对抗材料

3 超细粉碎技术发展、现状及趋势

1） 发展简史

超细粉碎是随着现代科学技术发展而兴起的一门跨学科、跨行业的高新技术，同时也是老的粉碎技术的新发展和新的应用。

超细粉碎技术发展于上世纪60~70年代。

压碎机

粉碎技术发展 16世纪----19世纪中叶新概念磨机 很多种类破碎机至今仍在应用 研磨机

粉碎工艺不断改进 20世纪70年代至今 超细粉碎技术逐步完成并趋于完善

新设备不断延生 （1） 超细粉碎设备的发展

超细粉碎技术发展初期，着重粉碎技术和设备的研究开发。

70年代前，只能粉碎到325目，而现代工业需要多为500~1250目，更高者甚至要求亚微敉或纳米级，因此要求不断推出新的超细粉碎设备。

美、德、前苏联相继研制出新型气流粉碎机、高效搅拌研磨机、高速冲击式粉碎机、冷冻粉碎机等数十种新型粉碎设备。

近年来发展起来的超细粉碎机有：行星式球磨机、振动球磨机、搅拌球磨机棒机等。 针对一些特殊性能的材料，新研制出砂磨机、剥片机、胶体磨机等。 （2）粉体分级技术的研究与发展

由于现代科学技术的不断发展，应用部门对超细粉体提出的要求越来越高（粉体细、粒径分布窄）。而机械粉碎方法加工出来的粉体粒径分布一般较宽，为满足用户要求，须对粉体进行分级处理。

16世纪以前就出现以筛分为代表的分级技术，但筛分对超细粉体则无能为力。70年代开始，随着新型超细粉设备的延生，分级技术也有了飞跃性发展。

到目前为止，分级方法有两种，干式和湿式。干式分级极限在微米级，湿式分级可达亚微米级。

超细粉体分级机的主要类型：叶轮式、涡流式、漩流式、碟式、卧螺式等。

分级机使用方式：单元操作使用和组合使用。多用粉碎机与分级机组合使用，其优点是：

可提高系统产量，避免物料过粉碎，同时可降低能耗和成本。 2）超细粉体技术发展趋势

由于超细粉体技术是一门跨学科跨行业的新兴技术，今后发展就集中在如下几个方面： （1） 超细粉体制备 （2） 超细粉体性能研究 （3） 超细粉体应用究

粉 体 加 工 技 术 讲 义 5

对于超细粉体制备技术，主要在于研究更新的制备原理、方法和设备，其主要目的在于：

 能制备出粉体粒度更细、分布更均匀、分散和表面性能更优的粉体产品；  设备生产能力大，产量高、能耗低、耐磨性好、使用寿命长；  工艺简单、生产连续、自动化程度高、产品质量稳定。

3）今后研究的主要任务 超细粉体性能研究。可望通过粒子设计对粉体进行改性或复合处理，使其达到理想性能。 4）今后研究的主要内容：

超细粉体的应用，重点放在拓宽超细粉体在国民经济中应用领域和拌随出现各种问题。 开拓超细粉体新的应用领域进而引起某些技术领域的技术革命或变革是超细粉体同时也是非金属矿行业是否有生命力的关键。

三 授课内容及相关参考资料

1 授课内容

颗粒粒径及颗粒形状

1）粉体颗粒的几何特征 颗粒粒度测量方法 粉体摩擦特性 2）粉体特性 颗粒断裂与破碎 超细粉体制备方法介绍

3） 超细粉体粉碎技术 超细粉体制备常用设备（工作原理、设备结构）

超细粉碎设备工作参数 分级的主要目的和原理 4） 超细粉体分级技术 常用分级方法介绍

常用分级设备（工作原理、设备结构、主要参数） 5） 超细粉碎工艺 超细粉碎工艺流程

超细粉碎工艺实例 2 使用的教材及参考资料

教 材： 《超细粉碎》 郑水林 编著 中国建材出版社 参考资料： 《粉体加工技术》 卢寿慈 主编 中国轻工业出版社

《超细粉体技术》 李凤生 主编 国防工业出版社 《矿物加工颗粒学》 曾凡等 编著 中国矿业大学出版社 《破碎筛分设备选用手册》 唐敬麟 主编 化学工业出版社 《超细粉碎分级技术》 盖国胜 主编 中国轻工业出版社

3 授课安排 课堂授课： 44学时 实 验： 16学时

作业：

1 回答下列问题：

什么叫非金属矿产？

各类矿产的应用特点是什么？ 什么叫超细粉碎？

研究超细粉体制备技术的主要目的是什么？

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第二讲 颗粒的表征

一 颗粒概述

1 颗粒与颗粒体

颗粒：描述物料细分状态的个别物理单元叫颗粒（或颗粒是物料的离散单元）。

自然界中大部分固体物质都是以颗粒状态存在（土壤、泥沙、尘埃、谷物、面粉、糖、盐、矿砂、药丸、煤粉、涂料等等）。 颗粒体：大量颗粒的集合体

粉 体：由大量细小颗粒组成的集合体（1mm以下、英国）

2 颗粒分类

1） 按颗粒成因分类――自然粒体 工业粉尘 人工颗粒 自然粒体――由自然力作用而成 作用方式――风化、冲击波、火山爆发 颗粒类型――石英粉砂、泥沙、火山灰

工业粉尘――工业生产活动中某些生产环节所产生的污染粉尘 产尘形式――燃烧、矿石采掘、破碎、运输、掺合等 粉尘类型――细粉扩散到大气中

人工粒体――人工方法制造的粒体（各工业部门的产物（产品） 颗粒类型――精矿粉、水泥、奶粉、食糖、各种填料、涂料和化肥等 2） 按颗粒大小分类

颗粒大小分类表 粒限（µm） 粒 级 加工工艺 观察手段 ＋500 粗 粒 破碎 肉 眼 500~100~75 中 粒 粗磨 75~10 细 粒 细磨 放大、显微镜 10~1~0.1 亚超细粒 超细粉碎 -0.1 超细粒 化学法 电子显微镜 二 颗粒的几何特征

颗粒的几何特征主要指颗粒的大小、外形、表面积等。对于粉体颗粒来说，颗粒的大小最为重要。实际中，常用颗粒在空间中所占的线性（一维）尺寸表示颗粒的大小。相应地，表征颗粒尺寸的就是物料的粒度和其分布特性，它在很大程度上决定颗粒加工的工艺性质和效率的高低，是选择设备及进行过程控制的基本依据，所以，仅对物料的应用而言，粒度是最主要的指标之一。

1 粒径和粒度

粒径：对于单个颗粒来讲，某种表示其大小的“线性长度”叫粒径。 粒度：在多颗粒系统中，颗粒的平均值大小称粒度。

粒径是表示一个颗粒的大小，而粒度是一组颗粒大小的总体概括，单一粒径在实际应用

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中是不存在的，因此习惯上将粒径和粒度通用。

2 粒径的种类

由于超细粉体是多颗粒系统（各种粉体、液滴、气泡群等），其形状千变万化，用来表示其大小的粒径也不一样。粉体颗粒形状有较规则的球形体和正立方体，但多数为非球形和正立方体的不规则体。对于球形和立方体来说，直径和边长就可认为粒径，但对不规则状的粉体来讲，立方体边长，长方体长和等效球体径都可作为其粒径。

2.1 轴径

三轴径：在笛卡尔坐标系中，一个不规则颗粒的三维空间最大尺寸外接长方体的各边长度，为该颗粒的三轴径。（相当每边都与其相切的长方形盒子中，长方体三个边 长l、宽b、高h）。

由轴径计算的各种平均径

序 号 1 2 3 4 5 3计算式 名 称 长短轴平均径 二轴平均径 三轴平均径 三轴调和平均径 二轴几何平均径 三轴几何平均径 三轴等表面积平均径 物理意义 平面图形上的算术平均值 三轴算术平均值 与外接长方体比表面 各项相同球体直径 平面图形上几何平均 与外接长方体体积相同 的立方体的一条边 与外接长方体表面积相同 的立方体一条边 bl 2lBh 33 1/l1/b1/hlb lbh 6 2lb2bh2lh 62.2 投影径 在用显微镜观察颗粒粒径时，由于颗粒的最大稳定度（重心最低）总量处于最低平面，所以观察到的是颗粒的最大投影面积，因此，可按其投影的大小定义颗粒粒径，由于颗粒的不规则和不确定性，投影径在如下几种： 1） 二轴径：颗粒投影的外接矩形长和宽。

2） Fetret（弗雷特）径：与定方向颗粒投影相切的两条平行线之间的距离；记作DF。 3） Martin（马丁）径：在一定方向上将颗粒投影面积分为两等份的直径；记作DM。 4） Krumbein(定方向最大径)：在一定方向上颗粒投影的最大长度；记作DK。 5） Heywood（投影面积相当径）：与颗粒投影面积相等圆的直径；记作DH。 6） 投影周长相当径：与颗粒投影周长相等圆的直径；记作DC。

显然，对于不规则颗粒，在显微镜下所测得的各种粒径与颗粒的取向有关，但当测量

的颗粒数目很多时，因取向所引起的偏差大部分可以互相抵消，所得到的结果是很多颗粒粒径的统计平均值。因此投影径也可称为统计平均径。 2.3 当量直径

形状规则的颗粒可以用某种特征线段来表示其大小（直径、棱长等），由于矿物颗

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粒形状具有广泛的不确定性，其真实粒径不易确定，因此常用一些同体积的规则物的特征线段作为不规则颗粒“相当粒径”，亦称当量或演算直径。

当量直径：通过测定某些与颗粒大小有关的性质，推导出与线性量纲有关的参数。

（如利用某种方法测得一不规则颗粒的体积，再计算出该体积球的直径，则所计算出的直径就是该颗粒的一种直径，“球“当量径）。

不同当量直径特征表

名 称 体积直径 面积直径 体积面积直径 符号 公 式 物理意义或定义 与颗粒具有相同体积的圆球直径 与颗粒具有相同表面积的圆球直径 与颗粒具有相同外表面积和体积比的圆球直径 层流区（Re0.5）颗粒的自由落直径 注： v――颗粒沉降速度 ――介质粘度 s――颗粒密度 l――液体密度

2.4 筛分径

颗粒可通过的最小方筛孔宽度

dv ds dsv dst 33V/ S/ ds2/dv3 沉降速度相当径 18v/g(sl 三 粒（径）度分布

由于所研究的粉体是多颗粒系统，如果整个颗粒系统全为粒径相等颗粒，则颗粒系统叫： 单粒度体系：颗粒系统的颗粒全部相等的颗粒系统。 多粒度体系：颗粒系统中粉体由不同粒径的颗粒组成。 粒径（粒度分布）：用简的表格、绘图或函数形式来反映出粒度群体中各种颗粒大小及对应

关系，称为粒度分布（状态）。

用颗粒的特征尺寸（线性、面积、体积）和总量（个数、面积、体积）可完整的表示出粒度群体颗粒状态。所以，特征尺寸称粒度变量，总量称总体数量。 粒度分布表示方法有列表法、作图法和函数法。

1 列表法

列表法：将粒度分析所得到的原始数据及由此计算出的相应数据列成可供粒度分析的表格。 原始数据内容：粒度区间、各粒级质量、面积、体积及颗粒数等。 优点：通过列表方法简单反映出各粒级分布情况，找出主导粒级、各粒级频度和累积含量等，

同时也是其它表达方法的基础资料。

缺点：数据量大时列表麻烦，表中的数据不连续，不能马上读出表中未列出的数据。

（此种方法是粉体粒度分析中最常用方法）

例：在某一组粉体样品中，已知样品总量N（个数/质量）、某一粒度值或大小的范围(D/D)

和与之对应样品数量n，则某一粒度值或大小的范围样品产率（频率）用如下公式表示：

粉 体 加 工 技 术 讲 义 9 f(D)n100% N负累积 频 率 正累积 频 率 粒度分析综合数据表 粒度 h 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 合计 粒度 范围 区间间隔 dD 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 平均 粒度 D 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 12.5 颗粒数 dn 0 5 9 11 28 58 60 54 36 17 12 6 4 300 相对频率 f(D)/% 0.00 1.67 3.00 3.67 9.33 19.33 20.00 18.00 12.00 5.67 4.00 2.00 1.33 Di~Di1 0.0~1.0 1.0~2.0 2.0~3.0 3.0~4.0 4.0~5.0 5.0~6.0 6.0~7.0 7.0~8.0 8.0~9.0 9.0~10.0 10.0~11.0 11.0~12.0 12.0~13.0 R(D)/% 0.00 1.67 4.67 8.34 17.67 37.00 57.00 75.00 87.00 92.67 99.67 98.67 100.0 F(D)/% 100.0 98.33 95.33 91.66 82.33 63.00 43.00 25.00 13.00 7.33 3.33 1.33 0.00 2 作图法 作图法：在直角坐标系中用矩形或曲线图方法将粒度分布情况表示出来。 常用来表示粒度分布的图形有矩形图、 频率分布函数图和累积分布函数图。 2.1 矩形图法 作图方法：在直角坐标系中，以粒度范围 为长度在横坐标轴上做矩形底边，以各级 粒径/μ频率（颗粒数、百分含量或单位长度频率 为矩形的高作平行于纵坐标轴的矩形。 优点：可一目了然地看出各粒级的变化及 主导级别等情况； 缺点：非连续分布，缺少各粒级范围内的 信息，不能完整地反映整个粒群的 粒度特征。 粒径/μ 2.2 函数曲线图法 2.2.1 微分分布曲线图（频率分布图） 当所提供的物料粒度级别多，粒级间隔足够小时，连接矩形图每一个矩形顶边的中点，累积分布/%f(D)频率% 粉 体 加 工 技 术 讲 义 10

可得到一条光滑曲线，这条曲线既为该粒群的微分分布曲线（频率或密度函数曲线）

粒度的微分分布曲线表示的是各个粒径相对应的百分含量。 物理意义：

微分粒度区间（D到DdD）颗粒所占的数量——产率。

2.2.2积分分布曲线图（累积分布图）

将一种粒度到另一种粒度间各级产率相加，也就是通过积分求和方法得出密度函数：

DAF(D)'Dminf(D)dD

上式中F(D)称为粒群粒度分布函数，反映粒群函数的图线称为该粒群粒度分布函数图（累积分布曲线）。表示小于或大于某指定粒度的累积产率的百分数。 负累积分布曲线：小于某指定粒度的累积分布曲线（F(D) ） 正累积分布曲线：大于某指定粒度的累积分布曲线（R(D) ）

R(D)100F(D)

3 函数表示法

函数法：用数学方法将物为粒度数据归纳、整理并建立能反映物料粒度分布规律的数学模型——粒度特性方程。

粒度特性方程便于进行统计分析，数学计算和应用电子计算机进行复杂分析运算。 粒度特性方程可以表现：

粒度分布情况、通过解析方法可以求出各种平均径、比表面积、单位质量颗粒数等。

到目前为止，粒度特性方程均为经验式，上世纪20年代以来，人们已提出数十种特性方程，在矿物加工中最常用的有3种。

1） 盖茨(Gates)高登(Gaudin)舒兹曼(Schutzmann)yy 粒度特性方程（GGS）

DF(D)100D

max式中：F（D）——筛下物（负累积产率）；%

Dmax——物料中最大粒度 D——粒度

m——分布模数（与材料性质、设备性能有关）

鄂式破碎机、辊式破碎机及棒磨机细粒级产品符合该方程，球磨机产物近似符合。 2） 罗辛（Rosion）——拉姆勒(Rammler) 斯波林(Sperling)、本尼特（Bennett） 称RRSB方程。

m 粉 体 加 工 技 术 讲 义 11

DnR(D)100exp

DDF(D)100100expDen 式中：R（D）——筛上物（正累积产率）；%

F（D）——筛下物（负累积产率）；% D——粒度

De——临界粒度（R（D）=36.8或F（D）=63.2时对应的粒度 n—分布模数（均匀系数，表示粒度范围宽窄）

四 平均粒径

在矿物加工过程中，实际所接触的是颗粒群体，因此用粒度对粉体群颗粒大小进行描述，即平均粒径。粒群的平均径可由作图法和数理统计方法求出。

1 用图示法表示粒群平均粒径

在直角坐标系中，以粒径为横坐标，以粒子数频度和累积百分数为纵坐标，做出粒群的频率分布曲线和累积分布曲线，在此图上可近似查出如下粒径：

峰值粒径――频率分布曲线最高处对应的横坐标； （Dmod）

中位（中值）粒径――累积分布曲线50%高度处对

应的横坐标(Dmed)。

2 用统计法求粒群平均粒径

用统计方法计算平均粒度方法很多，但对特定粒群，用不同方法计算所得到的平均粒度值是不同的，有的甚至相差甚远。因为任何一个平均值，仅代表了统计值的某一方面，而不能全面表征各数量间关系，因此，在实际应用时，要根据具体对象来合理地选择某一种计算方法。

2.1 几种用于平均粒径计算的表达式

如果颗粒粒径遵循某种规律并可用函数表示，则平均粒径可由函数表达式计算。如假设颗粒体下正立方体，以n为颗粒数，d 为边长，ρP表示密度，则此粒群是由粒径

d1,d2,d3,dn组成的集合体，每种颗粒的个数为n1,n2,n3,nn其物理特性可用各粒

径函数加成表示：

f(d)f(d1)f(d2)f(d3)f(dn)

粉 体 加 工 技 术 讲 义 12

一些可用计算粒径主要函数表达式

颗粒总长 颗粒群的总表面积 颗粒群的总体积 颗粒群的总重量

(nd)

iii1n(6ndii1nn2i)

(ndii1ni13i)

i3i Pn(ndi2i)

n颗粒群的比表面积

(6ndi1ni)/(nidi3)

i1n平均比表面积 2.1 几种平均粒径计算 1） 以个数为基准计算

(6n/d)(n)

iii1i1由于颗粒群是 d1,d2,d3,dn组成的集合体，且每种颗粒的个数为

n1,n2,n3,nn则颗粒群的总长度可表示成：

n1d1n2d2n3d3nndn(nidi)f(d)

i1n将全部颗粒视为粒径为D的均一颗粒，即可上式中的d由D代替得：

n1Dn2Dn3DnnD(niD)Dnif(D)

i1i1nn(nd)由f(d)f(d) 有 (nd)Dn 则个数平均径得： D nnniiii1i12） 以质量为基准计算

颗粒群颗粒的总长度、总面积和质量等物理参量都与粒群的颗粒数n有一定关系，设颗粒为边长为d的立方体，总长度为l，总面积为s，总质量为m，各参量与个数的关系为：

nmsln n

Pd3d6d2以颗粒比表面积定义为例：f(d)

(6ndii1n2i)/(nidi3)

i1n 粉 体 加 工 技 术 讲 义 13

f(D)

n(6nD)/(nDi2iii1i1nn3i)D26ni1ni/D3ni1ni

由f(d)f(D) 有

(6ndii1n2i)D26ni1nni6ni1ni1ni(ndii13i)D3ni1iDnin3i6 Dm3(d)6(nid)(nid)i3i1Pdi1则 Dni1innm2(6nidi2)(nidi2)(d)i3i1i1i1Pdn3in(m)m()di1i1nn

个数基准和质量基准可以互换（计算公式14页），各种平均粒径计算见表1-5、1-6（13-14页）。

五 颗粒形状

颗粒形状：颗粒的轮廓边界或表面上各点的图像，称为颗粒形状。

颗粒形状是颗粒的几个几何性质（粒度、形状、表面结构、孔结构）中较为重要的一个，颗粒形状对颗粒群的许多性质和行为都有影响（比表面积、流动性、固着力、增强性、填充性和研磨性等），鉴于上述原因，工业上对作为添加剂的粉体产品有不同要求。 序号 1 2 3 4 5 6 产品种类 橡胶填料 塑料填料 涂料、墨水、化妆品 磨料 洗涤剂和食品工业 炸药引爆物 对性质的要求 增强性和耐磨性 高冲击强度 固着力强、反光效果好 研磨性 流动性 稳定性 对颗粒形状的要求 非长形颗粒 长形颗粒 处状颗粒 多角状 球形颗粒 光滑球形颗粒 1 颗粒形状定性分析

颗粒形状千差万别，描述颗粒形状的方法分两类：定性分析（语言术语）和定量分析（数学语言）。

定性分析就是用一些定性的术语来描述颗粒形状。

名 称 定 义 形 状 球 形 圆形球体

滚圆形 表面比较光滑近似椭圆形

多角形 具有清晰边缘或粗糙的多面形体 不规则体 无任何对称的形体

粒状体 具有大至相同量钢的不规则体 片状体 板片状形体

粉 体 加 工 技 术 讲 义 14

枝状体 形状似树枝体

纤维状 规则或不规则的线状体 多孔状 表面或体内含有大量的孔隙

定性分析非常粗糙，不够确切，难以准确地描绘颗粒形状。

2 颗粒形状定量分析

单一颗粒形状尺寸

放置在水平面上的单一颗粒处于稳定状态时，在相互正交的三个方向上测得最大值为： L----长径，B----短径，T----厚度。 1）均齐度

颗粒的两个外表尺寸的比值称为均齐度（比率）。

长短度 N=L/B 扁平度 M=B/T

2）柱状度

如颗粒平均厚度记为T，则T与T之比Pr称为柱状比， 即PrT/T。 4）充满度

体积充满度：颗粒外接长方体体积与该颗粒体积之比，FVLBT。 VP面积充满度：颗粒投影外接距形面积与该颗粒投影面积之比，FA7）球形度（真球度）

LB。 A222表示颗粒接近于体形状的程度。SDV/S （S球=4rD）

8）圆形度

定义了颗粒的投影形状与圆接近程度 CDH/L

9）形状系数

形状系数----规则形状颗粒的体积、面积分别与其线性尺寸因次的比例关系。

设颗粒直径为d，面积为S，体积为V，

23则：ssd VVd 2则表面形状系数 SS/d 3体积形状系数 VV/d

比表面形状系数 SVS/V

对于不规则颗粒，形状系数随粒度计算方法而变（如几种投影径），研究粒群颗粒形状时，要分别有其平均值。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 15

第一章作业

回答下列问题：

什么叫非金属矿产？

各类矿产的应用特点是什么？ 什么叫超细粉碎？

研究超细粉体制备技术的主要目的是什么？

第二章作业

粒度分析综合数据表

粒度范围 间隔 dD 0.6 0.8 1.2 1.6 2.4 3.2 4.8 6.4 9.6 12.8 19.2 25.6 平均粒度 D 1.7 2.4 3.4 4.8 6.8 9.6 13.6 19.2 27.2 38.4 54.4 76.8 颗粒数 dn 1 4 22 69 134 249 259 160 73 21 6 2 相对频率 f(D)/% 0.1 0.4 2.2 6.9 13.4 24.9 25.9 16.0 7.3 2.1 0.6 0.2 负累积频率 F(D)/% 0.1 0.5 2.7 9.6 23.0 47.9 73.8 89.8 97.1 99.2 99.8 100.0 正累积频率 R(D)/% 100.0 99.9 99.5 97.3 90.4 77.0 52.1 26.2 10.2 2.9 0.8 0.2 Di~Di1 1.4~2.0 2.0~2.8 2.8~4.0 4.0~5.6 5.6~8.0 8.0~11.2 11.2~16.0 16.0~22.4 22.4~32.0 32.0~44.8 44.8~64.0 64.0~89.6 合 计

根据上表所给数据：

1） 分别画出粒度分布矩形图、正累积分布曲线图、负累积分布曲线图 2） 在粒度分布图上标出峰值粒径和中值粒径

3） 设颗粒是边长为d的立方体，试求颗粒群体总长度、总表面积、总体积、总质量、比

表面积和平均比表面积 （ρP=1400kg/m3）

4） 分别求出以颗粒基准和质量基准的颗粒体平均粒径

粉 体 加 工 技 术 讲 义 16

第3章 颗粒粒度和形状测量方法

颗粒的粒度和形状能显著影响粉体产品性质和用途，颗粒测量在细粒特性方面也很重要，在选矿、超细粉体生产、催化剂、造纸、油漆、颜料和精细化工等工业中，颗粒测量又是过程控制和描述产品特性应用最广的技术之一，因此对粉体颗粒粒度和形状测量日益受到人们重视。

3.1 测量方法分类

现有的测量方法很多，有直接测量法、间接测量法。直接测量是根据颗粒的几何尺寸进行的（筛分法和显微镜法），间接测量是先确定与颗粒尺寸有关的性质参数，然后用理论或经验公式计算粒径大小（沉积法等）。

基于各种测量方法使用的原理不同，所得的参数（粒度变量――长度、面积、体积、质量等）也不同，同时粒度组成（总体数量――颗粒或质量百分数等）也有不同的表示方法。

不同测量方法对比 分测量方法 类 筛 分法 丝网筛 电铸筛 基本原理 测量范围 （μm） 特点 仪器便宜，方法简单，测定所需时间长，分析计算工作量大。 用一定大小的筛子，将被测试样分37~4000 成两部分，留在筛上面的粒径较粗的不通过量（筛余量）和通过筛孔5~120 粒径较细的通过量（筛过量）。 移液管法 根据Stokes沉降原理，分散在沉降介质中的样品颗粒，其沉降速度是颗粒大小的函数，利用移液管测定出液体浓度变化，可计算出颗粒大小和粒度分布。 比重计法 利用比重计在一定位置所示悬浊液比重随时间变化测定粒度分布 利用光透法或X射线透过法测定液体因浓度变化而引起的浊度变化，从而测定样品的粒度和粒度分布。 通过测定已沉积下来的颗粒累积重量，测定样品的粒度和粒度分布。 在离心力场中，颗粒沉降也服从Stokes定律，利用圆 盘离心机使颗粒快速沉降并测出其浓度变化，从而得出料度大小和分布。 1~100 0.1~100 沉 浊度法 降 法 天平法 仪器便宜，方法简单，测定工作量大。 自动测定，数据不需处理便可得到分布曲线，可用于在线粒度分析。 自动测定和自动记录，仪器较贵，测定小颗粒误差较大。 测定速度快，可测亚微米级颗粒，应用较广泛。结果受环境和人为影响较大，重复性性较差。 0.1~150 离心 沉降法 0.01~30 BT3000A （0.04~45） 粉 体 加 工 技 术 讲 义 17

电感应法 库尔特计数器 悬浮在电解液中颗粒，通过一小孔时，由于排出了一部分电解液而使体电阻发生变化，导致小孔两侧电压发生变化，其变化规律是颗粒大小的函数。 当分散在液体中的颗粒受到激光照射时，会产生光的衍射和散射现象，而且颗粒越小散射角越大，通过透镜后在焦平面上形成与颗粒大小和多少有关的光环，用光电接收器接收到此信号便可计算出有关数据。 把样品分散在一定分散液中制取样片，测其颗粒影像，将所测得的颗粒按大小分级，便可求出以颗粒个数为基准的粒度分布。 0.4~200 分辨率高，重复性好，操作较简便。 易堵孔，动态范围小，不宜测量分布范围较宽的样品。 自动化程度高，动态范围大，测量速度快，操作简便，重复性好，可用于在线粒度测量。 光激光粒度 散分布仪 射法 0.05~2000 显光 学 微显微镜 镜法 电 子 显微镜 1~100 直观性好，可观察颗粒形状，但分析的准确性有时受操作人员主观因素影响，不能自动进行测量和计算。 测定亚微米及纳米级颗粒粒度分布和形状的基本方法，广泛用于科学研究，仪器贵重，需专人操作。 与光学显微镜方法相似，用电子束扫描电镜 代替光源，用磁铁代替玻璃透镜，0.005~50 颗粒用显微照片显示出来。 透射电镜 0.001~10 3.2 试样采取与处理

在生产过程中要经常对原料、中间产品和生产管理过程中所需的辅助材料进行数量和质量上的检查，这时不可能将全部物料拿来检验，只能从总体物料按规定中抽取少量在物理和化学等各方面性质能代表所要检验总体物料总体性质的、供分析化验用的样品，这种从大量物料中抽取的出来的少量的、具有代表性以供分析化验用的样品，称为试样，抽取的过程叫采样。

3.2.1 试样采取的一般原则

采样工作就是从大量的原始物料（总体）中取出少量的试样，与总体相比，试样的量是极小的，但是要求这部分试样的理化性质必须尽可能接近总体性质，而试验分析的目的也就量要通过对这一小部分试样的化验来了解总体。如果采取的试样本身不能正确反映总体的各种性质，则说明该试样不具备代表性，这样情况下，无论制样和化验分析结果如何准确，也谈不上体现总体性能和指标，所以称样品和总体间各方面性质的符合程度为样品的代表性。由此可见，采样的一个很重要的问题就是能采集到能充分代表总量各方面性质的试样。但由于各种物料均存在不同程度的离散性，不可能要求所采试样的各方面性质和物料总量完全相同，虽然样品和总体间的误差是不可避免的，但也应尽可能使减少到最低程度，要达到上述要求，就需十分认真地按有关规程和操作方法进行。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 18

保证样品具有代表性的几个原则：

（1） 若被检查的对象是均匀物质（溶液、各种添加药剂和混合均匀的含有颗粒的液体），

则从中采取少量试样就具备代表性；如果被检查的对象在不同时间内都比较均匀，则可在较长时间中采取一次样品，也具有代表性。

（2） 若被检查的对象是不均匀物质时，采取的试样量过少时很难保证样品具有代表性，

这时要根据具体情况在不同地点或不同时间采取多个试样（子样），并将这些子样汇集到一起成为供化验用的试样（总样）。

（3） 由于多个子样合到一起的总样质量相对化验所需的试样量多出很多，因此在进行化

验前对总样进行缩分减量处理，直减到适合化验用量为止。

子样：采样器具操作一次所采取的一份试样。

总样：从一个采样单元中取出的全部子样合并而成的试样。

3.2.2 试样采取

从总体物料中采样的方法和地点很多， 如从连续物流中采样，从一批物料中采样，从许多已装满物料的袋中取样，从堆上和车中取样等。 1） 从胶带输送机上取样

从胶带输送机上取样地点主要有两处，一是在输送机卸料端取样，另一处是在输送机胶带上取样。

（1） 在卸料端取样时，取样工具为接料斗，注意防止粗细颗料离淅现象，接料斗接

料面积最好为全断面接，如不能全断面接料，使料斗的长断面垂直于皮带轮作横向移动。

（2） 在胶带上面取样时，必需将胶带上一小段长度内的物料全部取下，因为胶带边、

中间、表层和底部物料大小不同。取样可用机械刮样器或停机手工采出。

2）从斗式输送机中采样

随机抽取一部分料斗，将斗内物料全部取出。 3) 袋中取样

在袋中取样时，可随机或有次序地间隔选择数袋物料，用勺式取样器在每袋中采取。 4）在车厢或容器内取样

尽量不要在车厢内取样，如一旦需要在车厢内取样时，应先布置取样点，然后用取样勺取样。

5） 从料堆上取样

最好不要在料堆上取样，因为形成料椎时容易形成粗细粒分离现象（对粒度较大物料而言）。如必需在料堆上取料时，须在堆的上中下布置若干测点（下测点不要贴近地面），用勺式取样器取样，有条件的可用气动取样器取样。

3.2.3 试样处理

从总体物料中所采取的总样，还不能直接作为化验用的试样，1)量太多，2)物料有时会发生团聚现象，因此在测定前要对试样进行掺合、缩分和分散处理。 1） 试样掺和缩分

为了使在总体中的不同地取样点取的出的各子样所合并成的总样更具备代表性，要对合并成的总样进行掺合（混合），目的使其更均匀，然后缩分，目的是从掺合好的总样中进一步取出能代表总样性质的适合化验用量的少量用品。所以：

粉 体 加 工 技 术 讲 义 19

掺合（混合）：将试样混合均匀的过程

缩 分：按规定方法将一部分试样留下，其余部分弃掉以减少试样数量的过程。 缩分方法： （1）抓取取样

从预先混匀的物料中多次随意地抓取少量物料，此种方法简单，但误差往往较大。 （2）堆锥四分法

此种方法兼能完成掺合和缩分操作过程。其主步骤是先把试样物料掺合好并堆成一个圆锥体，然后把圆锥体压成厚度均匀的圆饼形，并均匀分成四份（扇形），取其相对两份留作试样继续缩分或直接作为化验用样，其余两份弃掉。 具体操作方法：

将待缩分物料堆成圆锥体，堆锥时物料要从锥顶撒落，每铲不能太满并分2~3次撒落。堆好后最少要进行一次移堆。摊平（压平）堆锥时要用力均匀，向四周推力要一至。所分的四份要均匀，最好用十字分样板划分。

堆锥法在操作不当时会产生较大误差，当粒度较大时会产生粒度偏析现象。试样过大时需重复多次，劳动量较大。 （3）等分格法

对于性质较均匀的物料，可用等分格法进行缩分试样。 具体操作方法：

将预先掺合好的试样摊成一个等厚的扁长方形，然后划分成20等分（5×4），再将其中一份样品全部取出。

优点是留样量小。 （4）缩分器（二分器）法

叉溜式缩分器是由一列平等交错排列，供料宽度相等的斜槽组成。使用时将物料从顶端均匀地左右摆动撒入，试样从下部两侧均等分出。依操作次数可得到原样的1/2,1/4,1/8,······的分量，直到试样被缩分到所需要的数量为止。 优点：缩分精度高，受人为影响因素小。 2） 被测物料的分散处理

粉体颗粒的再团聚是个自发过程，尤其是超细粉体，团聚现象更容易发生。无论何种测量方法，分析结果的准确性在很大程度上都依赖于测量前对被测物料的分散处理。以便使颗粒粒子呈单颗粒离散状态分散在介质中。粒度越细的物料，分散处理的必要性越显著。常用的颗粒分散处理过程有分析介质选择、分散剂添加、悬浮液浓度和施加外力等四个方面。 （1）选择分析介质

分析介质是指粒度测量时采用的介质，广泛应用的是液体，尤其是水及各种溶液。介质的作用就是使颗粒的表面充分润湿，以便在颗粒表面形成较厚的溶剂化膜，促使颗粒彼此分离。对介质的要求是：

极性表面的矿粒以极性液体为介质（石英、硅酸盐等矿粒）； 非极性表面的矿粒以非极性液体为介质（煤、石墨等矿粒）；

密度大的矿粒要采用稠度大的液体（用水（酒精）+甘油、植物油、苯、庶糖等）； 溶液中不能有气泡产生（粘度大时搅拌产生的）。 （2）添加分散剂

粉 体 加 工 技 术 讲 义 20

作用：使有些疏水性矿粒增加亲水性。 粒度测量中常用的介质和分散剂

六聚偏磷酸钠 高岭土、石英、石灰石、重晶石、硅石、滑石粉分散 聚磷酸钠 用于硅酸盐矿物分散 草酸钠 粘土类 鞣酸 石墨 （3）悬浮液浓度

被测悬浮液的浓度也是影响颗粒分散的一个重要因素，浓度高时不利于分散，且过高的浓度会使体系偏离Stokes定律。因此除个别方法（光学显微镜、电子显微镜）外，实际配置的悬浮液浓度都很低：

光透法0.02~0.1%（质量百分浓度）；沉降法0.1~3%；片状钠基膨润土0.01~0.05%（非常低） （4）施加外力

细物料不仅容易团聚，而且有时还有不同程度的强度，因此除用上述介质和分散剂分散外，还必须施加一定的外力以克服粒间的吸引势能来达到分散目的。

手工摇动 机械搅拌 加热或 超声波处理 真空抽气 颗粒往往会发生多个颗粒结团形成“团粒”的现象。“团粒”是妨碍准确进行粒度分布测量的原因之一。因此在测量前要先将“团粒”分离开来。这种促使“团粒”分离成单体颗粒的过程叫分散。分散一般在悬浮液状态下进行，颗粒在悬浮液中分散有三个阶段，一为润湿过程，即液体润湿颗粒（或团粒）的表面；二为团粒中颗粒分离；三为分散状态的保持。在这三个阶段中，使“团粒”的分离是关健。有些时候仅靠分散介质的润湿等作用还不足以使他们很快彻底地分离开来，这样就必须施以外力分散。外力分散效果最好的是超声分散，分散时间一般为3-5分钟。此外还有搅拌、研磨等。这些分散方法也往往结合起来使用（比如在超声分散过程中高速搅拌），分散效果更好。 颗粒分散效果检查：

1) 将已配置好的悬浮液滴一滴在显微镜的载物片上，盖上另一片玻璃以减慢挥发速度，然后放在显微镜下观察，若颗粒互不粘结，以单颗粒形式存在，效果为好。

2) 如测量仪器能测量悬浮液浓度，在正式测试粒度前，对悬浮液反复进行搅拌，并进行多次测量，当悬浮液浓度无明显变化时，可认为分散效果较好。

3.3 颗粒粒度测量方法

3.3.1 筛分法

筛分是最古老、最常用、最简便和最直观的粒径测量和分级方法。19世纪中叶以前，主要用来对较粗颗粒物料按其粒径大小进行大致分级，到19世纪中期能够制造出高精度筛子以后，筛分法才作为一种颗粒粒径测量方法得到广泛应用。 筛分的基本作法：

使已知质量的试样相继通过逐个变细的筛网，并称量每个筛网上收集（剩余）试料量，计算出每个粒级的质量百分数即可。

筛分方法有干筛和湿筛两种。筛孔也有圆形和方形两种。用于测量粒径和分级常用一组筛孔由大到小的套筛，也称试验筛系。 筛孔尺寸系列

在一套标准筛系中，相邻筛网筛孔有一定比例关系，泰勒筛2 现代筛42或，习惯

粉 体 加 工 技 术 讲 义 21

上将2称间隔系列，比较常用。将42系列称连续系列，用于有特殊要求或试验研究上。 筛分方法（干法） 选择筛径

首先选择筛最大和最小筛径--按大约不超过5%留在最粗的筛网上和通过最细的筛网，确定出最粗和最细的筛子孔径，再按2向下或向上选出中间筛径系列，或在最大和最小筛径之间选5-7个筛径组成一套。 筛分样用量

与筛子直径、粉体密度和颗粒大小有关：

75μmD>1000μm时，用量约100-150g。 将一套筛子按孔径大小由上到下叠加在一起，由最上层加入粗料，最下层有一个接细粉的容器。 筛分时间

对数坐标系中，第一阶段通过量与第二阶段通过量之间为过渡段，第一阶段与第二阶段两段延伸交点所需的筛分时间（或继续筛分5min，如果通过量小于试样总量0.2%，认为筛分终点。

建议在筛震机上振动一定时间（15~30min）后,称取每个筛子上的筛余物质量。 筛分结果处理

筛分过程中损失量不得总入料量的5%，否则重做（注意清除筛面上附着物）。

筛分测量结果数据表

筛 号 筛孔宽度（μm） 筛余量（g） 筛余量（%） 平均孔宽（μm） 试样量（%）

< < 1 2 3 4 5 6 > 7 > 负累积重量（%） 3.3.2 沉降法

沉降法测量颗粒粒度是基于颗粒在液体中沉降时遵从某种规律而得以广泛应用，主要是根椐颗粒在液体中的最终沉降速度来确定颗粒大小的。而实际操作时，都不是直接测量颗粒的最终沉降速度，而是测量某一个与沉降速度相关的其它物理参量，如压力、密度、重量、浓度或光透率等，进而求得颗粒粒径和分布。上述各参量的测量可以在液面下某一固定深度进行，即测量这些参数在该处随时间变化的规律，也可以某一确定的沉降时间后，再测定沿液体高度的变化规律，至于使用哪种方法测，要依测量仪器结构特性来定，但它们的基本原理都是相同的，即建立在Stokes沉降理论基础上。 1) Stokes沉降理论最终沉降速度：

设颗粒密度为s粒径为D，在密度为f粘度为的无限容积液体中作沉降运动，由于

粉 体 加 工 技 术 讲 义 22

s>f，由Stokes沉降理论得最终沉降速度 ust(sf)g18D2g2D (3-1) 18解得： D18ust (3-2)

(sf)gStokes公式的假设条件：

a) 颗粒为球形刚体； b) 一个独立的下沉颗粒； c) 颗粒下降时作层流流动；

d) 与颗料相比，液体的容器为无限大且不存在温度梯度。

2）沉降法测量的临界粒径

（1）粒径的测量上限

Stokes公式是在是以层流为条件的，就是说只有在层流区，阻力系数CD才能用十分简单的公式CD24/Re表示。超过层流区后，CD与Re间的关系就比较复杂了，因此确定Stokes公式的适用范围，也就是确定沉降法测量颗粒粒径的临界值是十分重要的。

实验发现，只有当颗粒雷诺数Re<<1时，颗粒在液体中的沉降才保持为层流状态。 这时 uRe (3-3) fD3.62 (3-4)

fg目前大多以Re=0.2作为层流区的边界，代入(3-3)式得并与(3-1)式联立求解得： Dcr3分析：颗粒密度大，临界粒径小，粘度大，临界粒径大。

例：石英砂在水中沉降，密度2.65g/cm3，Dcr约60μm，铁粉密度7.0g/cm3，Dcr只有39μm。 增大η值（0.5或1.0）可提高沉降法测量上限，但误差会增大。

Allen认为，Re=0.2时，求出粒径比实际约小2.5%，当Re=1.0时，约小6.2%。由上述讨论可知，重力沉降法的测量上限一般应为60-70μm。 （2）粒径的测量下限

当颗粒在液体中下沉时，除受到重力、浮力和流动阻力作用之外，还会受到周围液体分子热运动的不断撞击。由分子运动学理论可知，任意温度下，液体分子（或气体分子）自身会不停地作不规则的随机热运动——布朗运动。布朗运动的具体特征就是以很高的速度和频率撞击到任意表面上。简单地讲，这种运动对液体中沉降的较大颗粒来说可以忽略不计，但对于特别小的颗粒来讲，布朗运动对其是有影响的。

如一定的时间t后，颗粒在任一方向上由于布朗运动所引起的位移为：

y2kRT (3-4) t3ND 同样，同一粒径颗粒在同条件液体中重力沉降距离h也可计算出来。

重力沉降位移h和布朗运动统计平均位移y对照表 粒径D/μm 0.1 0.25 0.50 1.00 1.50 2.00 h μm 0.006 0.035 0.14 0.55 1.25 2.22 y μm 2.94 1.86 1.34 0.93 0.76 0.66 2.50 3.46 0.58 5.00 13.8 0.42 粉 体 加 工 技 术 讲 义 23

条件：球形颗粒 时间1s 密度=2g/cm3

要点： a ) 2~3μm以下颗粒粒径不宜用重力沉降法测量；

b) 如试样中有10%的颗粒小于上表的粒径下限，尽量不使用重力沉降法测； c) 统计平均位移y颗粒密度无关，而重力沉降位移h与密度有关，所以密度大的

颗粒测量下限可更小些。

用离心沉降法测量，测量下限可以降低，因为颗粒受到的离心加速度远大于重力加速度，这样可以显著减小布朗运动的影响，显然转速越高，可测量的粒径下限越低（以达0.05μm）。但由于速度过高时，其最终沉降速度必然加大，由uRe/fD(3-3)式知，其临界上限会相应减小，转速很高的离心沉降式粒度测定仪测量上限约为10μm（0.05μm~10μm）。

3) 离心沉降式粒度测量仪测量原理及测量方法

由以上对重力沉降方法及原理的讨论，该法在实际应用中主要受两个方面限制，对于较

细颗粒测量时间长和测量下限不能在小（2.5μm颗粒距离为15cm时沉降时间约7.4h）。

而离心沉降法在很大程度上可以克服上述不足，离心沉降时，颗粒受阻力、浮力和离心力作用（重力相对于离心力很小略去），为此只要以离心加速度ω2r代替重力加速度即可得到最终沉降速度与颗粒粒径的关系为：

uc(sf)2r18D2 （3-5） D18uc （3-6）

(sf)2r

由以上所述可见，不管是重力沉降还是离心沉降，Stokes公式只是建立了沉降速度与粒径之间的单值对应关系，所以要想求出颗粒粒径，必须首先知道颗粒的沉降速度。但是所有依沉降原理测粒径的仪器几乎都不是直接测沉降速度，而是测量一个与之相关的物理量来确定沉降速度。至于测量哪个物理量，依仪器而定。如移液管法（浓度）、比重计法（密度）、沉降天平法（质量）和光透法（光浊度）。

由于离心沉降法在测试时是将测试液体放在高速旋转的中空圆盘内，因此光浊度为测量信号是离心式沉降仪测量颗粒沉降速度的唯一选择。

1-光源 2-接收元件 3—驱动马达4—中空圆盘 中空圆盘由透明玻璃制成（有机玻璃），旋转轴水平布置，转速1500~8000r.p.m。

操作时先向中空转子内充已知容积的沉降液，之后开启转子并加速到所需转速后，沉降液被甩向轮边缘，形成一个水环。这时再将配制好的试样由转子中心注入，试样则沿转子壁面甩向水环的内表面然后迅速并均匀地扩散到整个表面，随后颗粒便在离心力场作用下向轮缘方向沉降。

当颗粒沉降到光源照射位置时，由于颗粒大小和多少都会产生不同消光值（I/I0），对面的光信号接收装置及时接收并记录下来，实际上不同消光值所表征的也是颗粒径的尺度和分布规律。

3.3.3 光散射法

光散射是近年来得到广泛应用的一种颗粒测量方法，它遵循光的散射原理。简单地说，穿过纯净介质的光束沿直线传播，但当纯净介质中存在颗粒时，光线将向四周散射，且光的散射的各参数与颗粒的粒径密切相关。光散射法所使用的光源有白炽光和激光，目前，激光

粉 体 加 工 技 术 讲 义 24

光源得到了广泛应用，因此把这类仪器称为激光粒度分析仪。 1）激光衍射式粒度测量仪的测量原理

当分散在液体中的颗粒受到激光的照射时，一部分光将偏离激光束原来的传输方向，以一定的角度发散，这就是激光在颗粒的作用下的衍射或散射现象。不同粒径的颗粒使激光产生散射的作用不同，大颗粒散射角小；小颗粒散射角大，并且颗粒越小，其散射角越大。该散射光通过富氏透镜后，在透镜的焦平面上将形成“靶芯”状的散射光环，光环的半径与颗粒的大小有关，光环光的强度与相关粒径颗粒的多少有关，通过放置在焦平面上的光电接受器阵列，就可以接受到激光对不同粒径颗粒的光散射信号。

将光电接受器阵列上接受到的信号经A/D转换等变换后传输给计算机，衍射理论和散射理论对这些信号进行处理，就可以得到样品的粒度分布了。 百特激光粒度分布仪特性（BT9300）

能源半导体激光器发出波长为0.6328微米的单色光，经空间滤波和扩束透镜，滤去杂光形成直径最大10mm的平行单色光束。该光束照射测量区中的颗粒时，会产生光的衍射现象。衍射光的强度分布服从夫朗和费衍射理论。在测量区后的付立叶转换透镜是接收透镜（已知透镜的范围），在它的后聚焦平面上形成散射光的远磁场衍射图形。在接收透镜后聚焦平面上放置一多环光电检测器，它接收衍射光的能量并转换成电信号输出。检测器上的中心小孔（中央检测器）测定允许的样品体积浓度。在分析光束中的颗粒的衍射图是静止的并集中在透镜光轴的范围。因此颗粒动态的通过分析光束也没有关系。它的衍射图在任何透镜距离总是常数。透镜转换是光学的，因此极快。

测量范围：0.1μm--3400.1μm 重复性误差：<3% 测试时间：2—3min

测试方法：湿法，样品槽式或循环泵式 第3章作业（复习题）

根据测量原理分，粒度测量有几种方法 什么叫子样、总样和采样单元

用于测量粒径的试样，在测定之前要经过哪些处理过程 对颗粒测量的试样进行缩分和分散处理的主要目的是什么

用沉降法测量颗粒粒径时，临界粒径受什么因素制约，采取什么方法或手段可以增大粒径测量范围（包括自己想法）

6 离心沉降法为什么能降低粒度测量下限，怎样提高上限。

要求：熟练掌握Stokes公式推导过程，假设条件及各参数含义。

1 2 3 4 5

粉 体 加 工 技 术 讲 义 25

粉 体 加 工 技 术 讲 义 26

第4章 粉体常用的物理力学特性

4.1 粉体的堆积物性

几乎所有非金属矿粉体颗粒都是由较大块度的矿物或岩石粉碎而成，所以其物理和力学性质还基本遵从于所属的矿物与岩石，但大块的矿物与岩石经粉碎成较小的颗粒后，特别是粉碎成超细颗粒，还是有很多性质发生了变化，主要是以量变为主，其中粉体堆积物性变化是一个主要方面。 4.1.1粉体密度

粉体颗粒的密度分真密度和堆积密度(容积密度)。

真密度主要反映的是矿物成分的密实程度，其定义可以理解为单位体积的颗粒体（不含孔隙）的质量，也称为比重。

真密度：不含有内外表面孔隙的颗粒与同温度（20ºC）、同体积纯水质量之比，用p表示。 颗粒的真密度只与组成的矿物成分有关，而与颗粒大小无关。

堆积密度(容积密度)：颗粒群体在自由松散或有一定压力状态下单位充填体积的质量。

B填充粉体质量/粉体填充体积=M/VB

式中：M----填充粉体的质量 VB----填充粉体的体积

粉体颗粒的堆积密度不仅取决于颗粒形状、颗粒尺寸与分布，还取决于粉体的堆积方式，因此，依堆积方式不同又分为松动堆积密度和紧密堆积密度。

松动堆积密度——在重力作用下自然充满状态后的密度（与存贮容器和包装袋设计有关）。 紧密堆积密度——通过机械振动破坏粉体中的空隙后而便其达到紧密充填状态后的密度。

由粉体堆积密度的定义知自然或紧密堆积的粉体的填充体积由矿物的实际体积孔隙体积组成，为了衡量充填体积中实际体积和孔隙的多少，常用填充率和孔隙率来表征。 填充率——在一定充填状态下，颗粒实际体积占粉体所填充体积的比率。 如果令实际体积为Vp，堆积体积为VB，则：

颗粒实际体积/粉体填充体积=

VpVBM/pM/BB p孔隙率——粉体中所含空隙体积占粉体所填充体积的比率。 如果令空隙体积Vv，堆积体积VB，则：

VvVBVPV1P1B VBVBVBP4.1.2颗粒（粉体）安息角

安息角（自然坡度角）是反映粉体流动性的一个重要指标。粉体与流体流动行为的主要差别在于：当粉体从容器中流到一平面上时，与流体不同，流下的粉体是堆积在平面上，且堆积的尺寸随粉体的流下而增加，同时堆与平面的夹角（堆积角）也不断增加，当增加到一定角度α时，不再继续增加，则称这个角度为安息角。 安息角：所堆积的粉体由自重运动所形成的堆积角。

通过特定方式使粉体下落到固定平台上堆成的加圆锥体的最大底角。

从容器到平面流动行为示意图 在提升容器内流动行为示意图 在旋转容器内流动行为示意图

粉 体 加 工 技 术 讲 义 27

安息角越小，说明粉体的流动性越好。

球形颗粒较小(23~28)，较规则颗粒约30º左右，不规则颗粒约35º，极不规则颗约35º。 对细颗粒粉体，具有较强的可压缩性和团聚性，这时安息角与其形成的过程有很大关系，如从容器中流好的速度、容器提升速度和转筒的旋转等有关，因此不能算是细颗粒体的基本物性。

4.1.3 粉体的白度

一些白色和近白色的非金属矿产品如陶瓷、涂料、白水泥、滑石、高岭土、硅灰石、石膏、重质和轻质碳酸钙等材料在应用时有对其白度要求，因此有时需对粉体的白度进行测量。 定义：表征物体白的程度(GB/T17749－1999),用W或W10表示。

方法简述：当光谱反射比均为1的理想完全反射漫射体的白度为100，光谱反射比均为零的绝对黑体白度为零时，采用标准规定的条件，测出试样的三刺激值，再用所规定的公式计算出白度。

三刺激值：匹配某一颜色所需要的三个原色刺激量，用X,Y,Z表示。

白度值越大，则白色的程度越大。完全反射漫射体的白度等于100。但是人对白的感觉和物体的光谱反射比的大小并不是简单的线性关系，而是与很多复杂的因素有关。所以白度并没有确认的标尺,在不同的领域有不同的白度评价公式。因而，白度的定量表达和测量的统一、量值准确一致是一件不容易的事。为此国际照明委员会（CIE）曾专门成立有关技术委员会，企图在目视评价、测量仪器及定量公式等方面解决测量和标准化问题，经过近10年的工作和研究，于1982年CIE第二十届大会正式推荐CIE1982白度计算公式。现代色度学采用CIE所规定的测量原理、数据处理和计算方法，称为CIE标准色度学色度系统。各个国家都公认，国际照明委员会（CIE）关于色度学的规定，是色度学的基础标准。 几个计算白度的公式

设光照条件为 在10℃视场d65 光源,照射下，X,Y,Z为直接测得试样的三刺激值，则常用的几个计算白度的公式为：

CIE86白度公式(甘茨白度，国际白度委员会1986公布) WgY800(0.3138x)1700(0.3310y)

R457白度

是一个简易白度表示方法，我国以前在纸张和塑料等行业曾采用过，(457—峰值波长)。 Wr0.925Z1.6 GB5950白度

我国《建筑材料与非金属矿产品白度测量方法》标准号 GB/T 5950-1996 WjY400x1000y205.5 Hunter白度

Wh100(100L)ab L、a、b为Hunterlab测色系统参量 Stensby白度

WsL3b3a Stephansen白度

Wp2.0817Z1.3011X

以上六种计算白度公式系用WSD-III型全自动白度仪测量时可选择的白度计算公式。

222 粉 体 加 工 技 术 讲 义 28

4.2 力学特征

4.2.1 粉体的摩擦性 1）粉体的库伦定律

粉体虽然有流动性，但与液体有很大不同，在无任何

侧向限制时还可以堆积成一定角度的堆，而不向液体那样流向四周，原因是粉体各颗粒间不存在一个非常重要的特性——摩擦性。正是粉体颗粒间的有磨擦性，限制了堆积的颗粒向下滑动。但继续堆积时，重力加大到一定程度，粉体会突然滑移，理论和实验结果都表明，开始滑移时，滑移面上的切向应力τ是正应力σ的函数。

f() （4-1）

当粉体开始滑移时，如滑移面貌一新上的切向应力τ与正应力σ成正比时，有：

cc （4-2） 称满足这个条件的粉体为库伦粉体，则式（4-2）为库伦定粉体定

律。

式中：μC是粉体的摩擦系数（内摩擦系数），C是初抗剪强度，C=0时，称简单库伦粉体。

库伦定律是粉体流动（临界流动）的充要条件。当粉体中任一平面内的剪应力：

cc 处于静止状态， 满足 cc沿该平面滑移；cc 不发生。

2）粉体的内摩擦角

对简章的库伦粉体，库伦定律为：＝C 上式两边同时乘以滑移面的面积得到力形式的库伦定律为：F＝CN （4-3） 这一关系式等同于物体在平面上的摩擦定律，当将物体放在与平面成φ角的斜面上时，物体重力N分解成与斜面垂直的FN和与斜面平行的Ft两个分力。则： FNNcos （4-4） FtNsin （4-5） 物体在平面和斜面上运动示意图 当斜面的角度不足以使物体下滑或处于临界状态时，沿斜面的分力Ft与正应力FN所引起的摩擦力相等：FtFcFNcNcos 而FtNsin 则： NsincNcos cNsintan （4-6） Ncos 式（4-6）也称为库伦摩擦系数，φ则称为粉体的内摩角。 粉 体 加 工 技 术 讲 义 29

3）粉体的内摩擦角测定

粉体内摩擦角的测定装置由上下两个盛粉体的圆盒组成。下盒放在有滚珠的导轨上，并可通过匀速电机或手动施加水平方向的力，上盒与测力装置相连，并有一上盖对两盒同时加垂直应力。

4.2.2 粉体的强度特性 材料的强度是指对外力的抵抗能力，通常以材料破坏时单位面积上所受的力，即 N/m2或Pa来表示。按受力的方式不同，可分为压缩强度、拉伸强度、弯曲强度和剪切强度等。按材料内部均匀性和是否有缺陷又分为理论强度和实际强度。 1）理论强度 不含任何缺陷的的完全远均质材料的强度称为理论强度。它相当于原子、离子或分子间的结合力。由离散子间的库伦引力形成的离子键和由原子间互作用力形成的共价键结合力最大，为最强的键。一般来说，原子或分子间的作用力间距而变化，并在一定距离后保持平衡，而理论强度即是这一平衡所需要的能量，可通过能量计算求得： E tha1/2 γ——表面能；E——弹性模量；a——晶格常数 材料的理论强度计算值是相当大的。 2）实际强度 当完全均质的材料所受应力达到其理论强度时，所有原子和分子间的结合将同时发生破坏，则整个材料将分散为原子或分子单元（特细的均匀破碎）。然而，世上没有一种绝对均质的宏观材料，所以材料的破坏往往都分裂成大小不一的块状，说明各质点间结合的牢固程度并不相同，即存在着某些相对薄弱的局部，使得在材料受力未达到理论强度之前，这些薄弱部位就已达到极限强度，因此，材料实际（实测）强度远远低于其理论强度（1/100~1/1000）。 （金刚石1800Mpa/200GPa；铁200~1800Mpa/40GPa；石英玻璃50Mpa/16GPa）。 实际上，每种材料的实际强度与其自身的组成、均质程度有关，材料的实际强度是通过对材料进行实际测定得到的，但材料的实测强度大小还与测定的条件有关（尺寸大小；加载速度；测定时介质环境等）。 粉体材料强度要点： 强度的高低是材料内部价键结合能的体现，从某种意义上讲，粉碎过程是通过外部作用力对物料施以能量，当该能量足以超过其结合能时，材料即发生形变以至粉碎。 3）硬度 硬度也是反映材料在抵抗外力对其破坏的一个重要指标。其具体定义应为： 硬度——材料抵抗其它物体对其作用而产生的局部破坏或变形的能力。 也可以理解为在固体表面产生局部破坏或变形所需的能量，这一能量与材料的内部化学 粉 体 加 工 技 术 讲 义 30

键强度及配位数有关。 硬度测量方法：

刻划法；压入法；弹子回跳法和磨蚀法等。

实际应用中常用发明测某种测定方法的人名命名各种硬度： 莫氏硬度――刻划法

布氏硬度、韦氏硬度――压入法 肖氏硬度――弹子回跳法

一般无机非金属材料用莫氏硬度表示，金属材料用布氏硬度表示。 材料莫氏硬度分10级，由小到大排列为：

1滑石；2石膏；3方解石；4萤石；5磷灰石；6长石；7石英；8黄晶；9刚玉；10金刚石 近年来显微硬度计应用日益广泛，在显微镜下可测边长仅有千分之几到百分之几毫米的压入量，并可观察其弹性变形。 硬度所代表的材料物性关系

与晶体的结构有关，原子离子小电荷或电价大，晶体构造质点越大者，则硬度大； 硬度大者，耐磨性越好；

虽和强度定义不同，但本质一样（与质点键结合情况有关），两者之间具体关系虽尚未确定，一般硬度强度也高。 4）材料的脆性和韧性 材料的脆性

脆性是一种与韧性相反的性质，从变形方面看，脆性材料受力破坏时，直到断裂前也只是出现极小的变形，所以强度极限不会超过弹性极限。从强度上看，脆性材料运动载荷或冲击能力差，也就是说其抗拉伸能力远不及抗压缩能力（硅酸岩材料、建材、陶瓷等；1/10~1/20）。所以破碎脆性高的材料选用冲击类粉碎机械。 材料的韧性

是指在外力作用下，塑性变形过程中吸收能量的能力（外力撤掉后释放能力）。

吸收能量大，韧性越好，是介于柔性和脆性之间的一种材料能。

与脆性材料恰好相反，韧性材料的抗拉伸和抗冲击的性较好，但抗压缩性较差。

因此复合材料工程中，让脆性材料与韧性材料有机地复合，可使两者间优势互补，从而得到一种综合性能非常好的材料，且是任何一种单独存在的时所不能具备的。 （橡胶和塑料中加无机矿物粉体；砼中加钢筋） 易磨（碎）性

仅用强度和和硬度不足以精确地表示材料粉碎的难易程度，因粉碎过程除决定于材料的物性外，还受物料粒度、粉碎方式（设备、工艺）等诸多因素有关。因此学用易磨性来表示材料粉碎的难易程度。

易磨性――在一定的粉碎条件下将物料粉碎至某一粒度所需要的比功耗，即单位质量的物料从一定粒度粉碎至某一指定粒度所需的能量。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 31

第5章 材料的粉碎机理与过程

5.1 粉碎概论

5.1.1 材料破坏、破碎与粉碎的概念

要使材料达到粉碎状态，首先应使其破碎，而材料的破碎又是在破坏的基础上完成的。 破坏：固体物料在外力作用下产生了不能恢复的永久形变时称物体发生了破坏。

破坏过程：承受力作用――弹性变形（未坏前）――继续受力――变形――材料硬化――永久变形(强度极限)――极限状态――破坏。

特征：材料在相互垂直应力作用下被拉裂或剪坏，破坏了试样的完整性后，载荷不再增加。 破碎：破坏以后的材料继续施加作用力，使已坏了的材料进一步碎裂（使大块物料碎裂成小块物料）的加工过程。

粉碎：使小块物料破裂成粉末状物料的加工过程称粉碎。

破碎和粉碎相应机械称破碎和粉碎机械，其加工过程称破碎和粉磨过程，按相应粒度可分为：

粗碎――将物料破碎至 100mm左右 粗粉碎――将物料破碎至0.1mm左右 破碎 中碎――将物料破碎至30mm 左右 粉磨 中粉碎――将物料破碎至60μm左右 细碎――将物料破碎至 3mm左右 细粉碎――将物料破碎至5μm以下 破碎和粉碎粒体受力特征：

由于破碎和粉碎粒体的粒度和断裂面形状不尽相同，所以对其应力不易确定，且粉碎与单个材料的破坏不同，它是指对集团的作用，一般以粉碎总量所消耗的能量来衡量粉碎的难易和施加力的多小，由于各个颗粒在粉碎时所受的状态不同，要一一确定是不可能的，只能确定其近似状态，所以建立粉碎理论是相当困难的。 5.1.2 基于裂纹及其扩展的格里菲斯（Griffith）理论 前面以经提到，材料的实际强度要比理论强度小的多，对这种现象的解释，起源于Griffith的强度理论。

在理想情况下，如果施加的外力未超过物体的应变极限，则物体被压缩而作弹性变形，当除去载荷时，物体又会恢复原状而未被粉碎。实际上，在上述过程中物体虽未破坏，没有增加新表面，却生成若干裂纹，特别是扩展了物体原有的微裂纹，加上由于局部薄弱面的存在（如不均质量性的节理面，原有的大裂纹）。

Griffith认为，由于材料中存在这些细微裂纹， 在则因颗粒形状的不规则，致使所施加的力首先作用在材料表面的突出点上，会在裂纹或突出点周围产生应力集中现象。且裂纹的尖端的应力最大，应力集中程度用应力集中系数表示（最大集中应力/最大主力）。如果最大应力是拉应力，由于脆性材料抗拉强度小，极易造成裂纹扩展，但裂纹扩展还必须力和能量两个条件。 裂纹扩展力的条件：

在裂纹尖端产生的拉应力必须大于裂纹尖端分子之间的结合力。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 32

由 thyE tayE l由于t是th的1/1000~1/100 即th是t的2~3个数量级，以2个数量级为例，th/t=l/a=102 得：l10a 如 a1nm 则l10m 裂纹扩展能量条件： 裂纹扩展时产生新的表面所需的表面能：Es2l 因变形而贮存于固体中的EV4t2l2E 条件 EV>Es dEVdEsdldl t2lY2 则裂纹扩展的临界应力为：2E l格里菲斯理论理解要点： 当材料应力达到抗拉强度时，裂纹将扩展，当与拉应力垂直的裂纹长度增加时，应力集中将更大，而裂纹的扩展一旦开始，就必然导致材料的破坏。裂纹的产生和扩展不是材料破碎的唯一形式，但是脆性材料破坏的主要过程。裂纹的产生和扩展必须满足力和能量两个条件，即在裂纹尖端产生的拉应力必须大于裂纹尖端分子之间的结合力和材料因变形而储存的能量要大于裂纹扩展时产生新表面能所需的能量。 5.2 粉碎的施力方法与作用 固体材料在机械力作用下由块状物料变为粒状或由粒状变为粉状的过程均属于粉碎范畴，由于物料的性质及粉碎的细度不同，粉碎的方式方法也相应不同，按施加外力的方式不同，物料粉碎一般通过挤压、冲击、磨削和劈裂几种方式进行，各种粉碎设备也的工作原理也多以这几种原理为主。按粉碎过程所处的环境不同干式和湿式；按粉碎工艺分开路和闭路，按粉碎产品的细度不同分一般细度和超细粉碎。 1） 挤压粉碎

挤压粉碎是粉碎设备的工作部件对物料施加挤压作用，物料在压力作用下发生粉碎。 挤压磨、鄂式破碎机属此类粉碎设备。

物料在两个工作面之间受到相对缓慢的压力而被破碎。因压力作用缓慢和均匀，故物料粉碎过程较均匀。这种方法多用粗碎，近年来有几mm以下的鄂破碎机。挤压式产出的物料有时会呈片状粉料，因常用粉磨前的预粉碎设备。 2） 挤压――剪切粉碎

是挤压和剪切两种基本粉碎方法相结合的粉碎方式，雷蒙磨（悬摆式）及各种立式磨通常用挤压――剪切方式粉碎物料。 3）冲击粉碎

冲击粉碎包括高速运动的粉碎体对被粉碎物料的冲击、高速运动的物料向固定壁（靶）的冲击及物料之间的高速冲击。

这种冲击粉碎可在较短的时间内发生多次冲击碰撞，且每次碰撞的粉碎时间都是在瞬间完成的，粉碎体与被粉碎物料的动量交换非常迅速。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 33

4）研磨、磨削粉碎

研磨和磨削本质上还属于剪切摩擦粉碎，包括研磨介质对物料的粉碎和物料间相互摩擦作用。与施加大粉碎力的挤压和冲击粉碎不同，研磨和磨削是靠研磨介质对物料颗粒表面的不断磨蚀而实现粉碎的。因此，研磨介质的物理性质、尺寸、形状及填充率对粉磨效率具有重要影响。振动磨，搅拌磨及球磨机的细磨仓都是以此为主要原理设计的。

施力种类因物料性质、粒度及对粉碎产品的粒度要求而异。

（1）粒度较大或中等硬度的物料——压碎、冲击或打击、弯曲等； （2）粒度较小的坚硬物料——压碎、冲击、研磨、剪切等； （3）粉状或泥状物料——研磨、冲击、压碎等；

（4）磨蚀性弱的物料——冲击、打击、劈碎、研磨等； （5）磨蚀性较强的物料——以压碎为主； （6）韧性物料——剪切或高速冲击；

（7）建材工业的石料——打击、冲击或压碎等； （8）多组分物料——冲击作用下的选择性粉碎。

料性质与施力种类的关系表(62页)。 5.3 粉碎模型

有人认为，粉碎产物的粒度颁布具有二成分性，即合格的细粉和不合格的粗粉。根据这种双成分性，可以推论，颗粒的破坏和粉碎并非由一种破坏作用形式所致，而是由两种或两种以上破坏作用所共同构成的，有人提出了三种粉碎模型说明这个问题。 1）体积粉碎模型

整个颗粒均受到破坏，粉碎后生成物多为粒度大的中间颗粒，随着粉碎进行逐渐粉碎成细粒成分。挤压粉碎和冲击粉碎的产物与此模型较

相近。

2）表面粉碎模型

在粉碎的某一时刻，仅是颗粒的表面产生破坏，被磨削下微粉成分，这一破坏作用基本上不涉及颗粒内部。是典型的研磨和粉碎方式。 3）均一粉碎模型

施加于颗粒的作用力使颗粒产生均匀的分散性破坏，直接粉碎成微粉成分。这种粉碎仅符合结合极不紧密的颗粒集合体，常规超细粉碎中不易出现，因此一般不考虑这一模型。

所以实际粉碎只是体积粉碎模型和表面粉碎模型的综合，前者构成过渡成分，后者构成稳定成分。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 34

第6章 超细粉碎设备与系统

6.1 超细粉碎类设备简介

超细粉碎类设备应用方向――化工、冶金、建材、电子、轻工、医药农业等多领域。 因此应用具有广泛性，被粉碎材料多样性，对超细粉加工设备提出要求：

粒度细微化、粒度分布均匀化、颗粒形状特定化、品质高纯化和表面处理功能化等。 超细粉碎设备开发特点：

原理上考虑提高有效粉碎能，主要利用冲击、剪切、摩擦等力的综合作用进行粉碎。 结构上采用超细粉碎――分级组合形式，以便将粒度达到要求的颗粒及时分离出去，达到提高粉碎效率和防止物料过粉碎。

高效气流分级装置不但可以提高细微化粒度，而且可以实现粒度均匀化或特定化。 材质上采用高耐磨材料作衬材，不仅提高设备使用寿命，而且可以减少衬材磨损对产品构成的污染（成分和色泽）

超细粉碎与表面改性一体化实施。 特殊要求的粉碎（低温、惰性气体等） 超细粉碎设备类别

高速冲击式微粉碎机――立式、卧式

气流式粉碎机――扁平式、循环管式、靶式、流化床式和对喷式 介质运动式磨机――球磨机、振动磨、行星磨和搅拌磨等 辊压式磨机――莱歇磨、雷蒙磨等 6.2 高速机械冲击式粉碎机

6.2.1 高速机械冲击式粉碎机的粉碎机理

机械冲击式粉碎机是指利用围绕水平或垂直轴高速旋转转子上的冲击元件（棒，叶片，锤头等）对物料施以强烈的冲击，使其与定子间以及物料之间产生高频的强力冲击、剪切等作用而粉碎的设备。 分类：

机械冲击式粉碎机按照转子轴的布置方式，分为立式和卧式两大类；

按照转子上的冲击元件的结构形式不同又有销棒式、锤式、片式等多种类型。 原理：

借助于转子上的冲击元件，给料施加60~125m/s甚至更高的速度，冲击物料颗粒群并将其粉碎。

这种粉碎机的粉碎机理除了主要的冲击作用之外，还拌有磨擦、剪切、气流颤振等多种粉碎机制。处于定子和转子间隙处的物料受剪切和反弹到粉碎室内与后续的高速颗粒相撞，而使粉碎过程反复进行。同时定子衬圈和转子端部的打击元件之间形成强有力的高速湍流场，产生的强大压力变化可使物料受到交变应力作用而粉碎和分散。粉碎成品的颗粒细度和形态取决于：

转子的冲击速度、定子和转子之间的间隙以及被粉碎物料的性质。 6.2.2 机械冲击式粉碎机的一般特点：

构造简单，操作容易；单位能耗的粉碎力大，因而设备运转费用低；容易调节粉碎产品粒度；粉碎对象从矿石类到有机、无机化学药品、纤维状物质以及塑料聚合物类等，应用范

粉 体 加 工 技 术 讲 义 35

围广泛；可连续自动运转；机械安装占地面积小。

由于是高速运行，且以相对较小的冲击部件与颗粒冲击、碰撞，不可避免地产生高磨损问题，因而该类设备不适合处理高硬度的物料；此外，还有发热问题（对热敏性物质的粉碎，要注意采取适宜措施）。

6.2.3 立式高速机械冲击粉碎机

立式机械冲击粉碎机的转子驱动轴竖直设置，转子围绕该垂直轴高速回转进行物料粉碎。这种类型的粉碎机大多内置分级涡轮。

ACM立式高速机械冲击粉碎机结构（挂图） 基本原理：

入料――由螺旋给料机强制将物料喂入粉碎室内。

粉碎――物料在高速回转的转子与带齿的衬套定子间受到冲击和剪切而粉碎。

分选――粉碎后的物料在气流带动下通过导向环的引导进入中心分级区，粒度合格的细粉

随气流分级涡轮后从中心管排出，由收尘装置捕集下来；粗粉在重力作用下转子粉碎区后再次粉碎。

特点：

内设高效分级涡轮，可及时排出合格细粉，避免过粉碎现象发生；涡轮与转子安装在同一立轴上，设备结构紧凑；

产品平均细度(d50)在10~1000μm范围，且粉体产品粒度分布窄，粒度球形化佳； 用风输送物料，传热降温性能好；

可采用陶瓷作粉碎部件，提高机械耐磨性； 机盖设计成可掀式，便于清扫和更换粉碎部件；

可设计成高压密封型，用于粉碎有潜在爆炸危险的粉体。 适用范围：

适用于粉碎中等硬度（莫氏）以下的脆性物料：

如碳酸钙、滑石、云母、大理石、石墨、硅灰石、方解石、高岭土、膨润土硅藻土、颜料和燃料等矿物。

6.2.4 卧式高速机械冲击粉碎机

卧式机械冲击粉碎机的转子驱动轴水平设置，转子围绕水平轴高速回转实现物料粉碎。这种类型的粉碎机大多内置分级涡轮。

卧式高速机械冲击粉碎机结构（以日本细川公司产Super Micro Mill超细粉碎机为例）。 该超细粉碎机由加料、粉碎――分级、排料和排渣等部分组成。 加料部分――料斗、定量给料机。

粉碎分级部分――一个水平通轴上设置两个串连的粉碎――分级室，每个室内有一个粉碎叶轮和分级叶轮，粉碎叶轮由5只有前扭角（30°和40°）的叶片组成；分级叶轮是5只径向布置的叶片，第2粉碎室的粉碎和分级叶轮较第1室的大10%，两个粉碎室还设有粉碎定子和粒度调节间隔环。

排料部分――排料风机、排料风阀 排渣部分――螺旋排料器 工作原理：

颗粒物料由加料器定量连续地经加料装置送入第一粉碎——分级室，其粉碎轮上的五只

粉 体 加 工 技 术 讲 义 36

叶片（前扭角）旋转形成风压，而分级叶轮的五只径向布置叶片旋转时形成气流阻力，两者旋转时便在室内形成气流循环，随气流旋转颗粒之间相互冲击，碰撞、摩擦、剪切；同时受离心力作用，颗粒冲向内壁受到撞击、摩擦、剪切等作用，被反复地粉碎成细粉。 分级叶轮还具有分级作用，细粉在分级叶轮端部的斜面和间隔环锥面之间的间隙也具有较有效的粉碎作用，但最有效的粉碎作用是在两叶轮之间的滞流区，由于叶轮的高速旋转（圆周速度50m/s），被急剧地搅拌，强制物料粒子相互冲击、摩擦、剪切而被粉碎。被粉碎到数十微米到数百微米的颗粒，经第一粉碎――分级室中的分级叶轮后，细颗粒就随气流进入第二粉碎——分级室，在这里受到类似于前一室的粉碎过程，只是第二室的粉碎叶轮和分级叶轮较大，旋转时产生的圆周速度也高（55m/s），同时，该室粉碎叶轮扭转角度增大为40°，分级叶轮片仍径向设置。因此，在该室造成的风压更大，颗粒之间相互冲击更加强烈，粉碎能力更强。通过该室内的风速因粉碎室直径增大而减缓，分级粒度提高，产品细度达到数微米。最终产品被气流出经风机排出机外而捕集。

自动排渣是这种超细粉碎机的一个突出特征之一。当被粉物料中含有硬度较高密度较大的难碎颗粒时，由转子所产生的离心力甩到衬套壁上，最后降落到粉碎室底部的排渣孔内由排渣孔内的螺旋排料器不断排出机外，从而提高了产品的细度和纯度。 特点

（1）粉碎效果率高，能耗低。因采用两级串联粉碎和内分级，故粉碎效率提高，动力消耗比气流粉碎低。

（2）产品粒度细。平均产品粒经3~100μm之间。

（3）粉碎产品纯度提高。内设排渣装置，可将难以粉碎且密度较大的杂质排除，因此，提高了粉碎产品的质量和纯度。

（4）负压操作，减少粉尘对环境的污染。

（5）调节、操作方便。但若两种以上组分的混合物密度相差较大时，不宜采用排渣机构排除杂质。

适用范围（同立式冲击粉碎机）

该粉碎机一般适用于莫氏硬度低于5级物料的超细粉碎，广泛应用于非金属矿、化工原料、涂料、颜料、农药等。 粒度调节方法

（1）风量――可通过调节粉碎机出口端的碟阀控制风量，风量增大，产品粒径随之大，反亦然。

（2）间隔环――直径大小决定颗粒在粉碎室内停留的时间。隔环直径愈大，颗粒停留时间愈短，粉碎产品粒度愈大，产量愈高，反之亦然。

（3）分级叶轮与隔环间隙――间隙减小，产品变细，间隙增大产品变粗。 （4）排渣量――调节排渣孔大小来控制排渣量，可提高产品质量和纯度。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 37

6.2.5 冲击粉碎----分级联合机(Classifier Mills 德Alpine公司)

通常机械冲击式粉碎机中加虽然设置分级装置，但多以分级轮与粉碎轮安装在同一回转轴上，但Classifier Mills将内置分级装置与粉碎装置分开布置，这样粉碎与分级互不干扰。 工作原理：

产品粒度调节：调整涡轮分级机转速。

特点：内置超细分级机具有预先分级和检查分级的功能，内闭路的粉碎方式不仅能保证产品细度，还可及时将合格产品分离出去，可提高粉碎效率，降低能耗。

易损部件用高硬耐磨材料制造，并方便更换。 适用及性能参数：P135

6.2.6 喷射式冲击粉碎机(P.M.C公司 美国) 组成： 工作原理：

粒度调节：改变转子转速、分级叶片长和风量。 适用及性能参数：P136

6.2.7 离心碰撞式冲击粉碎机(UPZ型 德Alpine公司)

基本工作原理：被粉碎物料在粉碎腔内由高速旋转的机构加速作高速旋转运动，然后与外壁发生碰撞而粉碎。由于其加速过程主要来自于颗粒的离心力，因此称离心碰撞式冲击粉碎机。 结构：转子、定子、碰撞环组成。转子边缘排有各种形状的使颗粒加速和装置。 特点：粉碎腔内装有卸料控制筛网或圆壁形碰撞环，采用中心进料边壁出料形式。

由于粉碎腔较大，所以气流流量大，温度升高后机腔内散热快，可用于热敏材料粉碎。 是一种耗能少、结构简单价格便宜的机型。

适用：化学药品、香料、合成树脂、医药原料、食品、饲料和植物等(硬度小于3级

(食品、化工、药品)。

粒度控制：采用可互换的冲击部件和卸料控制筛网满足不同粒径要求；

调整冲击元件外羽片，可确定粉碎机风量大小和物料流量大小而确定粒度；

由于采用卸料控制筛网控制粒径，粒径上限比较准确。

冲击式超细粉碎机的发展趋势

从机械制造的角度来看，机械冲击式超细粉碎机械的发展，受耐磨材料及加工工艺的限制；从结构设计角度来看，它受到冲击粉碎理论研究水平的制约。目前，关于超细粉碎机的论述，由于机械结构的复杂性还难以解释清楚。因此，超细粉碎行业子也成为理论研究落后于设备开发的少数行业之一。

（1）为适应具体行业的需要，耐磨、耐温、少污染的冲击粉碎机颇受欢迎，为此，应加强材料性能的研究，以解决耐磨、耐冲击、耐高温等材料的选择。

（2）提高工作转速和处理能力，保证在较小的空间内产生强烈的粉碎作用 。 （3）与分级技术相结合，以缩短成品物料在机内的停留时间，控制产品细度。

（4）重视超细粉碎技术的基础性研究。加强机型设计、结构尺寸计算、材料选择等基础性研究。

（5）强化降温冷却，以适应热敏性物料的粉碎。

（6）目前还缺乏统的检测方法和技术，应制定相应的规范。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 38 6.3 气流粉碎机

气流粉碎机亦称（高压）气流磨或喷射磨，是最常用的超细粉碎设备之一。它是利用高速气流（300~500m/s）或过热蒸汽（300~400）度的能量，颗粒相互产生冲击、碰撞、摩擦而实现超细粉碎的设备。

广泛应用于化工、非金属矿物的超细粉碎，产品粒度上限取决于混合气流中的固体含量，与单位能耗成反比。在固体含量较低时，d95可保持5~10 m；但当固体含量较高时，增大到20~30μm。经过预先粉碎，降低入磨粒度，可得到平均粒径1μmm的产品。气流磨产品除粒度细之外，还具有粒度分布较窄，颗粒表面光滑，颗粒形状规整，纯度高，活性大，分散性好等特点。 气流粉碎机分类

1882第1次提出利用气流动能进行粉碎（戈斯林）并申请了专利，1934年美国Fluid Energy公司研制成功第1台圆盘式气流粉碎机后，出现了多种形式的气流粉碎机，分类为： （1）扁平式气流粉碎机； （2）循环管式气流粉碎机； （3）对喷式气流粉碎机；

（4）靶（撞击板）式气流粉碎机；

（5）流态化（流化床）对喷（逆向）式气流粉碎机。 6.3.1 扁平式（圆盘）气流粉碎机

早期圆盘式气流粉碎机示意图。

结构: 扁平式气流粉碎机的结构如图所示。 1) 扁平式气流粉碎机的粉碎分级原理

（1）粉碎原理：高压气流经入口5进入气流分配室1中。分配室1与粉碎----分级室2之间由若干个喷嘴3相连通。气体在自身高压作用下，强行通过喷嘴时，产生高达每秒几百米甚至上千米的气流速度。待粉碎物料经过文丘里喷射式加料器4，进入粉碎----分级室2的粉碎区时，在高速喷气流作用下发生粉碎。由于喷嘴与粉碎室2的相应半经成一锐角a，所以气流夹带着被粉碎的颗粒作回转运动，把粉碎合格的颗粒推到粉碎----分级室中心处，进入成品收集器7。收集器实际上是一个旋风分离器，与普通旋风分离器不同的是，夹带颗粒的气流是由其上口进入。物料颗粒沿着收集器7的内壁，螺旋形地下降到储斗8中，而废气流，夹带着约5~15%的细颗粒，经排出管6排出，作进一步捕集回收。

扁平状的粉碎一分级室中所发生的流动，由于各喷嘴角α都是相等的，所以各喷气流的轴线，都相切于一个假想的圆周，该圆周称为分级圆。整个粉碎一分级室被分级圆分成两个部分：一部分为主要发生颗粒冲击粉碎的粉碎区2；

另一部分为主要发生颗粒分级的分级区3。 由于喷嘴倾角90，并且粉碎室轮廓又是圆形的，所以各喷气流运动一定时间后，必定汇集成一个强大的高速旋转的旋流8，称为主旋流。在粉碎区，相邻两喷气流之间的气体，又形成若干个强烈旋转的小旋流1。小旋流与主旋流的旋转方向相反。

进到粉碎区的物料颗粒，在喷气流和小旋流的作用下，发生混合、加速和冲击碰撞等作用。研究结果表明，80%以上的颗粒是依靠颗粒的相互冲击碰撞粉碎的，只有不到20%的颗粒是由于与粉碎室内壁的冲击和摩擦而粉碎的。

（2）自行分级原理：气流粉碎的喷气流不但是粉碎的动力，也是实现分级的动力。高速旋转的主旋流，形成强大的离心力的场，能将已粉碎的物料颗粒，按其大小进行分级，不仅

0 粉 体 加 工 技 术 讲 义 39

分级粒度很细，而且效率也很高，从而保证了产品具有狭窄的粒度分布。这种不需要外置分级器的分级性能，称为自行分级性能。具有自行分级性能的气流粉碎机，除这里的扁平式外，还有循环管式和特罗斯特型。

如上所述的分级圆将粉碎----分级室分为粉碎区2和分级区3。气流在分级区中的主旋流，是以层流形式运动的，随主旋流一起运动的颗粒，也以层流形式运动。只有高速回转的层流运动，才能提高极微细颗粒的分级效率。

处于由气流主旋流形成的离心力场中的任一位置上颗粒，同时受到两个作用力：离心力

FC和气流粘度引起的粘滞阻力FD。FC试图把颗粒拉向粉碎区；而FD则试图把颗粒推向

中心收集区。因气流粉碎颗粒极微细，可近似看成球体。假设颗粒在主旋流中的切向速度和径向速度与气流切向速度相等；则颗粒所受离心力： FCd3ut26r FDd20ur2D8

式中utur——主旋流中某处气流的切向和径向速度（m/s）； d——颗粒有效直径（mm）；

3 ——颗粒密度（Kg/m ）；

r——颗粒所在位置距粉碎一分级室中心距离；

3 0——气流密度（kg/m)

D——阻力系数。

从两式可以看出，FC与颗粒直径三次方成正比，而FD只与颗粒直径平方成正比。故当粒径较大时，FCFD，合力方向朝外，指向粉碎区；小颗粒则相反，FCFD，向心粘性阻力占主导地位，合力方向指向中心收集区。这样，大颗粒奔向粉碎区进一步粉碎，而合格的小颗粒进入中心区，成为品，从而构成自行分级模式。 2） 扁平式气流粉碎机结构及规格 典型的气流粉碎机结构如图所示。

给料装置由7~11构成。给入料斗10的物料，被加料喷嘴11喷射出来的气流引射到混合扩散管8中，在此处物料与气流混合并增压后，从进料管7进入粉碎室。

喷嘴20紧密地配合在粉碎室侧壁上相应的孔内。经入口14进入气流分配室21的气流，在自射压力下，通过喷嘴20，高速喷入粉碎分级室。为防磨损，在侧壁1、上盖12和下盖15的内侧，分别衬有耐磨衬里2、3、4。

粉碎分级室是气流粉碎机的关键部位之一。用数个弓形夹紧装置22，将上盖12和下盖15紧固在粉碎室侧壁1上，通过垫片13，形成一个密闭空间19。使用弓形夹紧置是为使上盖成为快开式的，有利用于换料清理，消除堵塞和清除结痕等操作。

成品收集17和废气排出管6是分别用压板18和5连在上盖和下盖上。已粉碎的物料被分级主旋流运载到阻管16处，并越过16而轴向地进入成品收集器17中。从17出来的废气流，经中央废气流排出管6排出。 规格：

气流磨的规格以粉碎室内径尺寸表示。从Φ50.8-1066.8mm。喷嘴按入气方向有水平直喷和垂直入气，粉碎室安6~24个喷嘴（2~42in）。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 40

3） 影响气流粉碎效果的因素

影响气流粉碎效果的因素很多，除气流粉碎机的结构参数外，还有许多操作因素。结构参数主要指气流粉碎机的喷嘴、粉碎分级室腔型，而操作因素主要是给料量、给料粒度、气流压强、气流温度和粘度等。 （1）操作因素：

给料量：开始时随着给料量增大，颗粒在粉碎区内碰撞几率也增大、但给料量增大到一定限度时，会超过物料在粉碎区里的体浓度的最佳值，这会影响每个颗粒所获得的动能及冲击速度。当气体各参数一定时，在一定的体积浓度范围内，颗粒从气流中获得的动能，与给料量成反比。给料量越大，产品粒度越粗，粒度分布越宽。

给料粒度：给料粒度不象给矿量那样影响大，但为了使气流粉碎经济合理地进行，应通过试验确定经济给料粒度。

气体压力：气体喷气流的动能，分别与其质量流量的一次方和速度的二次方成正比，所以喷气流的速度是关键因素，而速度又与气体压力和喷嘴形式有关。当喷嘴为渐缩形时，气体入口压力达到某一临界值时，出口速度也达到临界值。此时继续增加压力，速度不再增大。但此时可以增大气流密度，故仍然可增大喷气流所具有的动能。当喷嘴为超声速喷嘴时，多余的压强在喷嘴出处全部变成速度，使其变成为超临界速度。

从理论上讲，常用的压缩空气或过热蒸汽，其入口压力达到0.2MPa时，出口速度即可达到临界速度。但此时喷气流密度过小、动能不大、粉碎能力很低。为获得强劲喷气流，实际压力应比临界压力大许多倍才行。

气体温度：影响喷气流动能的另一状态参数是气体入口温度。喷气流出口速度与入口温度的平方根成正比。虽然使用温度高气体对粉碎有利，但它会使气体粘度增大，影响分级效果。因此，常采用高压力，低温度的过热蒸汽进行超微粉碎。 （2） 结构参数：

喷嘴：喷嘴对粉碎的影响主要与喷嘴的数目、偏角、安装位置有关。

一般认为喷嘴多时，能使气流更均匀、机体磨损轻、粉碎和分级效果更好。但数目太多时，在侧壁分布过分拥挤，喷嘴直径必定变小，易被杂质堵塞。

扁平式气粉碎机的喷嘴，一般安装在粉碎一分级室侧壁，即喷嘴圈的中间，在室高的二分之一处，但也有安装在该室靠底平面上的。但无论什么位置，都必须保证各喷嘴轴线严格地位于同一平面上，否则不能达到预期的粉碎效果。

喷嘴的偏角直接限定了分级圆半径，一般α多为32~35度。 粉碎----分级室腔型：粉碎----分级室腔型是气流粉碎机的关键部位之一，其腔型直接影响分级效果。通过调换不同形状的粉碎室上下衬壁或改变卸料管伸入粉碎室的高度，可以改变气固二相流运动情况，改善分级效果。短圆柱腔型是最基本的粉碎----分级室腔型，双截头圆锥腔型也是广泛应用的腔型之一。 出气和成品料收集：

扁平式气流磨一般均设有成品收集器和废气排出管。排气和排料有向上和向下两种形式（上排气上排料、上排气下卸料、下排气下卸料。下卸料一般用本机带的旋风分离捕集物料。 扁平式（圆盘）气流粉碎机特点

圆盘式气流粉碎机与其它类型的气流粉碎机相比，结构较简单，操作方便，拆卸、清理、维修简单方便，并自身具有自动分级功能。

喷嘴喷射出来的空气利用绝热膨胀的作用使温度下降，因而能够降低粉碎室的温度。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 41

其缺点是，当被粉碎的物料硬度较高时，随气流高速运动与磨腔内壁会产生剧烈的冲击、摩擦、剪切，导致磨腔的磨损，而且对产品会造成一定污染，尤其是对硬度很高的材料（如氧气化硅、碳化硅等）进行超细化处理时，磨损更加严重。因此，磨腔内衬材料都必须采用超硬、高耐磨材料制造。例如，采用刚玉、氧化锆、超硬合金、喷涂超硬度材料以及渗氮处理等。即使采用上述处理措施后，圆盘式气流粉碎机也多用于较软和较脆材料的超细化。 6.3.2 循环管式气流粉碎机 ( Jet—O—Mizer)

JOM系列循环式气流粉碎机又称O型气流粉碎机或跑道式射流磨。美国FIuid Energy公司1941年研制成功。目前生产厂家主要有美国FIuid Energy公司、日本清新企业及南京理工大学苏省超细粉碎体工程技术研究中心该验基地。该机的结构形状如图所示。 机器结构

该机主要由进料装置、循环管以安装在循环管道侧面的进气喷嘴及排气口等部部件组成。

该机的下半部分为粉碎区，安装多个粉碎喷嘴，安装的位置正好使喷气流的轴线与粉碎室的中心线相切；上部为分级区，装有百叶窗式惯性分级器。 工作原理：

物料由汾丘里喷咀自右下方给入管形跑道，下方有一系列喷嘴，高压气体经喷嘴加速后高速射入管道，夹带颗粒随之运动。由于管道呈O形，内外圈半径不同，因而气流及物料在管道，内的运行轨迹不同，内外层的运动路径速度都不相同。因此，各层颗粒间产生摩擦、剪切、碰撞粉碎作用。由离心力场的作用，大颗粒靠外层运动，细颗粒靠内层运动。由于外层射流的运动路程最长，该层的颗粒群受到的碰撞和研磨作用最强。经喷嘴射入的流体，也首先作用于外层的颗粒群，因此，使外层粗颗粒受到强有力的冲击、碰撞和研磨作用而被粉碎。

当物料随气流上升至分级区时，细颗粒在射流绕环形管道的限制和配合下，运动产生向心力作用使细料向内层聚集，使粗细物料分流，细料在内层经百叶窗式惯性分级器排出，最后经排料口排出机外变为成品。

粗颗粒则继续沿外层运动，在管道内再次循环被粉碎，只有当颗粒达到一定细度后才能从中心出料口排出。 主要规格和性能

循环管气流粉碎机的管道直径一般在25~200mm之间，高度之在1000~2500mm间。 粉碎粒度右达3~0.2μm.。

应用于填料，颜料，金属，化妆品，医药品、食品、磨料及有热敏性有爆炸性化学品的超细粉碎。对脆性材料粉碎效果明显，对韧性材料粉碎效果不理想。

特点： 循环管气流粉碎机的优点是主机结构简单，操作方便，粉碎的同时具有自动分级功能，主机设备体积小，生产能力大。

其缺点与圆盘式气流粉碎机相同，气流及物料对管道内壁的冲刷，磨损太严重，因此，不适用于硬度较高的材料超细化。为了减少管道内壁磨损，通常管道腔采用超硬、耐磨材料作衬里，如超硬合金、喷涂或渗氮处理等。 6.3.3 靶式气流磨

靶式气流磨是利用高速气流挟带待粉碎物料冲击在各种形状的靶(板）进行粉碎的设备。

早期靶式气流磨（图）所示有两种形式，

固定靶式：主要由加料斗、粉碎室和固定靶组成。

固定靶板式：主要由加料管、喷嘴、混合管（速缩扩型）、粉碎室和靶板组成。

第一种，被粉碎的物料被高压气2吸入，与气流相混合并得到加速。然后高速冲击到设置在前方的靶上使物料粉碎。粉碎后的物料随气流从出口排出，并进入后序的分级器中，进行分级。粗返回到加料1中再被粉碎，合格的细粒产品则排出系统之外。最终颗粒的尺寸基本上由分级器来确定。该气流磨的处理量为5~150kg/h.。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 42

第二种，物料由加料管进入粉碎室，由经喷嘴喷出的气流吸入并加速，再经混合管2进一步加速和均化后直接与靶板冲击发生强烈碰撞，速缩扩型混合管可使气料流更好地加速和均化。粉碎后的颗粒被气流带出粉碎区进入上方分级区进行分级，粗料重返粉碎区粉碎。 靶式气流磨是最早发明的气流磨之一，其主要优点是结构简单，操作方便。其主要缺点是由于夹带固体颗粒的高速气流束对靶板的冲击作用十分强烈，对靶板的冲击蚀非常严重，对产品有一定污染。因此，需要采用特殊的超硬材料制靶板。

然而，既使采用一些特殊超硬材料，冲蚀问题也无法完全解决。南京理工大学超细粉体与表面科学技术研究所的工程技术人员曾采用碳化硅、碳化钨、渗氮处理及刚玉等材料制作靶板进行粉碎试验，连续喷射石10h后，靶板上都冲蚀出了3~10mm深的射流孔。因此靶板式气流磨的工业化应用受到一定限制。

改进型靶式气流磨将靶板设置成可活动型并与冲击气流成一定角度的斜面，另外使物料在粉碎前就预分级，这样当入料粒度细时，就有相当一部分合格粒级物料不经粉碎直接进分级器分级，只有粗颗粒进入粉碎室粉碎，可降低能耗。 靶式气流粉碎机适应特点：

可粉碎各种物料，粉碎韧性大和高分子类材料比其它气流粉碎机效果突出。 6.3.4 对喷（撞）式气流磨

上述几种结构，均有一个共同点，即气流要借助管壁或板实现第一次撞击，然后是粒子相互进行第二次碰撞，以达到粒子被粉碎的目的，这些方法皆引起冲击壁（环）或靶板的磨损及对产品造成污染。

对撞式气流粉碎机正好和这点相反，为了解决高速气流对管壁或冲击板高速撞击引起的严重磨损出现了一种以两股高速气流相互对撞来使其中的固体颗粒被撞击粉碎的装置，以取代固定撞击板或管壁，成功地解决了固定被冲击面的磨损问题及对产品的污染问题，这种产品就称为对喷式气流磨――是一种利用一对或若干对喷嘴相对喷射产生的超高速气流，使物料从两个或多个方向相互进行冲击和碰撞的粉碎设备。 对喷式气流磨特点：

1）由于物料之间的高速直接对撞，因而冲击强度大，能量利用率高。

2）克服了扁平式和靶板式气流磨磨体容易磨损的缺点，减少了对产品的污染，提高了机器的使用寿命。 适用性：

可用于粉碎莫式硬度9.5 级以下，脆性、韧性和粘性的各种物料，产品粒度可达－200~亚微米级。

马亚克型气流磨

结构：如图示 工作原理：

该装置是使两股同等压力和同等流量的压缩空气从两侧成一直线进入粉碎区，物料通过螺旋输送机进入上升管中依靠上升气流带入分级室，粗料沿粗料返回管10返回至粉碎室8，受两股来自喷嘴6的高速气流在对撞时进行冲击粉碎，由于气流连续进入，粒子之间在混合气流下进行无规则的碰撞运动并向底部低压区移动，进入侧面的与粉碎室连通的上升管排分级室分级，粗粉向下滑落，并在二次空气作用下重新进入粉碎区。 产品粒度控制方法一是控制分级器内气流上升速度，以确保只有较细的颗粒才能被上升气流带到分级转子处；二是调节分级转子转速。

这类气流粉碎机是德国Alpine公司的早期产品，我国有多家公司于80年代末90年代初从Alpine公司引进了多台这类气流粉碎机。该类机型的优点是生产能力大，避免了固定

粉 体 加 工 技 术 讲 义 43

撞击板的的磨损及减少了对产品的污染。

该机的缺点是，体积庞大，结构较复查，能耗高。而且气固混合流对粉碎腔及管道的磨损仍较严重，因此这些接触面都必须用高耐磨材料衬里，如采用高耐磨聚氨酯、尼龙等。目前德国Alpine公司较少生产这类产品，代之以流化床为主产品。 特劳斯特型气流磨

80年中期，生产出了一种TJ型对撞式气流粉碎机（图）。

压缩空气从左右两侧以亚音速进入，物料从左侧入，在气流的喷射下，气料混合体进入粉碎区，此时与右侧进入的流相撞击，粒子在无规则的运动中向低压区移动，通过上升管进入分级区，细粒随气流通过通风口流出，粗通过返回管与右侧压缩空气合流进入第二次循环粉碎。 结构特点：

粉碎室采用逆向气流磨结构，分级室采用扁平式气流磨结构，因此兼有以上二者的特点。 与物料相接触的部分可做成衬里，材料可用尼龙、聚胺脂、碳化钨、陶瓷、不锈钢甚至钛钢等制作。

流化床式对喷式气流磨（Fluid Bed Opposed Mill）

流化床对撞式气流粉碎机主要生产大厂是德国Alpine公司，日本、中国也有一些生产。 结构：德国Alpine公司1981年成功地研究制造了流化床撞式气流粉碎机。

流化床对撞式气流粉碎机由料仓、螺杆（或重力）加料装置、粉碎室、高压进气喷嘴、分级机、出料口等部件组成。 工作原理

粉碎时物料通过料仓由螺杆输送器或通过重力将物料送入粉碎室。气流通过喷嘴进入粉碎室，由于粉碎室周边设有二维或三维的数个（3~7个）喷嘴。三维布置形式的有从下部进气的喷嘴，与水平环管气流相交。该点位于粉碎室中心，粒子在高速喷嘴射气流交点碰撞，使气流呈悬浮翻腾状的流态化床，致使气流对粒子进行高速冲击及粒子间相互碰撞而使粒子粉碎，与腔壁影响不大，所以磨损大大减弱。

产品随气流由上部通过分级机排出，尾气进入除尘器排出，不合格的产品返回到物料进口再进行粉碎，粉碎室和料仓料面高度可通过监控器进行监控。 流化床对撞式气流粉碎机的优缺点

（1）能耗低，与圆盘式气流粉碎机Micron-Jet-MiII)比，平均能耗减少30%~40%。主要是由于以下三个方面的原因使能耗获得减少，其一是喷射动能得到最佳利用；其二是多向同时对撞气流的合力大，粉碎效果加强；其三是与超细分级机紧密配合使用，使合格细粒产品能及时排出，只有不合格的粗粒才返回粉碎腔内进行二次粉碎 ，因此，能够防止粒子的过度粉碎，从而减少能量的损耗。

（2）磨损与沾粘小，通过喷嘴的介质只有空气而不与物料同路进入粉碎室，从而避免了粒子在途中产生的撞击、摩擦以及沾粘沉积、也避免了粒子对管道及喷嘴的磨损。

（3）产品粒度可以通过分级机进行调整，因此，粒径分布比较窄，而且分级机的调整完全是独立的。

（4）生产过程实现了自动操作，不合格的物料分级出，再进行循环粉碎处理，只有合格产品才能排出。

（5）结构紧凑，在同等生产能力情况下，与圆盘气流粉碎机相比，体积还要小，占地

粉 体 加 工 技 术 讲 义 44

面积可减小1/6~1/3，体积可减小1/10~1/6。 （6）拆洗较方便，磨损小。

（7）流化床对撞式气流粉碎机需要物料在粉碎腔内被气流束撞击粉碎，因此要求被粉碎的原料具有足够细度，对密度大的材要更加突出。若原料颗粒太大，密度太大，在粉碎腔内不能呈现流化态，则无法粉碎。这是流化床粉碎机的一个重要缺点。

（8）分级机叶片与固体颗粒长期高速碰撞接触，因此磨损也相当严重。在生产超硬、超细粉体时，磨损更严重。 应用范围

流化床对撞式气流粉碎机在合成树脂、酚醛树脂、PVC、颜料和染料、粉末涂料、成色剂、医药、化妆品、高级陶瓷、磁粉末、食品、香料、硬脂酸、脂肪、蜡、矿粉以及农药和可混性粉剂等生产中得到广泛应用。尤其适用于对高纯、超硬材料的超细化。该机生产能力大，十分适合于大规模工业化生产。 气流粉碎机的综合特点

球磨机、振动磨、锤式粉碎机等超细粉碎设备的生产周期往往较长，从而使生产效率降低；物料粉碎时会产生大量的热，致使热敏性物料变质；此外，设备的磨损会污染产品。气流粉碎机由于在粉碎方式、原理上与上述粉碎机不同，因此具有下列特点； （1）粉碎后的物料平均粒度细，一般小于5umm（粉碎比一般为1~40）；

（2）产品细度均匀，因为对于扁平型、循环型及对撞型气流通领粉碎机在粉碎过程中由于气流旋转离心力的作用，能使粗细颗粒自动分级；对于其它类型的气流粉碎机子也可与分级机配合使用，因此能获得粒度均匀的产品；

（3）产品受污染少，因为气流粉碎机是根据物料的磨原理而对物料进行粉碎，粉碎腔体对产品污染较少，因此特别适于药品等不允许被金属和其它杂质沾污的物料粉碎；

（4）可粉碎低融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，所以工作过程中不会产品成本生大量的热。因此，对热敏性物料及生物性制品超细化地区性十分有利；

（5）实现联合操作，因为当用过热高压饱和蒸汽进行物料的粉碎和干燥，并可作为混合机使用。许多物料在粉碎的同时，喷入所需浓度的溶液，以此覆盖固体细颗粒，以形成包覆层和进行表面改性，因此，气流粉碎可与粉碎外表包覆及表面改性相结合； （6）可在无菌状态下操作；

（7）生产过程连续，生产能力大，自控、自动化程度高。 综合评价

以上对目前常见的几种气流粉碎机都进行了介绍，气流粉碎机与其它粉碎机相比，其共同优点是；

生产能力大，连续、自控程度高，对设备磨损少，产品污染小、纯度较高，产品粒度细且均匀，易进行封闭式操作。

设备结构比较简单，内部无动件也无介质，因此，操作、维修、拆卸、清理、装配都较方便。粉碎环境度低，适用于热敏性、低熔点物料的粉碎。

气流粉碎机的发展前期向于微粉碎过程研究，随着技术及工艺的不断改进，气流微粉碎逐渐将研究重点放在控制粒度分布和粒子形状主方面。随后又进一步将该技术应用于除去杂质低温粉碎，流化床气流粉碎机就是其中的一例。气流粉碎机在超微领域的应用虽然仍存在粉碎极限的限性，以及能量利用率低的缺点，但它还是在许多领域用于制造超细粉体。这是因为它具有将将超细粒子凝聚体分散在空气中，并在分散情况下进行收集。它具有优越的分散功能，从这种意义上看这种粉碎机作为超细粉碎机潜力 依然很大。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 45 6.4 介质运动式磨机

介质运动式磨机――靠装在特定容器内的粉碎介质在运动过程中的相互碰撞、摩擦作用而使物料粉碎的粉碎设备。

典型介质――球、棒、叶片等

材 质――有机材料（聚胺脂、尼龙等）、普通碳钢、不锈钢、陶瓷、氧化铝、氧化锆和

刚玉等

要 求――有耐磨性、强度高和轻污染性 介质运动式磨机分类

容器驱动式――回转圆筒式（传统球磨机、行星球磨机和离心球磨机）、振动球磨机 介质搅拌式――间歇式、连续式、搅拌捧式、搅拌球磨式、立式、 卧式、干式和湿式 6.4.1 回转圆筒式球磨机

高细球磨机

1) 康必丹磨(丹麦史密斯公司)

与普通球磨机相比，是在球磨筒内设置一个代表康必丹磨特点的隔仓板，将球磨仓分粗磨和细磨两仓。 隔仓板的功能：

将粗磨仓中的粗细物料分开，使粗料继续留在粗磨仓中粉碎，细料进入细磨仓进行更细的粉碎； 隔阻粗细磨仓的磨介串仓；在保证通风顺畅前提下隔仓板箅缝要足够细。 2) 新型高细球磨机

是在康必丹磨基础上发展起来的，与其不同之处是：

用若干个挡料圈取代了小箅缝、大通风面积的隔仓板控制物料细度；

用小直径研磨体取代较大直径的研磨体；

粗细磨仓之间增设了带有8 块扬料分级分级筛板的间隔仓，是代表新型磨的核心部分。 新型高细球磨机粉磨机理关键：

选粉、粗磨、筛分和细磨过程都是在磨内完成。 适用：在水泥行业磨制快硬及超细水泥；在选矿、化工、耐火材料和磨料等行业应用也较多。 行星式球磨机

行星式球磨机――是一种借助特殊装置，使球磨筒体既产生公转又产生自转来带动磨腔内的球磨介质，以产生强烈冲击、研磨作用而使介质之间的物料被粉碎和超细化的设备。 种类――立式、卧式两种

筒体－－卧式身体一般较大，有内衬，立式筒体一般较小，所以筒体单一材料制做。 工作原理

传动轴由电动机带支旋转时，连接杆带动筒体绕传动轴旋转（公转），与此同时，固定齿轮带动传动齿轮5转动，由此使装有磨介的筒体3又绕各自的轴心自转。这种公转加自转的运动使介质产生冲击、摩擦力而粉碎物料，特别是自转在行星磨粉碎过程中占主导地位。 行星磨特点

公转和自转相互作用使磨介运动速度大幅度增加，从而提高了细磨效率；由于筒体安装在连接杆上且个数较多，因此筒体体积不能太大；筒体绕传动轴公转，不能连续出料，所以生产能力小，宜粉碎粒度更细的价格高的粉体产品。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 46

6.4.2 介质搅拌磨

介质搅拌拌磨――主要由一个静置的内填小直径研磨介质的研磨筒和一个旋转搅拌器构成的一种靠旋转搅拌器旋转搅拌驱动运动而达到粉碎物料的一种超细粉碎设备。 介质搅拌磨结构特点

搅拌磨的研磨筒一般做成带冷却夹套，研磨物料时冷却套内可通入不同温度的冷却介质，以控制研磨时的温度；研磨筒内壁可根据不同研磨要求镶衬不同的材料，还可安装固定臂（棒）；搅拌器是搅拌磨最重要的部件，有多种结构型式如轴棒式、圆盘式、穿孔圆盘式、圆柱式、圆环式等等。

连续磨矿时，研磨介质和研磨产品（料浆）要用分离装置分离，这种分离装置阻止研磨介质随料浆一起排出。介质分离器种类很多，目前常用的是圆筒筛的筛面由块平行的筛板组成，介质不直接打击筛面。这种筛子的筛孔尺寸一般为50~1500μm。圆筒筛的不足之处是难以分离粘度较高的矿浆。 工作原理

搅拌磨主要通过搅拌器搅动研磨介质产生冲击、摩擦和剪切等作用使物料粉碎。在搅拌中，研磨介质不是作整体运动而是作不规则运动。这种不规则运动对物料施加三种用力： （1）研磨介质之间的互相冲击产生冲击力； （2）研磨介质的转动产生的摩擦和剪切力；

（3）研磨介质填入搅拌棒（臂）所留下的空间时而产生的撞击力。

由电动机通过变速装置带动磨筒内的搅拌器回转，在搅拌器搅动下，研磨介质与物料作多维循环运动和自转运动，使研磨介质在筒内不断地上下、左右进行相互位置置换而产生剧烈运动，从而研磨介质在冲撞力，重力及螺旋式回转产生的挤压力对物料进行摩擦、冲击和剪切作用而使物料粉碎。 研磨介质

在搅拌磨中一般使用球形研磨介质，其平均直径小于6mm，用于超细粉碎时，有时甚至小于1mm.。研磨介质粒径大小对研磨效率和产品粒径有直接影响。介质的粒径越大，产品的粒径也越大，产量也越高。反之粒径愈细，产量愈低。

一般研磨介质的粒径大小视原料粒度和要求的产品细度而定。为了提高磨矿效率，研磨介质的粒径应大于10倍的给料平均径。

研磨介质的密度对研磨效率亦起重要作用。介质密度愈大，研磨时间愈短，所以在选用研磨介质时还考虑其密度。

研磨介质的硬度必须比被磨物料的硬度高，以增大研磨强度。 常用的研磨介质有天然砂、玻璃珠（含铅和不含铅）、氧化铝球、刚玉球、氧化锆球、钢球等（不锈钢和普通碳钢）。 介质搅拌磨分类

按生产时出料连续性分――间歇（批量）式和连续式搅拌磨。

按搅拌轴的不同分――为臂（棒）式搅拌磨、圆盘式搅拌磨螺旋（塔式）磨、棒盘式搅拌磨、环隙式搅拌磨等。

按粉碎的物料时是否需要加水又分为干式和湿式。 特点(与容器回转式磨相比)

综合了动量和冲量的作用，因而能有效地进行超细粉磨，可使产品粒度达到亚微米级；

粉 体 加 工 技 术 讲 义 47

能耗的绝大部分直接用于搅拌研磨介质，而非虚耗于转动或驱动笨重的筒体，因此耗能

比球磨机和振动磨低； 搅拌磨不仅有研磨作用，还同时具有搅拌和分散作用，是一种兼具多种功能的粉碎设备。 应用

搅拌磨可以批量（间歇）生产，也可连续生产，品细度最细可达1um以下。因此，广泛应用于颜料、高级陶瓷原料以及高岭土、滑石、云母、碳酸钙、硅灰石、锆砂等非金属矿物的超细粉碎加工。 间歇式搅拌磨

间歇式搅拌磨的主要由研磨筒（有的带冷夹套）、搅拌器和循环料装置等部分组成。循环卸料装置既可保证物料在研磨过程中循环混合，又可确保最终产品及时卸出。

间隙式搅拌磨的工作原理及工作过程是研磨介质在高速旋转的搅拌臂（楱）或盘的带动下对研磨筒内的物料施加剪切、摩擦和和冲击力，导致物料粉碎和分散。

间歇式搅拌磨一般用于批量（间歇）超细粉碎加工，但配备大容积循环罐及多台串联使用时也可分别用于循环磨矿和连续磨矿。

国产间歇式搅拌磨已用于煤系硬质高岭土、方解石等的湿法超细粉碎加工。 循环式搅拌磨

循环式搅拌磨这种搅拌磨主要由一个直径较小的研磨筒和一个容积较大的浆循环罐组成。研磨筒实际上是一个小型搅拌磨，内填研磨介质并在上部装有隔离研磨介质及粗粒物料的筛网；介质充填率占研磨筒有较容积的85%~90%；浆料循环罐的直径约为研磨筒直径的10倍。其工作过程是浆料连续在研磨筒和循环罐内快速循环（循环次数约为每小时8次），直至产品粒度合格。

这种搅拌磨的特点是由于料浆连续快速地通过旋转的研磨介质层和筛网， 使格细粒级产品及时排出，避免了因过磨而导到的微细颗粒的团聚，研磨效高；循环罐具有混合和分散作用，可在循环罐内添加分散剂等此外，由于料浆每次在研磨筒内的滞留时间短，从循环筒内新泵入的矿浆足以平衡研磨筒内的温升，因此这种搅拌磨的筒内无需冷却。

这种搅拌磨可以加工粒度微细而且粒度分布较窄的超细粉产品，而且操作简单、生产能力较大、可用于各种硬度非金属矿物及煤浆的超细粉碎。生产能力较大、可用于各种硬度非属矿物及煤浆的超细粉碎。 连续式搅拌磨 结构特点：

1）与间歇式搅拌磨相比其结构特点是研磨筒高且在研磨筒内壁上安装有固定臂，搅拌器多采用圆盘（偏心）式或销棒式，由于轴上的销棒（盘）与筒内壁的销棒交错设置而强化研磨作用。

2）搅拌轴制成空心且通部分冷却水，由于空心轴径远大于实心轴径，有助于均化磨介运动。 3）搅拌轴与磨筒之间采用机械密封使磨筒封闭，故适用于低流动性、高粘度浆料研磨，同时可避免溶剂挥发和气化。 工作过程：

料浆从下部给料口泵压入，在高速搅动的研磨介质的摩擦、剪切和冲击作用下，物料被粉碎。经过狭长搅拌筒中磨介研磨粉碎后的细粒浆料经过溢流口从上部的出料口卸出，卸料端设有分离筛板以分离磨介不随浆料卸出。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 48

粒度控制：

物料的细度靠在研磨室中的停留时间控制，通过给料速度来实现。给料速度越慢，停留时间越长，产品粒度就越细。 连续式搅拌磨主要规格

依研磨室容积分为：150、500、1000、2000、3000、4000L 装机容积量分别为： 45、100、200、300、450、600KW。

连续式搅拌磨既可以单级使用，也可以多级串联使用。多级串联使用时，研磨介质尺寸由大至小，产品粒度由粗至细。 除了湿式连续式搅拌磨外，还有干式连续搅拌磨。这种搅拌磨的基本结构与湿式磨相似，只是给料方式不同，即采用螺旋给料机上给料下排料。出磨的物料经筛分与磨介分离，再经外置分级机分级，细粉为产品，粗粉返回磨内继续粉磨。

双锥环隙搅拌磨（双锥形砂磨机）(CoBall-Mill) 这种磨机是德国80年代开发的新型搅拌磨。 主要结构

带有冷却水腔的纵断面呈W型的内外锥体；外锥体固定，内锥体旋转，两者之间的宽约6~20mm的间隙为研磨室。研磨室内充0.5~3.0mm球形介质。动态缝隙分离器用于分离研磨介质与研磨后料浆的分离。 工作原理

内锥体回转时，磨介受两锥体面的摩擦和离心力的双重作用，一方面相互摩擦运动，另一方面还半径大的方向支动，随转速增加，研磨能量也逐渐递增，对所研磨的物料施加的压力加大。物料由底泵入，经粗磨盘粗磨后进入研磨室，再经研磨室细磨后进入分离室与磨介分离，由上部出口输出。 特点：

1）两锥面之间的缝隙研磨区提高了研磨能量，故产品粒度细而均匀，粉磨效率高。 2）在相同处理量和产品细度下，设备体积小，故可减小损耗。

3）粉碎在密闭系统下进行，原料和溶剂不易泄漏与蒸发，可减少环境污染。

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6.4.3 振动磨

振动磨――是利用研磨介质（球形或捧状）在高频振动的筒体内的对物料进行冲击、摩擦剪切等作用而使物料粉碎的细磨与超细磨设备。 振动磨基本构造：

磨机筒体、激振器、支承弹簧和驱动电机等主要部件构成。 振动磨分类：

按振动特点分――惯性式和偏旋式 按筒体数目分――单筒式和多筒式 按操作方式分――间歇式和连续式 习惯按筒体数目分类。 工作原理：

磨机主轴旋转时，装有研磨介质和待磨物料的筒体在装有不平衡重块的传动轴带动下作圆周运动(振动)，使研磨介质产生高频振动对物料作冲击、摩擦、剪切等作用而将其粉碎。 研磨介质运动特点：

以一定的频率做相对于筒体中心的回转运动，回转方向与机器筒体旋转方向相反。介质群的这种相对回转运动不是轴对称的，只在一定的区域内（磨腔下半部）形成稳定的圆弧状运动轨迹，在磨腔上半部形成级联式的抛射运动。 （1）强烈抛射，对粗颗粒物料起冲击粉碎作用； （2）高速同向自转，对物料起研磨作用； （3）慢速公转，起均化物料作用。

物料从筒体入料端进入后不断被冲击和研磨，并以螺旋状运动轨迹运动至排料端排出。 在振动频率低的情况下，研磨介质之间紧密接触，一层一层地按一个方向移动，彼此之间无相互位移。但当振动频率高时，加速度增大，研磨介质运动较快，各层介质在径向上运动速度依次减慢，形成速度差，介质之间产生剪切和摩擦。

因此，介质的撞击能量沿筒体壁集中在一个狭窄的边缘区域内，靠近筒体中心的介质冲击能几乎为零，从而在中心部位形成一个乏能区，且半径随筒径增大成超正比增长，基于此原因，振动磨筒径目前不能超过650mm。 单筒振动磨 结构

筒体部分（带冷却或加热夹套，耐磨衬套）

间歇式――加料出料及磨介加入口、筒体翻转装置

连续式――加料管、分离蓖板、排料口、磨介加入口

传动和激振部分 电动机、传动轴、万向联轴器(弹性、挠性)、激振器（偏重飞轮、轴） 支撑部分 机座和支撑弹簧（螺旋、空气、橡胶、复合）

间歇和连续式简图 激振器布置简图

多筒式振动磨

多筒式振动磨一般由上下串联的两筒、三筒或四筒组成，以两筒为多，这种多筒式振动磨多为连续式生产。

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筒体布置形式及工作过程

垂直双磨筒或水平双磨筒。垂直布置的上筒体与下筒体一般为串联布置，通过连接管连接，上下两个筒体的出口均有隔离研磨介质的蓖板，物料先给入上筒体进行研磨，被磨碎的物料经过上筒体的蓖板后经连接管进入到下筒体，在下筒体内被研磨成更细的颗粒，经过蓖板与研磨介质分离后排出。

水平双筒布置的双筒体有并联、串联的独立布置。

并联布置是在双筒的两端均有联接管，两筒共用一个进料和排料管，生产能力大，物料在筒内运行时间短，粒度大。

串联布置是双筒的一端设有连接管，另一端分别设进料和排料管，较两筒并联比，生产能力小，但物料在筒内运行时间长，粉碎物料细。

两筒独立布置的双筒不联通，分别有进料和排料管，特点是可同时粉碎不同物料。 四筒式的布置成两组上下两筒串联形式。 振动磨的主要规格与参数

磨筒总容积 30~3300 L 级别无统一规定 振动频率 16.3 23.8 24.3

振 幅 3~15mm 高振幅 20~30mm (MZG-1) 原料粒度 2~3mm 最大40mm 出料粒度 微米或亚微米级 影响振动粉碎过程的基本因素：

（1）振动强度 将振幅A和激振角度的平方之积与重力加速度的比值定义为振动强度。

振动强度=A/g

实践证明，当振动强度大于6时，磨机才能产生细磨作用。在不同生产能力条件下，振动强度增大，产品的比表面积也随之增加，提高振动强度可以使物料在筒体内经较短的时间获得较佳的粉磨效果。

（2）振动频率 振动磨一般直接用弹性联轴器与电机连接，不设变速机构，所以振动磨的振动频率与电机的转速相同。关于振动频率的确定有两种意见：一种认为，粉磨速度与振动频率成正比，因而应用较高频率，只是结构上的限制影响了更高频率的采用，实际上用25Hz（1500次/min）和50 Hz（3000次/min）两种。另一种意见认为，高振动频率虽然会提高磨机的粉磨速度和工作强度，但动力消耗大大增加，粉磨效率降低，因此宜采用较低的振动频率。主张彩用12.5 Hz （750次/min）和Hz 16.7Hz（1000次/min）两种。我国生产的中、小型振动磨的振动频率一般较高（约25HZ，50HZ），容积在500L以上的用较低的频率，约12.5Hz（750次/min）。

（3）振幅 振动磨的惯性力与其振幅在正比，为了减小惯性力的影响，通常采用较小的振幅，一般选用2~4mm。

如前所述，振动磨的振幅是由偏重力矩和振动部分的质量等动力因素决定的。需要说明的是，振动磨振动部分的质量除了筒体和振动 器的质量外，还包括磨体的物料的质量，不过在操作时，特别是在频率很高的情况下，研磨体和物料是呈悬浮状态存在的，其质量对振幅的影响比堆积在一起时的影响要小，因此，作为用于算振幅的质量应表示为：

2 粉 体 加 工 技 术 讲 义 51

mm1Km2 m1——筒体和振动器的质量；m2——研磨体和物料的质量； k——校正系数，干法 0.1~0.3(3000转/min) 0.25~0.4(1500转/min)。 湿法 0.2~0.4(3000转/min) 0.6~0.8(1500转/min)

为了能根据实际情况调整振幅，通常在主轴上装有可调的附加偏重，通过调节附加偏重的动力矩即可改变振荡幅。

当振动磨的偏重力矩一定时，如筒内末装研磨体，由于振动部分的质量减小，在这种情况下使机器运转，必定有较大的振幅，这样可能会导致弹簧的损坏。因此，对于惯性式振动磨不允许启动。

（4）研磨介质填充系数及尺寸 在振动磨内，不存在像球磨机中所谓研磨体内层的问题，介质填充系数主要从有效利用磨机容积和不妨碍研磨体的循环运动等方面考虑。因此，填充系数比球磨机大得多，通常为0.6~0.8 ，量高可达0.9。

研磨体的大小应根据入磨物料的粒度大小而定，一般为10~25mm。研磨体的密度大，则尺寸可小些；反之，则应大些。

（5）物料装入量及入磨粒度 实践证明，物料的装入量以略超过充满研磨体的空隙时效果量好。若装料太少，会造成研磨体彼此间的碰击和研磨，使生产能力和粉磨效率降低，研磨体的磨损加快；装料太多则会妨碍研磨体的正常运动，同时易生过粉碎和形成衬垫作用，同样会降低生产能力和降低粉磨效率。入磨物料的粒度不宜过大，一般在2mm以下为宜。 （6）筒体振动形式(运动轨迹)

振动磨筒体振动形式(运动轨迹)分垂直偏移、水平偏移、椭圆(垂直/水平)和圆形振动，圆形振动粉碎效果最好。(受偏重、筒重、介质和物料重、弹簧位置弹性等多因素影响。 振动磨的特点：

振动磨机与球磨机均属介质研磨设备，粉磨都是通过向介质和物料的混合物供给能量的方法来粉碎或粉磨物料，但粉磨能量的提供则不完全相同。球磨机主要通过重力场或离心力场的转动，而振动磨主要借助于筒体的振动，其振动系统由装有研磨体的筒体及支承弹簧组成，振动运动的产生可由转动轴上的偏心重块的激振动力矩引起。筒体的振动使磨介及物料呈悬浮状态，被磨物料通过筒体的纵向运动受到介质研磨。此外，粉磨介质和物料在筒体内的缓慢转动有利于物料混匀。由于单位时间内的作用次数多，使得所得产品粒度小，分布均匀。

概括起来，与球磨机相比，振动磨机有如下特点。

（1）由于高速工作，可直接与电机连接，省去了减速设备，故机器质量轻，占地面积小。 （2）筒内研研磨介质不是呈抛落或泻落状态运动，而是通过振动、旋转与物料发生冲击、摩擦及剪切而将其粉碎及磨细。

（3）由于介质填充率高，振动频率高，所以单位筒体体积生产能力大。处理量较同体积的球磨机大10倍以上，单位能耗低。

（4）通过调节振幅、频率、研磨介质配比等可进行微细或超细粉磨，且所得粉磨产品的粒度均匀。

（5）结构简单，制造成本较低。

（6）但大规格振动磨机械零部件（弹簧、轴承等）的力学强度要求较高。 （7）由于高频振动，工作时易产生躁音。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 52 6.5 挤 (辊)压式磨机

是通过两个相向旋转的辊面或辊面与辊道间的强大挤压力而将物料粉碎的设备。 辊压磨分类：高压辊式磨机(对辊磨)、立式辊磨机和悬辊式磨机。 6.5.1 高压辊式磨机

又称辊压机或挤压磨。

结构：给料装置、料位控制装置、一对挤压辊、动力和传动装置、间隙调节和横向防漏装置。 结构特点：主要是一对粉碎辊，其中一固定，一个活动，可调整两辊面间隙，以改变钳入的物料量。动辊间隙的调整视设备大小可用液压或螺旋丝杠进行调整。 主要结构参数：

辊径：0.2~1.2m；辊子圆周线速度0.5~2m/s。

相对间隙宽度：辊面间隙与辊子直径的比值：S/D=0.01~0.02

最大给料粒度：dmas=(0.07~0.08)D 粒度大于间隙宽度的物料含量应小于20%。 适应性能：最适用粉碎脆而硬的物料，常在超细粉磨系统中充当预粉碎设备。

粉碎过程特点：落入相向旋转的辊面间隙的物料，受50~500MPa高压压力（挤压力200kN）作用，被压成密实的料饼。粉碎是以压应力为主，开始时压力较小，料层体积缩小变实，各颗粒互相紧密靠近。随间隙变小，压力上升，当压力超过颗粒强度时颗粒发生粉碎。受过挤压的颗粒已经粉碎，但其中还有相当一部分粗粒，但其内部已充满了裂纹，其易碎性得到了改善，为后续超细粉碎打下基础。 6.5.2 立式辊磨机

莱歇磨（Loesch mill）

物料被喂入锥形辊与磨盘之间的粉碎区受到辊压而粉碎，并在离心力作下从盘缘溢出，被盘周通入的空气扬升至顶部离心分级器分级，粗颗粒返回粉碎区再行粉磨，细颗粒排出机外由收尘器捕集。通过调节分级器转子转速可控制产品细度在400~40um在右。磨辊由液压装置调控下压力，一组磨辊的下压力可达12t左右，磨辊的下压力可根据粉磨量和产品细度的要求来调节。

为了防止磨内物料磨空时磨辊与磨盘衬板直接接触，装有调节螺栓，以保证它们之间的间隙。另外，为方便更换磨辊衬套，还设有轻便液压装置，通过控制阀由油缸旋转磨辊摇臂，使磨辊从机体检修孔中移出机外进行检修。

磨盘由立式减速机带动回转，减速机除传递扭矩外还要承受从磨盘传来的粉磨力和下压力，因此，有些磨机先用辅助传动进行启动，然后再开启主电机。分级器由专用电动机驱动，因此能随意调节产品细度。 MPS立式磨

它与莱歇磨的主要区别在于磨辊为鼓形，磨盘为应的环槽形，其他装置基本相同。在相同粉磨能力时，磨盘直径比莱歇磨大，盘周有更多的通气孔，在一定风速下有；较大的空气量，因此磨内空气压力经莱歇低20%在右。 立式磨的优点（与球磨机相比）

（1）入磨物料粒度大，大型磨的入料粒度可达50~80mm，因而可省去二级粉碎系统，简化粉磨流程。

（2）带烘干装置的立式磨可利用各种窑炉的废热气处理水分达6%~8%的物料，加辅助热源则可处理水分高达18%的物料，因而可省去物料烘干系统。

（3）由于磨机本身带有选粉装置，物料在磨内停留时间短（一般仅为3min左右），能及时排出细粉，减少过粉磨现象。因而粉磨效率高，电耗低，产品粒度较均齐。另外，粉磨产

粉 体 加 工 技 术 讲 义 53

品的细度调整较灵活，便于自动控制。

（4）结构紧凑，体积小，占地面积小，约为球磨机的1/2左右，因而基建投资省，约为球磨机的70%左右。

（5）噪声小，扬尘少，操作环境清洁。 立式磨缺点:

（1）一般只适合于粉磨中等硬度的物料，粉磨硬度较大的物料时，磨损较大。

（2）磨辊对物料的磨蚀性较敏感，故通常分体制造。辊套用抗磨性高的合金钢，辊芯可用一般材料。

（3）制造要求较高，辊套一旦损坏般不能自给，须由制造厂提供，且更换较费时，要求高，影响运转率。 （4）操作管理要求较高，辊套不允许空空磨启动和停车，物料太干时还需喷水润湿物料，否则物料太松散而不能被“咬”进辊子与与磨盘之间进行粉碎。 6.5.3 悬辊式磨机(雷蒙磨 Reymond mill) 结构及工作原理：

雷蒙磨的主要构成部分是固定不动的底盘和作旋转运动的磨辊。在底盘的边缘上装有磨环。磨辊绕垂直轴旋转时由于离心力作用紧压在磨环上，与磨辊一起旋转的刮板（又称铲刀）将底盘上物料撒到磨辊与磨环之间，物料在磨辊与磨环之间受到挤压和研磨作用而被粉碎。 底盘的边缘上为磨环，底盘中间装空心立柱作为主轴的支座。主轴装在空心立柱的中间，由电动机通过减速器、联轴器带动旋转。主轴上端装有梅花架，梅花架上有短轴，用来悬挂磨辊，使磨辊能绕短轴摆动。磨辊中间是能自由转动的辊子轴，轴的下端装辊子，每台磨机共有3~6只磨辊，沿梅花架均匀分布。

在梅花架下面固定着套于空心立柱外面刮板架和刮板。主轴旋转时，磨辊由于离心力作用紧压在磨环上，因此，磨辊除了有被主轴带动绕磨机中心旋转公转运动外，还有由于磨环和辊子之间摩擦力作用而产生的绕磨辊轴中心线旋转的自转运动。从给料机加入落在底盘上的物料被刮板刮起撒到磨辊前面的磨环上，当物料未及落下时即被随之而来的磨辊所粉碎。 在底盘下缘的周边上开有长方形的进风孔15，最外缘为风筒14。由通风机鼓入的空气经风筒和进风孔进入磨机内，已粉碎至一定细度细度的物料被气流吹起，当经过磨机顶部的分级机叶片附近时，气流中的粗颗粒即被分出，回落至底盘上再行粉碎。达到要求粒度的物料随同气流离开磨机，进入旋风分离器。在旋风分离器中，大部分物料被分离出来，从旋风分离器底部排出，空气则从顶部出风管排出，经过风机后大部分空气重新鼓入磨内。为了在磨机和旋风分离器内形成负压，以防止粉尘外逸，小部分空气经由通风机出口处的支风管进入几个旋风分离器和袋式除尘器，将空气中的固体颗粒再次收集后放入大气中。

产品的粒度通过改变空气分级机转速的方法来调节。分级机转速增大，上升气流及其中的物料颗粒的旋转速度随之增大，颗粒沿半径方向的离心沉降速度加快，如此可使气流中的物料颗粒在通过分级机前后更多地沉降至气流速度较小的罩筒附近并随之落回到低盘上，只在尺寸更小的颗粒才能随气离开磨机成为产品，因此产品的细度变细。反之分级机转速度变慢，大多数颗粒都能通过分级机作为产品卸出，故产品的细度变粗。

雷蒙磨的规格： ×R××××，如4R3216，R前的数字代表磨辊的数量为4个；R后面的前两位数字表示磨辊直径为320mm，后两位数字表示磨辊的高度为160mm。

雷蒙磨的特点：性能稳定，操作方便，能耗较低，产品粒度可调范围大；另外，不能空车运转，否则磨辊直接压在磨环上甚至发生强烈的碰击，无疑会加剧它们的磨损。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 54

第7章 粉体分级及设备

7.1 分级概述

7.1.1 分级定义与意义

分级定义――根据生产工艺要求，在粉碎过程中或粉碎完毕，把粉碎产品按某种粒度大小或不同种类的颗粒进行分选的操作过程称为分级。 分级目的――控制产品的粒度处于所需的分布范围，同时使混合粉料中粒度已达到要求的产品颗粒及时分离出去。

分级作用：可以提高超细粉碎系统粉碎效率，减轻细微颗粒在粉碎过程中的团聚现象，另外

可以确保粉体产品的粒度质量（粒度和粒度分布）。

分级方式：分级时所采用的对不同粒径颗粒进行分离的原理和手段的形式（筛分、流体）。

7.1.2 分级性能的评估

对分级的评价就是对分级的技术效果两方面的考察。

总分级效率：E＝W1/W 分级出的产品质量占给料量的百分数。

分离（级）效率：分离后获得的某种成分的质量与分离前粉体中所含该成分的质量之比。

m1/m0100% m0、 m1分离前、后粉体中所含该成分的质量 该式可以明确地反映出分离效率实质，但实际上应用不实用（称量不便和实际达不到）。 部分分级效率：将原始粉体和分级后的粗颗粒体分别按其粒度特性分为若干粒度区间，做出频率分布曲线a、b，设任一粒度区间内d+Δd之间的原始粉体和粗粉体质量分别为wf和wb， 则再以粒度为横坐标，以wb/wf×100为纵坐标，所绘制的曲线称部分分级效率曲线。 该图上50%对应的横坐标的粒径称分级粒径或粒度（dT）。 综合分级效率（牛顿分级效率）：

定义：将某一粒度分布的颗粒群体用分级令大粒部分为粗粒级，小粒部分为细粒级。则 将综合分级效率定义为：合格成分的收集率－不合格成分的残留率（简图）

综合分级效率定义公式为: 粗粒级中实有粗粒量 细粒级中实有细粒量

ηn= ―――――――――― ＋ ―――――――――― － 1 原料中实有粗粒量 原料中实有细粒量

设：mf代表原料量，ma 为原料中的粗粒级量，mb为原料中的细粒级量，wa为原料中实有的粗粒比率，wb为粗粒级中实有的粗粒比率，wc为细粒级中实有的粗粒比率， 上式可写成：

nmawbmb(1wc)1ab1a(1b) mfwamf(1wa) 牛顿分级效率是综合考察了合格细粒的收集程度和不合格粗粒的分离程度，所以该指标似乎能更确切地反映出分级设备的分级性能。其物理意义可以理解为分级机实际能达到的理想分级质量比。

分级精度：部分分级效率为75%和25%相对应的粒径d75 和d25的比值。

分级精度＝d75/ d25 或 d25/ d75。理想精度＝1 实际大于1或小于1，越接近1精度高。 实际反应的是部分分级效率曲线与理想分级曲线间的偏离程度或陡峭程度。

7.1.2 分级原理

1）重力分级原理 2）离心分级原理

7.1.3 分级粒径

1）漩流器分级粒径：（化工原理课计讲过，超细粉碎书207页）

粉 体 加 工 技 术 讲 义 55

2）离心沉降分级粒径：（化工原理课计讲过，超细粉碎书208页） 3）转子涡轮式气流分级：

设叶轮转子平均半径r，颗粒粒径d，密度δ，颗粒在P点受两个相反的作用力作用，即叶轮旋转时产生的离心力F和气流阻力R。

vt2 fd() R3dvr vt、vr颗粒的切向和径向运动速度

6r3 当F>R时，飞向器壁排出（粗粒），当F＜R时，颗粒随气流从排出管排出（细粒）。

当F＝R时，理论上绕r轨道停旋转，此时称粒径为分级粒径（临界粒径）dT：

dT118rvr η――空气粘度，vt――叶轮平均转速，vr――气流速度

vt60vt2rn9.5518vr 则vt 代入上式得：dT 2r60nr() 由于 n涡轮式分级机获较细产品途径：机器结构参数（提高n和r），操作因素（气流速度和粘度）。

7.2 超细分级设备

超细分级设备分类

以空气为介质的干法分级机――重力、惯性分级器、空气旋流式和转子式气流分级机。 以水为介质的湿法分级机――水力旋流器、超细水力分级机、卧式螺旋离心分级机和沉降式

离心分级机。

7.2.1 重力分级器

重力分级机是利用不同料粒径的颗粒在重力场中的沉降速度不同进行分级的分级设备。 类型――水平流型、垂直流型和之字型。

7.2.2 惯性分级器

颗粒运动时具有一定的动能，运动速度相同时，质量大者其动能也大，即运动惯性大。当它们受到改变其运动方向的作用力时，由于其惯性不同会形成不同的运动轨迹而实现大小颗粒的分级。 二次气流――用于改变颗粒运动方向；大颗粒方向基本不变，小颗粒在其作用下改变方向。二次气流的射入角度和速度及各出口的压力可灵活调节，可在较大范围内调节粒径。

二次气流起一定清洗作用，目前这分级机粒径可达1μm。

分级室有涡流现象和颗粒团聚现象。

7.2.3 旋流式分级器（自由涡流式）

1）水力旋流器

这类分级器主要是依靠离心力对物料进行分级。流体挟带物料从进料管切线进入分级器的圆形部分，形成内外层的上下旋流，外层为下降旋流，内层为上升旋流，下降旋流将粗颗粒旋转流动带到下出口排出，上升旋流将细颗粒携带到溢流口排出。 特点：水力旋流器结构简单，设备费用低，处理能力大，应用范围宽。 动力消耗大，内壁磨损大，操作稳定性差，分级精度差，效率低。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 56

适用：3~250μm粉体进行分级；含有小于15μm浆料进行浓缩。 2）旋风式分级器

用气体产生的离心力场对物料颗粒进行分级的设备。

旋风式分级器是一种传统分级设备，已有100多年的应用历史。过去人们普遍认为只能用于较粗颗粒的固气分离，不能用于细微颗粒的分级。

原因：入口气流速度小（15~20m/s）相应离心力小，不足使细微颗粒甩向筒壁而分离出来； 入口气流速度过大，粗颗粒离心力大，撞壁回弹，造成返混“现象”。 改进措施：a 采用小直径以增加离心力；

b 直筒部分高度加大，延长颗粒在分级区内圆周运动； c 减小内外筒之间的环隙，缩短沉降至筒壁时间；

d 增大气流入口速度，强化离心效果（有预分级而无大颗粒时）。

几种改进型旋风分级器：螺旋线型、双蜗入口型

7.2.4 强制涡流式分级机（带分级转子式）

MS型涡轮式气流分级机

该型分级机是日本细川公司研制生产的标准型分级机。 结构（图）

特点：分级轮轴立式布置，分级轮为锥式，带气流分配锥 工作原理：

待分级粉料在气流携带下，通过进料管进入分级腔，在上升过程中，粉料受到二次风“风筛”作用，使粉料中的粗细粉被一次分离，粗粉下落，细粉继续上升至分配锥处，由于分配锥高速旋转，上升的粉料被分散并均匀向四周运动。当粉料达到分级涡轮处时，由于涡轮高速旋转产生大的离心力场，使粉料受到两个作用力――上升气流（负压产生）向心力和涡轮边缘旋转产生的离心力。

这时粉体某一颗粒受力会产生三种情况之一： 离心力大于向心力――甩向筒壁后落下 向心力大于离心力――从涡轮缝隙中排出 向心力等于离心力――可能50%落下或排出 这50%颗粒的粒径称为理论上的临界分级点，则这种分级机最终获得的细料粒径取决于临界分级点的设计。

影响临界分级点大小的因素：

分级涡轮直径、转速、上升气流速度式（抽风机吸力）、粉料颗粒密度及分散性等。 当机型和物料一定时，起决定作用的便是分级轮的转速。转速越高，产品粒径越小。但带来的影响则是生产能力下降。弥补方法是加大涡轮直径。

国外转速以达10000r/min以上，德国Alpine公司和ATP型分级机以达22000r/min。 无疑加大涡轮直径和提高转速是缩小分级粒径的最有效方法，但都要求机器有非常高的加工精度来保证（动平衡，涡轮与壳体间隙等）。 特点：分级粒度范围宽（3~150μm调整），形状（纤维、薄片、球状和近似近似球状、块状）。 分级精度高，分级后细粒产品中无粗颗粒； 结构简单，维修、操作和调节容易； MSS型涡轮式气流分级机

粉 体 加 工 技 术 讲 义 57

特点：分级粒度细，可在1~2μm范围内分级，可获得≤5μm含量达97%超细粉，因此具

有分级精度高粒度分布窄的特点。 分级粒度范围：2~30μm。

适用：填料、颜料、高级陶瓷原料、电子材料、化工材料、药品及非矿超细粉碎 主要参数：（P216） 应用实例：（P216）

MSS-N型涡轮式气流分级机

特点：进料先形成流态化床，增强分散效果，分级能力大；

经风筛环的粗料受“风筛”作用使细粒进一步析出，提高了分级效率。 ATP型涡轮式气流分级机

ATP型涡轮式气流分级机是德国Alpine公司制造的超微细分级机。 分类――单轮和多轮（分级轮）、上部给料和下部给料形式、单一结构和与粉碎机联体结构。 结构――分级轮轴水平布置，分级涡轮为圆柱形，有单分级轮、两分级轮和三分级轮；常与高速冲击式粉碎机、流化床对喷式气流磨和立式辊压机配套使用。 特点――原料可以与部分分级空气一走进入分级机内，因而便于与以空气输送产品的超细粉碎机配套，不需设置原料与气流分离的工序；可同时安装2~4个分级轮，处理能力显著提高，适合大规模生产；磨损较轻，粒度细，精度较高。 参数（P219）

联合使用的ATP型涡轮式气流分级机（图－与气流粉碎机和辊式粉碎机联合使用） MP型涡流式分级机（德国Alpine公司）

分级室由两块高速旋转和平板构成，平板之间装有导向叶片。

7.2.5 卧式螺旋离心分级机（湿式）

构造（图） 工作原理 特点：

连续操作、处理能力大、单位产量能耗小、结构紧凑维修方便等。 粒度调整：

调整转鼓的转速，转速越高，分级的粒径越细。当转鼓的角速度到一定值时，分级的粒径可趋于无限小甚至为零，这时卧式螺旋分级机可变

卧式螺旋离心分级机

为固液分离机。因此使用该设备，即可进行分级，

1－差速器 2－转鼓 3－螺旋推料器 4－机壳

又可进行分离操作。 5－进料管 6－排渣口 7－进料仓 8－溢流环

规格和参数

可处理颗粒范围为1.0~10μm，固体含量为2~50%浆料，规格（P293）

粉 体 加 工 技 术 讲 义 58

第8章 超细粉碎辅助设备

除超细粉碎和分级粉碎设备外超细粉碎系统还包括粉体输送设备、粉体喂料及计量设备、粉体收集设备、及粉体贮存与包装等辅助设备。

8.1 粉体输送设备

在超细粉碎工艺系统中，原料从存贮地点（料堆、原料仓）到粉碎机→分级机或下一级粉碎机，成品→存贮仓都需要专用的设备进行输送，所以：

粉体输送设备——在超细粉碎工艺系统中承担各工序之间原料或超细粉体传送工作的设备。 粉体输送设备分类

按作用力方式分 机械力传送 气流输送 液流输送 按输送装置分 带式输送 容器输送 管道输送 8.1.1机械输送设备

1）胶带输送机：用于水平方向和坡度不大的倾斜方向的破碎矿石-堆存→粉体原料输送。 特点：生产率提高运输距离长，工作平稳可靠结构简单，操作方便，不能密封。 2）螺旋输送机

优点：构造简单，在槽外部除传送装置外，不再有传动部件。占地面积小，容易密封，操作方便，可多点装料和卸料（简图）

缺点：运行阻力大（机槽与螺旋片之间，物料与螺旋面之间，机槽与物料之间），故其机械

耗能大，磨损较快。（大块） 适用：输送距离较短，输送量能力不大（100m）较细粉体产品. 3)刮板输送机。

刮板输送机——借助链条牵引刮板在料槽内运动来输送物料的准备。

适合在水平或倾角较小方向输送块状物料，长度<60m 200t/h 埋刮板输送机：

结构：两个封闭料槽，一个用于工作分支，一个用于回程分支 应用：块状物料<3mm，硬粒状1.5mm.。

适用：不适于输送磨蚀性大，硬度大的快状物料，不适于粘度大，流动性强的物料。

特点：物料在机壳内封闭运输，扬尘少，布置灵活，可多点装料、卸料，可水平和垂直传送，（水平）水平传送长度80~100m，垂直20~30m。 4）柔性输送设备

柔性输送设备是一种管道型输送设备。

结构：管道内以多圈弹簧代替叶式螺旋作为输送的主要部件。

工作原理：多圈弹簧旋转时产生离心力和推力，使超细粉体在管道内沿管壁和弹簧间的间隙

前进而不断地被输送。

特点：较长距离，水平、垂直和弯曲输送。在输送时即可起输送和混合作用，粉体不易粘壁而堵塞管道，由于是封闭输送，无粉尘泄露。 5）斗式提升机

斗式提升机是一种应用较为广泛的垂直输送设备

结构：在垂直牵引的胶带或牵引链上按一定间隔装有料斗。

带式：自重小，可较高速度，生产率大，工作噪音小。胶带固定料斗连接处强度低

3 粉 体 加 工 技 术 讲 义 59

难臼取物料不宜用。

链式：链条强度高，提升物料粒度大，高度大。链节之间磨损较严重。 8.1.2 气力（流）输送装置

由于超细粉碎各工序设备之间在水平和垂直位置上的机对点系比较复杂，另外机械力输送设备，在输送超细粉体时容易泄漏，因此，输送线路灵活，密封性好的气流输送设备得到广范应用。 优点：

设备简单占地面积小维修费用低。

输送管路布置灵活，使工厂设备配置合理化。

输送过程中物料不易受潮和混入杂物，粉尘泄漏小。

可方便地实现集中，分散、大高度（80m）远距离（2000m）、各种地形输送。 可实现自动化遥控，管理费用少。 缺点：

运力消耗大，需配套压缩空气系统，不适输送粘性强和粒径大的物料。 气力输送系统分类 吸送式 压入式 吸送压入结合式 气力输入装置 螺旋式气力输送泵（工程设备194页）

单仓（脉冲）式栓流输送装置（加工技术466页） 双仓式气力输送泵

8.2粉体喂料及计量设备

喂料设备是超细粉碎系统中不可缺少组成部分，也是短距离内输送物料一种机械设备。 喂料机——装设在存贮仓的卸料口处，能将物料连续均匀卸出并喂入到下一设备中去设备。 喂料机的主要性能 在喂料过程中可以控制物料流量。

当喂料机停止工作时，起到存贮仓闭锁作用。 8.2.1 有挠性牵引构件的喂料设备

这些设备实际是同名输送机械的变体，与同名输送机相比，在结构长度上减少，而结构强度较高。

类型：带式和板式

1）带式喂料机，是一个短小的带式输送机。可水平式倾斜安装与普通输送机相比。

特点：支承托辊布量数密间距0.25~0.3m。空载段不设托辊带的两边有静止的挡档板，带速

小（0.05~0.45m/s) 长0.9~5m。 应用：小块状或粒状物料。

优点：结构简单，运行可靠，喂料量调整性能好，可实现自动控制和计量。 缺点：设备体积较大，易于磨损，不适用温度高和有磨蚀性物料。 2）板式喂料机

结构特点：用钢制一定宽度和长度的带有铰接的承载板代替带了胶带 适用：温度超过70°以上的块状物料或有磨蚀性物料喂料

特点：结构坚固，可承受大冲击和压力，能处理大块的热物料。 结构复杂，质量大，制造成本高，不适合运送粉状物料。 8.2.2 转动式喂料机

靠绕固定轴转动输送物料的喂料设备

粉 体 加 工 技 术 讲 义 60

分类——螺旋式、滚筒式、叶轮式和盘式。

1）螺旋喂料机：是一和短的螺旋式输送机，与其相比螺距和长度较小，料槽断面为圆形（管状）螺旋轴支承在管处两端的轴承（不设中间轴承）。

按输送管分单管双管、按螺旋结构分，双头螺旋（均匀，输送料快）变螺距喂料机（可大、可小，渐大；防止喂料处增荷。渐小；输送过程中压实容化，锁风） 2）滚筒式 3）叶轮式 4）盘式

8.2.2 计量设备

在很多超细粉碎工艺过程中，不仅要求均匀连续地供料，同时还要求准确地定量供料。尤其是要求不同成分、不同种类或来同品位的多种原料按比例配合时，对各样的物料要进行定量加入，这时往往在计量设备上同时装有计量装置，此时喂料设备兼有计量的作用。 计量设备分类：悬臂式计量称、料斗式计量称、称重辊式计量称。 悬臂式计量称（皮带（恒速、调速）、螺旋）

8.1 超细粉体捕集（分离、收集）设备

在超细粉碎工艺系统中，各种粒度的合格产品是通过个类的分级设备获得的，但不管是哪类分级机，在系统末端流体中都会含有一定时的特细颗粒。在许多工业生产中，这些颗粒视为有害物质，而在超细粉碎生产中，这些颗粒则是优质产品，需设法将其从流体中分离并收集起来，所用的设备则称为超细粉体捕集（分离、收集）设备。

捕集回收系统是超细粉体粉磨系统的一部分，与粉磨系统气流场密切相关。超细粉体粉磨系统工作多为负压工作，系统负压和捕集回收系统的气流由专门设置的磨尾风机产生。 因此，对捕集回收系统的要求是： 阻力小且稳定 捕集效率高。

主要捕集方式：重力、惯性、离心、过滤和静电捕集。 预捕集和最终捕集。 主要捕集设备

1）旋风分离器（旋风收尘器 常用于预捕集）

是利用高速旋转气流的离心力将超细粉体颗粒从分离出来的干法捕集设备。

性能与使用特点：设备结构简单，体积小，无运动部件。对超细颗粒的分离作用是是其重力的数百倍。可适应的粉尘负荷范围广（0.01g/m3~500g/m3），临界粒径为几个μm，不能用于捕集1~2μm的超细颗粒，因此常用于预捕集设备。 2）袋式捕集器（布袋收尘器）

是通过过滤方法将超细粉体颗粒从含尘气体中阻留在纤织物上的捕集设备。

当含有粉体颗粒的气体通过滤布层时，颗粒被滤布阻留达到捕集目的，因过滤织物一般呈袋状，故常称为布袋捕集（收尘）器。 性能与使用特点：是一种高效捕集回收装置，可以捕集到亚微米颗粒，回收效率达99%以上。 滤布材料：

棉织滤布，价格较低，耐高温差（60~80℃），现很少用。 毛织滤布，价格较高，耐高温性牟较好（95℃以下），透气性好，阻力小。 合成纤维，视材料而定，80,110~130,140~160，耐酸碱程度不一。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 61

第8章 超细粉碎工艺

8.1 超细粉碎各工艺流程特点

工业上采用的超细粉碎单元作业（即一段超细粉碎）有以下几种工艺流程；

（1）开路流程。图（a）所示，这种工艺流程的优点是工艺简单。一般扁平或圆盘式、循环管式等气流磨因具有自行分级功能，常采用这种开路工艺流程，间歇式超细粉碎也常采用这种流程。但是，对于不具备自行分级功能的超细粉碎机，由于这种工艺流程中没有设置分级机，不能及时地分出合格的细粒级产品，因此，一般产品的粒度分布范围较宽。 （2）闭路流程。图（b）所示，其特点是分级机与超细粉碎机构成超细细粉碎——精细分级闭路系统。一般球磨机、搅拌磨、高速机械冲击式超细磨、超细振动磨等连续粉碎作业常采用这种工艺流程。其优点是能及时地分出合格的细粒级料，因此，可以减轻微细颗粒的团聚和提高超细粉碎效率。

（3）带预先分级的开路流程。如图(c)所示。其特点是物料在进入超细粉碎机之前先经分级，细粒级物料直接作为超细粉产品，粗粒级物料再进入超细粉碎机粉碎。当给料中含有较多的合格粒级物料时，可采用这种工艺流程，以减轻粉碎机的负荷，降低单位超细粉产品的能耗，提高作业效率。

（4）带预先分级的闭路流程。如图(d)所示，这种工艺流程实质是图（b）和图（c）所示两种工艺流程的组合。这种组合作业不仅有助于提高粉碎效率和降低单位产品能耗，还可控制产品的粒度分布。这种工艺流程还可简化为只设1台分级机，即将预先分级和检查分级合并用同一台分级机，图（e）。

（5）带最终分级的开路流程，如图（f）所示。这种粉碎工艺流程的特点是可以在粉碎机后设置1或台多台分级机，从而得到两种以上不同细度及粒度分布的产品。

（6）带预先分级和最终分级的开路流程，如图(g)所示。这种工艺流程实质是图（c）和图（f）所示两种工艺流程的组合。这种组合作业不仅可以预先分离出部分细粒级产品以减轻粉碎机的负荷，而且后设的最终分级设备可以得到两种以上不同细度及粒度分布的产品。

图 非金属矿超细粉碎工艺流程

（a）开路子粉碎；（b）闭路粉碎；（c）带预先分级的开路粉碎；（d）带预先分级的闭路粉碎；

（e）预先分级和检查分级合一的粉碎；（f）带最终分级的开路粉碎；(g)带预先分级和最终分级的开路粉碎

在粉碎方式上，超细粉碎工艺可分为干式（一段或多段）粉碎、湿式（一段或多段）粉

碎、干湿组合式多段粉碎等三种。

粉碎的段数主要取决于原料的粒度和要求的产品细度。对于粒度比较粗的原料，可采用先进行细碎或细磨再进超细粉碎的工艺流程。一般可将原料粉碎至200目或325目后再采用一段超细粉碎工艺流程。对于产品粒度要求很细，又易于团聚的物料，为提高作业效率可采用多段串联的超细粉碎工艺流程。但是，一般来说，粉碎段数愈多，工艺流程就愈复杂，工

粉 体 加 工 技 术 讲 义 62

程投资也就越大。因此，在可能条件下应尽量采用一段或两段超细粉碎工艺流程。

8.3高速机械冲击磨超细粉碎工艺

高速机械冲击式超细粉碎工艺流程上有以下几种典型配置。 （1）开路粉碎工艺流程

图所示为开路粉碎工艺流程示意图。物料由给料机1定量匀地给入超细粉 粉机2，经超细粉磨机2粉碎后的物料随空气流经阀门4进入袋式脉冲捕集器3，细粉料被布袋捕集落入锥底，由星形排料器3排出成为产品，气体透过布袋经风机7吸入并排空。该工艺流程简单、占地面积小，但产品粒度分布范围较宽。 （2）闭路粉碎工艺流程。

如图所示，这是超细粉磨机与微细分级联设置的超细

超细粉磨机开路粉碎工艺流程

粉碎工艺流程。物料经给料机2给入超细粉磨机1中进余1—给料机 2—超细粉磨机 3—袋式脉粉碎，粉碎后物料经阀门7随气流吸入微细分级机5内分冲捕集器 4、6、8—阀门 7—风机 级，粗颗粒被甩向机壁降落到底部并返回给料机中，微细颗粒被布袋捕集器6捕 后经星形排料器8排出为产品，气体通过布袋经风机10吸入并排空。

该工艺流程产品粒度分布均匀，产品度可经选择，但粉碎机所需的风量不易平衡，实际操作中以分级机所需风

量来控制系统风量。该工艺流程适用于对产品粒度分布要

超细粉磨机闭路粉碎工艺流程

求较严的场合。 1—超细粉磨机 2—给料机 3、8—星形排料器 （3）开路式粉碎工艺流程与笥细分机组全的粉碎工4、7、9、11—阀门 5—微细分级机6—捕集器；

7—风机

艺流程

它亦属于闭路式粉碎工艺流程之一。如图所示，物料由给料机2给入粉碎机进行碎，粉碎后的物料随气流经阀门3吸入袋式脉冲捕集器内，由星形排料器5排入料斗4，再经螺旋输送机送入分级机9。气体透过布袋由风机12吸入排空。经分级后，大于所需粒径的粗颗粒甩向器壁降落到分级机底部斜管中，由星形

超细粉磨机组合粉碎工艺流程 排料器排出（去粉碎机重新小伙子），小于所需粒径的

微细粒物料随气流吸入袋式捕集器捕集后，排出为产1—超细粉磨机 2—给料机 3、8、11、14、16－阀门

4—加料斗 5、7、13—星行排料器 6、10—捕集器 9—风机微细分级机 12、15－风机 品。气体则通过布袋经风机15吸入排空。

该粉碎工艺流程的特点是：粉碎和分级有各自所

需要的独立的风量系统，所以容易控制，便于操作，不但可以提高产品质量，而且可以提高产量。产品粒度可在任意范围内选择，粒度分布均匀，但工艺流程较复杂，占地面积较大。

8.3 气流磨粉碎工艺

常见的气流磨粉碎工艺有：空气粉碎工艺、过热蒸气粉碎工艺、惰性气体粉碎工艺和易燃易爆物料的一般粉碎工艺等工艺流程。 空气流粉碎工艺

粉 体 加 工 技 术 讲 义 63

以常温空气流粉碎工艺流程为例。该流程布置方式的主要特点是压缩空气在冷却降温后进行除油除水。因为在压缩空气中的油和水，不仅会污染产品，而且还可能使受潮的物料堵塞粉碎系统。如果选用无油润滑的空气压机，则只要除水就可以了。

常温空气流粉碎工艺（开路）

从空气压缩机1出来的温度较高的压缩空气，经后冷却器2冷却后，进行除油除水。从贮气罐5出来的压缩空气，经除沫器6捕集后，进入过滤器7再进一步净化。已捕集下来的油和水，经排液器8排走。净化合格的常温压缩空气，一路进入喷射式加料器，另一路进入气流磨10。粉碎产品经卸料－锁气器15，落入输送器16上。废气流夹带物，经旋风分离器11捕集后，进入布袋除尘器12中。捕集下来的产品，也落入输送器16中。废气流经引风机13排空。为了防止有些产品的粘壁象，在气流粉碎产品收集器、预捕旋风分离器和布袋除尘器下料锥体上，安装有振动装置14。

上述流程适用于某些对水分含量要求很严的物料。当粉碎水分含量要求不太严的物料时，可以取消流程中的某些净化环节。如果废气流夹带量不大，或夹带量虽大，但布袋除尘器12的过滤面积有富余时，也可以去掉旋风分离器11。有些气流磨排出的废气流，已具有足够的压头来克服布袋除尘器的阻力，这时引风机13也可以取消。有时，需要在低温下粉碎，某些低熔点或热敏性物料。这时需要低温空气，在这种情况下，上述流程须增设空气冷却器等。在某些场合下，例如干燥和粉碎的联合作业或者粉碎和氧化反应、粉碎与表面外理等的联合作业，需热空气流。这时，流程中要增设加热器等。 振动磨连续超细粉碎工艺

图是两种物料混合研磨粉碎的干式连续粉碎工艺流程。主要由料仓、给料机、振动磨机、集料器等组成。两种原料分别按一定混合比例计量给入混合机中混合后，通过提升机、料斗和给料机给入振动磨中进行超细粉碎，粉碎后的物料经集料器收集后用螺旋输送机送入计量料仓。这种工艺适用于两种不同物料混合研磨。如果是单一物料，则只需要一个料仓，也一不需预先混合，即可去掉锥形混合机。

粉 体 加 工 技 术 讲 义 64

振动磨干式连续混磨工艺流程

1－原料仓A 2－原料仓B 3－给料螺旋 4－锥形混合机 5－提升机 7－振动磨给料斗 8－给料机9－双筒连续振动磨 10－旋转阀 11－集料器 12－螺旋输送机 13－计量成品仓