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我国粉体设备机械现状和发展趋势
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发布者:谢 发布时间:2010/10/18 阅读:1459

我国粉体设备机械现状和发展趋势

      超细粉体工业是伴随现代高技术和新材料产业发展起来的新兴产业。
     20世纪70年代以来,全球超细粉体的市场需求量以平均10%左右的速度增长,是继IT和信息产业之后发展最快的行业之一。机械超细粉碎是超细粉体最主要的加工技术之一。近
    5年我国超细粉碎和精细分级设备的年销售台(套)年均增长率超过10%,全国各类超细粉碎和分级设备生产厂家已发展到近100家。
 1 国内超细粉碎设备现状 目前国内超细粉碎技术的总体水平是:
①能够生产出目前在工业上应用的各类超细粉设备。20世纪80年代中期以来,通过引进和消化吸收国外超细粉体加工设备,经过近20年的发展,我国已经能够自主生产各类超细粉碎和精细分级设备,在近5年新建的超细粉体加工厂中国产设备或中外合资厂生产的设备占主导地位;
②我国已能够工业化大批量生产平均粒径1μm左右的超细粉体,如超细重质碳酸钙、超细高岭土(包括煅烧高岭土)、超细滑石、超细石墨、超细云母、超细碳化硅、超细二氧化硅以及氧化铝和氢氧化铝、氧化镁和氢氧化镁等;
③由于新材料技术的发展,设备的磨耗有了显著降低,如我国自主开发的旋风自磨机,5年前冲击盘的寿命约200h,通过采用新材料现已延长到3000h以上;
④已有部分超细粉碎设备和技术出口到东南亚、中东、非洲等发展中国家。
1.1 超细粉碎设备 目前,超细粉碎设备的主要类型有气流磨、高速机械冲击磨、搅拌球磨机、研磨剥片机、砂磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、塔式磨、旋风或气旋流自磨机、高压辊(滚)磨机、高压水射流磨机、胶体磨等。其中气流磨、高速机械冲击磨、旋风或气旋流自磨机、高压辊(滚)磨机等为干式超细粉碎设备,研磨剥片机、砂磨机、高压水射流磨机、胶体磨等为湿式粉碎机,搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、塔式磨等既可以用于干式超细粉碎也可以用于湿式超细粉碎。
气流磨是最主要的超细粉碎设备之一,特别是粉碎产品粒度细、纯度要求高和附加值较大的物料时。依靠内分级功能和借助外置分级装置,工业规模的气流磨机最细可加工d=3~5μm的粉体产品,产量从每小时几十公斤到几吨。在国内超细粉碎设备厂商中,气流磨机的生产厂家最多。目前气流磨机主要有扁平(圆盘)式、循环管式、靶式、对喷式、流化床逆向喷射式、旋流式等几种机型,数十种规格。这些气流磨广泛用于滑石、石墨、硅灰石、锆英石、高岭土、重晶石等非金属矿物以及磨料(碳化硅、氮化硼、石榴子石、刚玉等)、化工原料、颜料、医药及保健品、金属及稀土金属等的超细粉碎加工。国产气流磨在仿制和消化吸收国外设备的基础上也有所创新,尤其是在旋流式气流磨、靶式气流磨、流化床式气流磨以及提高扁平式气流磨的耐磨性等方面有一些发明专利和实用新型专利。国产气流磨的不足之处是缺少小时产量达数吨以上的大型设备,因此,用于粉碎大宗的单位产品附加值较低的非金属矿粉体产品时,单位产品能耗(比能耗)较高。 机械冲击式超细粉碎机是国内非金属矿行业选用较多的超细粉碎设备,广泛应用于煤系高岭土、方解石、大理石、白垩、滑石、叶蜡石等中等硬度以下非金属矿以及化工原料、农药等的超细粉碎加工,产品细度一般可达到d97=10μm, 即所谓的1250目,配以高性能的精细分级机后可以生产d=5~7μm的超细粉体产品。生产1250目的单机生产能力从每小时几百公斤到1t左右。国产机械冲击式超细粉碎机的主要机型有:在引进日本细川公司超细粉磨机基础上开发生产的CM51型超细粉碎机以及近3年在德国ALPINE公司分级研磨机基础上开发生产的JCF1000型机械粉碎机、JZC-400型分级式冲击磨、CZM冲击式粉碎机等。 介质超细研磨机包括搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机和研磨剥片机、塔式磨、砂磨机等几种类型。依搅拌机构的不同,国产搅拌球磨机有轴棒式、穿孔圆盘式、螺旋式及棒盘复合式等几种机型;搅拌球磨机已广泛用于高岭土、重质碳酸钙、云母、滑石、各种磨料、涂料颜料等的生产,其中湿式搅拌磨的产品细度可达d=2μm左右;CYM-3000超细研磨机等大型搅拌球磨机,已经在造纸颜料级重质碳酸钙、煅烧高岭土等的细磨或超细研磨加工中得到应用。国产振动球磨机有单筒、多筒(二筒或三筒)式、WGM-3变频式、MGZ-1型高幅振动磨以及ZMF内分级式振动磨等机型。国产湿式振动球磨机的产品细度可达d=5μm左右,干式振动磨(不带分级机)可达d=15~20μm左右,但粉碎产品的粒度分布范围较宽。用于超细粉碎的旋转筒式球磨机的结构特点是磨机的径长比较大,使用球或钢段作研磨介质,研磨产品的粒度一般分布较宽,在生产中常与分级机构成闭路粉碎作业,这种球磨机—分级机干式闭路作业应用于超细重质碳酸钙的生产,给料粒度≤5mm,产品细度可达d=5~45μm;这种球磨机—分级机干式闭路作业的特点是循环负荷量大(400%以上)。 国产研磨剥片机主要有20、80、300和500(L)等几种机型,采用多级串联配置、连续湿法研磨方式,产品细度可达d=2μm左右,自1994年以来累计已有上百台在煤系高岭土和重质碳酸钙的湿法超细粉碎生产线中使用。国产CTM型塔式磨采用特殊的天然卵石做研磨介质,连续生产,这种配置分级机的塔式干磨机已经应用于水泥、滑石、膨润土等的生产,产品细度可达d=10μm左右。砂磨机主要有卧式和立式两种机型,产品细度可达d=2μm左右,国产砂磨机主要用于颜料、染料以及重质碳酸钙、高岭土等的超细粉碎和分散。 旋风自磨机或气旋流粉碎机是我国自主研制开发的一种新型干式细粉碎和超细粉碎设备。它利用特殊设计的高速回转装置产生高频脉动旋转气流场,使加入粉碎机内的颗粒物料互相冲击、摩擦、剪切或切削实现粉碎。这种粉碎机适用于石灰石、方解石、大理岩、滑石、硅灰石、高岭石、重晶石、石英、长石等物料的粉碎,给料粒度≤30mm,产品细度可在d=40~10μm(400~1250目)之间进行调节。对硬质高岭土进行超细粉碎的生产结果表明,这种粉碎机在粉碎产品细度d=20~15μm(600~800目)时,单机产量可达1300~1500kg/h,单位产品能耗较低(约100kW·h/t),外置精细分级机后可生产d=5~10μm左右的超细粉体产品。这种粉碎机也用于生产硅灰石针状粉,产品颗粒的长径比平均达12以上,平均粒径10~15μm,产量800~1200kg/h,单位产品能耗约120kW·h/t。 高压射流式粉碎机或超细剥片均化机是一种利用高压(20~60MPa)射流的强大冲击力和压力突然降低的穴蚀效应使物料因冲击和爆裂作用而被粉碎的一类湿法粉碎设备。这种设备已在云母和高岭土的细粉碎和超细粉碎以及二氧化钛颜料的分散解聚中得到应用,依给料粒度的不同,一次粉碎的产品细度最细可达到d97=10~45μm。 胶体磨广泛用于加工果汁、骨粉、豆浆等食品和保健品、油漆和涂料的分散以及胶体石墨等的加工。
1.2 精细分级设备 干式精细分级机大多是伴随高速机械冲击式超细磨和气流粉碎机,尤其是流化床对喷式气流粉碎机的引进和开发而发展起来的。因此,目前占主导地位的几种干式精细分级是日本的MS、MSS和德国的ATP单轮或多轮涡轮式分级机。国内的干式精细分级大多是在上述分级机的基础上仿制或发展的。这些干式精细分级机基本上都与相应的机械冲击式超细粉磨机或气流粉碎机配套使用,其分级粒径可以在较大的范围内进行调节,其中MS及其类似的分级机的分级产品细度可达d=10μm左右,MSS和ATP型及其类似的分级机的分级产品细度可达d97=4~6μm。依分级机规格或尺寸的不同,单机处理能力从几十公斤/h到10t/h左右不等。我国自行研制开发的LHB型干式精细分级机分级产品细度可达d=5~10μm,处理能力可达10t/h,分级效率及分级精度较高,单位产品能耗相对较低,这种精细分级机在我国煅烧高岭土的产品分级中占据主导地位。 湿式分级机主要有两种类型:一是基于重力沉降原理的水力分级机;二是基于离心力沉降原理的旋流式分级机,这类分级机包括沉降离心机,如卧式螺旋离心分离(级)机、小直径水力旋流器、LS离旋器、GSDF型超细水力旋分机等机型,这是目前湿式精细分级主要采用的设备。其中,沉降离心机(包括卧式螺旋离心分级机)的溢流产品细度可达到d=1μm左右、GSDF型超细水力旋分机的溢流产品细度可达到d=2μm左右,小直径水力旋流器组的溢流产品细度可达到d=2μm左右,LS离旋器可达到d=2μm左右。这些分级机既可单独设置也可与湿式超细粉碎设备配套使用。 目前国内超细粉碎设备与国外先进国家的主要差距是: (1) 大型设备少 近两年,由于市场对超细粉体产品需求量的增大,特别是单个用户用量的增大及对产品质量稳定性要求的提高,国内大型超细粉碎设备已有一些进展,特别是在搅拌磨领域,湖南超牌化工有限公司、长沙万华粉体设备公司、北京矿冶研究总院等企业已开发出3000L以上的大型搅拌磨,其中湖南超牌化工有限公司的大型搅拌磨(CYM-3000)已有20余台在造纸颜料级超细重质碳酸钙和超细煅烧高岭土中得到应用。但是,大型干式超细粉碎机还没有实质性的突破。 (2) 设备的自动调控水平落后 这是目前我国超细粉碎设备普遍存在的问题。原因主要源于两个方面,一是市场对设备价格的期望值偏低,在国内设备价格平均不到同类国外设备价格40%的情况下,企业没有提高设备自动调控水平的利益驱动力;二是大多数国内超细粉碎设备制造厂商尚不具备自主开发智能控制的能力。 (3) 技术集成度较低,设备配套性能较差 超细粉碎设备是一种技术集成度较高的设备,特别是粉碎-分级一体化设备或内闭路(具有内分级功能)超细粉碎设备需要较高的技术集成度。另外,工艺配套性也是影响设备运行的主要因素之一。目前国内超细粉碎设备在技术集成度和配套性能方面还有待改进。 (4) 单位产品能耗和磨耗较高 单位产品的能耗和磨耗除了与设备单机生产能力、自动调控水平以及技术集成度和配套性有关外,还与设备零部件(特别是粉碎器件、磨机衬板等)材质的选用、加工水平(如热处理等)以及研磨介质等有关。
2 超细粉碎设备的发展趋势 现代高技术新材料的迅速发展,要求超细粉体加工技术也要与时俱进,不断发展。目前,超细粉体加工技术面临的主要挑战是:①小于1μm的超微粉体的需求量迅速增大;②超细粉体的大规模生产要求设备大型化和智能化以降低单位产品能耗和稳定产品质量;③大规模配套生产超细粉体和严格的产品粒径分布要求处理能力大、分级效率高和能耗低的精细分级设备;④高硬超细粉体材料的加工和对产品纯度要求的不断提高,要求超细粉碎和精细分级设备的磨耗显著降低;⑤特殊粒形(针状和片状)和韧性超细粉体的生产。
为适应这些挑战,未来超细粉碎设备的主要发展趋势是:
(1)提高产品细度、降低设备粉碎极限 目前市场1μm以下超微粉体(包括纳米粉体)加工技术(包括制粉技术和表面处理技术)和设备的需求呈增长态势。超微粉体(包括纳米粉体)是未来超细粉体的主要发展趋势之一。这是因为现代许多高技术和新材料的发展需要超微粉体,如航空航天隐身材料、(具有韧性的)高级陶瓷、吸波材料、功能纤维、环境保护材料、生物医学材料等。因此,要求发展产品粒度小于1μm,粉碎极限低的工业化超细粉碎设备和分级极限粒度小的工业化精细分级设备以及配套的生产技术。
(2) 提高单机产量、降低单位产品能耗 由于市场对超细粉体产品需求量的增大,特别是用户用量的增大(如大型造纸厂年造纸颜料需求量达10多万t)及对产品质量稳定性要求的提高,大型设备的市场需求量呈增长趋势。大型设备适应了超细粉体加工厂向大规模化发展的趋势,而且具有单位产品能耗低、产品质量稳定性好以及管理方便等优点;国外发达国家早已发展大型的全过程自动调控的超细粉碎与精细分级设备,如年产5~10万t超细重质碳酸钙的超细粉碎和分级设备,5000L以上的大型立式搅拌磨,总体积10m3、处理量150m3/h的大型卧式搅拌球磨机(这种磨机加工d80=9.7μm浆料产品的能耗约为65kW·h/t)。设备大型化是提高单机产量、降低单位产品能耗的主要途径之一。此外,应用现代科技研发新型的超细粉碎设备也是提高粉碎效率、产量和降低单位产品能耗的主要方向之一。
(3)降低磨耗 超细粉碎和精细分级设备一般是高速运转设备,高速运转器件在与被磨或被粉碎物料的作用过程中难免磨损(耗)。磨耗不仅污染被粉碎物料(这种污染往往用物理方法很难去除),而且影响设备与物料接触部件的使用寿命,增加了生产成本。因此,降低磨耗是超细粉碎设备发展永恒的课题。
(4) 高稳定性和可靠性 超细粉碎和精细分级设备的稳定性和可靠性是超细粉碎生产线所必须的要求,也是高性能设备的必然要求,它对生产成本、效率、生产安全以及产品质量等有重要影响。 

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