低密度产品的喷射研磨

作者 Bernhard Renner，高级销售经理，化学部，Hosokawa Alpine公司，德国，Augsburg

对机械加工来说，体积密度低于200kg/m³的材料可能是一个挑战。特别是研磨超细的产品，会显著改变喷射研磨机的基本条件。如果考虑到这些产品的个别特性，可以预期工艺具有巨大的改进潜力。本研究回顾了主要喷射研磨机参数的影响，特别关注低密度产品，其目的是将所有的积极成果转化为此类产品的特殊研磨/工厂设计。

尽管对置射流的喷射研磨原理发明于140多年前， 但其演变尚未结束，技术还可以进一步改进。

用于新工艺或机器研究和调查测试的典型材料是石灰石，这主要是由于这种材料的易得性、无害性和低价。因此，几乎所有在研磨和分类领域有效的经验法则都
完全基于石灰石试验。在大多数情况下，这些规律提供了较好的可比性和/或允许很好地近似某些趋势。石灰石的材料密度适中（2600-2900kg/m 3 ），需要进行真正的粉碎才能达到更细的粒度。

低质量对粉碎过程的挑战

堆积密度很低的产品，如合成非晶硅（SAS）、碳黑或珍珠岩等，其特性相差甚远。我们根据各种低密度产品（以下简称LDP）的经验，对常用的喷射研磨工艺进行了研究，并特别考虑了这些材料的特殊性能。

这些“蓬松”的材料几乎不需要真正的粉碎，因为它们不是真正的固体颗粒，而是亚微米初级颗粒的集合体。因此，它们由具有高孔隙率的脆性结构组成，例如层状结构或易碎针状结构。这些材料在小体积内包含大量预定的“断裂”点，在结合力类型上几乎与真正的固体不同，当达到一定的能量水平时，可能会导致同时断裂的情况。

解聚机理使高研磨压力成为不必要

在大多数情况下，为了分散这种块状材料，较低的研磨能量水平就足够了。因此，对于喷射研磨工艺，高研磨压力不再是“必须”。研磨压力越高，压缩空气的生成效率越低（图1）。研磨压力为6bar（g）所需要的比能量大约是1bar（g）工艺的三倍。随着压力的升高，鼓风机/压缩机设备的必要技术也变得更加复杂，使用过大的喷射研磨压力会导致较高的投资和运营成本。

必须单独确定每个产品的理想压力水平。对于石灰石，压力不应小于4bar，但大多数LDP可以利用显著降低的压力。其中一些仍然可以在低于1bar（g）的压力下进行处理。因此，可以使用简单廉价的旋转活塞鼓风机。

一些特殊的LDP需要更高的压力水平来实现有效分散。表1显示了基于相同容量和所需最终细度为4.2µm（dV50）的条件下石墨研磨工艺的比较。 2 A列基于低压工艺，B列采用高压工艺。

即使研磨机尺寸更小，压缩机效率降低约12%，高压条件下的研磨比容量也会增加约64%。Hosokawa Alpine的喷射研磨机TDG可以获得更细的石墨质量，即使在最大的磨机尺寸上也可以达到2.5µm（dV50）的细度。

进料区：一台粉末泵取代进料机和浇口

由于沉降速度较低，通常使用的重力添加概念可能会出现问题。第一批喷射研磨机的物料入口位于研磨区下方（填料螺杆）。重新激活这一想法可以使多个LDP的容量增加高达10%。

当进料经曝气后显示出高流动性时，泵也可用作进料机，代替给料螺杆。典型的给料机和浇口组合可由单个粉末泵来代替。

研磨区：减速速度和持有量

高颗粒孔隙率只会导致低动量，再加上粘胶介质（空气）内的运动，可达到的飞行距离非常小。由于表观密度较低，起始速度为500m/s的直径为5µm的SAS颗粒的停止距离（见图2中的方程式）小于1cm。对于密度较大的石灰石颗粒，相应的停止距离接近10cm。

这些较小的线性动量水平对喷射研磨机内部的能量传递有影响，考虑到正常的“石灰石定律”，只能导致低效研磨。

图3为Hosokawa Alpine AFG/TDG喷射研磨机的CT扫描图。三个喷嘴（蓝色）向磨机中心（黄色）喷射压缩空气（白色）。上述效应意味着LDP颗粒在焦点处失去了动能。因此，颗粒只会混合，而不会被研磨。

对于密度较大的材料，高达30%的研磨工作可以在中心进行，剩下的70%转移到喷嘴前面，最高速度水平位于此处（红色区域）。LDP将在红色区域获得几乎100%的能源。忽略“理想”喷嘴距离的方程式，使用优化的位置可以将容量提高10%。

要确定磨机内蓬松物料的持有量并不容易，但这是该工艺的另一个重要参数。由于材料重量与设备的重量相比非常小，因此很难验证实际持有量。尽管如此，只有当填充水平理想的情况下，才能实现最佳容量，但此处的石灰石经验也具有误导性。

传输区：壳体直径无任何影响

图4显示了带有气体分配装置的800TDG研磨机。当产品离开研磨区（A）时，永久性上游气流将几乎研磨好的粉末输送至分级区（C）。足够细的物料可以进入分级机叶轮，并随空气进入分离过滤器。而过大的颗粒会被分级机叶轮的旋转场拒绝，再次落入研磨区。B区的这种上下运动是该过程的一个重要部分，我们对此也已进行了研究。为了测试各种上游速度，对B区进行了不同壳体直径的安装。正如预期的那样，没有检测到任何影响。

分级区域：分级机叶轮和参数控制

关于轮轴，在市场上有两种通用的分级机：立式辊轮或水平轴辊轮。由于Hosokawa Alpine生产这两种类型的研磨机，因此很容易对卧式（AFG喷射研磨机）和立式（TFG喷射研磨机）进行比较。正如预期的那样，就细度、容量和效率而言，LDP的结果是100%具有可比性的。由于结构不太复杂，试验仅在卧式研磨的情况下进行。图5显示了AFG和TFG的粒径分布比较。

LDP研磨工艺的主要瓶颈是分级机轮。分散/解聚过程发生得很快，但生产出来的产品必须能够以同样快的速度离开这个过程。因此，我们对TDG叶轮设计进行了测试，以实现更高的容量。我们发现，即使容量加倍，更长的长度/开口表面和叶轮两侧的出口也限制了流动速度，并减少了磨损（图6）。

LDP的首选细度明显小于10µm（例如碳黑、石墨、滑石或二氧化硅）。使用普通分级机叶轮，必要的运行速度接近极限时，会导致高压损失。叶轮的特殊设计可以在显著降低速度的情况下提高选择性和精细切割点，这将节省能源，同时又可以使粒径达到小于1µm（dV50）的极细水平。因此，达到的细度可与使用超热蒸汽的研磨工艺相媲美。

通过质量流（通过磨机重量或分级机功率）对喷射研磨机进行工艺控制几乎是标准的，但这两个概念通常不能与LDP结合使用。因此，工艺控制参数应独立于产品质量，以确保最大限度的工艺稳定性。对于LDP，喷射研磨机TDG可使用易于检测的值来控制最佳进料水平，任何工艺偏差将被立即检测到，并会自动进行处理或提醒操作员。

产品过滤分离

研磨/分级后，产品必须从气流中分离。旋风分离器通常不适用于大多数LDP，因此我们选择了过滤。利用所使用的控制参数，可以对研磨机和过滤器的相互作用进行微调，在大多数情况下，过滤器表面负荷可能超过建议值。对于LDP过滤器，以下几个方面是必需的：

• 入口在过滤器头板下方；
• 不能直接流向过滤软管；
• 过滤软管需配有薄膜；
• 集料斗壁角要陡；
• 足够的出料口直径。

总结：LDP所需的改进和调整

通过上述研究，我们最后确定了一种改进的研磨机类型（AFG→ TDG），并针对低密度产品的工艺提供了有益的调整和优化选择。其中包括：

• 通过优化研磨压力，实现能源节约；
• 相同的磨机尺寸下容量翻倍（AFG→ TDG）；
• 实现精细切割点；
• 通过特殊的进料装置增加容量；
• 通过改进管口设置提高容量；
• 更小的过滤器尺寸。

上述结果现已转变为一种新的工厂概念，带有可选LDP包的TDG研磨机具有了所有这些已经过测试的选项。

本次研究所使用的400TDG研磨机可在奥格斯堡测试中心使用，它安装并组合了我们所描述的所有选项（甚至更多选项），以确定每个产品的改进潜力。

欲了解更多信息，请访问www.hosokawa-alpine.com。本文也在《化学技术杂志》 （2021年10月）和《PPCJ》 （2021年10月）刊物上进行了发表。

参考资料

1 Luckenbach, F.A.; Wolfenden J. United States Patent No.238044, application out of 1880.
2 Analyzed with Malvern Hydro in water
3 Rumpf, H. Beanspruchungstheorie der Prallzerkleinerung.Chemie-Ingenieur-Technik 5 (1959), S. 323 - 337 (Changed characters of English version)
4 Strobel A.; Köninger B.; Romeis S.; Wirth K.E.; Peukert W.Impact Comminution in Jet Mills. In: Stefan Heinrich (ed.):Dynamic Flowsheet Simulation of Solids Processes, Springer International Publishing, 2020, p. 305-347.

本文收录在《PCI中文版》杂志2022年6月刊中