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氣流粉碎法制粉技術與超音速氣流粉碎法制粉技術的研究
摘要：
粉末冶金具有精度高、效率高、成本低等的特點，而粉末冶金工藝的第一步便是制備粉末。在先進技術的發展中氣流粉碎法、球磨粉碎法、渦旋研磨法、電化學腐蝕法、還原法、霧化法、旋轉電極法、超速凝固法、溶鹽沉淀法、水熱法、電解法、熱離解法、氣相沉積法、溶膠-凝膠法、自蔓延高溫合成法等是比較先進的制粉技術。本文主要介紹氣流粉碎法制粉技術與超音速氣流粉碎法制粉技術的原理、設備特點、發展方向及存在的問題。
關鍵詞：氣流粉碎法、超音速氣流粉碎法、超細粉末
一、氣流粉碎法制粉技術
<一>、原理
氣流粉碎是利用氣流的能量進行粉碎的。該方法廣泛用于非金屬礦物及化工原料等的超細粉碎，產品細度可達0.1～45微米.氣流粉碎所用的裝置，叫做氣流粉碎機。氣流粉碎機又稱氣流磨(Fluid Energy Mill),或稱噴射磨(Jet Mill)，是一種高效的超微粉碎設備。與傳統的機械式粉碎機原理不同，它是利用高壓氣體通過噴嘴產生的高速氣流所孕育的巨大動能，使物料顆粒發生互相沖擊碰撞，或與固定板(例如沖擊板)沖擊碰撞，達到粉碎目的的。
要使顆粒得到充分的粉碎，粉碎力是一個主要的作用力，氣流是粉體顆粒獲得能量和速度的動力，粉碎時顆粒所需要的粉碎沖擊速度為:
式中， σ-物料強度極限，
g-重力加速度，
E-彈性模量，
γ-物料重度，
ν-沖擊速度
ε-沖擊粉碎后的恢復速度。
從公式可以看出，物料顆粒沖擊破壞所需要的速度與顆粒的強度極限、彈性模量及重度等機械性能有關，同時顆粒表面形態和結構形態也對沖擊速度有很大的影響，但顆粒表面和內部總是存在著各式各樣的缺陷，如裂紋、微孔等，能使應力高度集中，從而降低了顆粒的強度，但是在實際粉碎過程中還存在許多不可預測的因素，所以應使粉碎物料的沖擊速度相對大一些，這樣才能保證所需的粉碎細度。
<二>、設備
氣流粉碎機自20世紀30年代問世以來，經過許多研究者的努力，其結構不斷更新，種類不斷增多，先后出現了扁平式(或圓盤)氣流磨、循環式氣流磨、對撞式氣流磨、流化床氣流磨、靶式氣流磨、超音速氣流磨等。但是無論哪種氣流粉碎機，都是由一些基本部件如加料裝置、工質分配室、噴嘴、粉碎室、成品收集器,廢工質排出管等構成。扁平式氣流粉碎機其原理和結構具有一定的代表性，圖 1為早期扁平式氣流粉碎機示意圖：
其原理是壓縮空氣(空氣、過熱蒸汽或惰性氣體)通過加料噴射器的高速射流所產生的負壓，使物料吸入混合室，通過與粉碎室半徑方向成一定角度并分布在同一水平上的噴嘴，被高速射流噴人粉碎室，噴氣流夾帶著物料以極高的速度旋轉，在粉碎室半徑上形成流體動力特性梯度，物料顆粒之間以巨大的動量相互碰撞(約占粉碎量的80%左右)，又與粉碎室的內壁碰撞(占20%左右)而粉碎[77。被粉碎粒子隨旋轉流高速旋轉獲得很大的離心力，又受到氣流向粉碎室中心排出的向心力，兩個力的方向相反，顆粒在這兩個力的作用下分級。因此，在圓盤式氣流粉碎機內，粉碎和分級是同時進行的。
<三>、特點
經氣流粉碎后的物料平均粒度細，粒度分布較窄，顆粒表面光滑，顆粒形狀規整，純度高，活性大，分散性好;可粉碎低熔點和熱敏性材料及生物活性制品(因為氣流粉碎機以壓縮空氣為動力，壓縮氣體在噴嘴處的絕熱膨脹會使系統溫度降低)。氣流粉碎設備在生產超細粉體方面已有取代機械式粉碎機的趨勢。氣流粉碎已廣泛應用于化工、農藥、礦產、醫藥、陶瓷、電子、國防、日化、輕工、紡織、冶金、食品等行業，對農藥可濕性粉劑、藥品、化學試劑，各種填料、顏料、染料、粉末涂料、火箭推進劑、礦產品、固體潤滑材料、化妝品、食品、有色金屬等進行了有效的超微粉碎，使這些物料及關聯產品的質量(如粒度、懸浮率、溶解度、遮蓋力、著色力、藥效、吸油率、潤滑性、絕緣性、粗糙度等)有明顯的提高，取得了巨大經濟效益和社會效益。
<四>、發展方向
信息技術、生物技術和新材料技術的發展對粉體產品的粒度、純度和粒度分布提出了更高的要求，而且盡可能地節約能源、減少環境污染。為了滿足社會生產的需要，超細粉碎技術面臨著嚴峻的挑戰。近幾年在氣流粉碎基礎理論研究方面有了很大的進步。
二、超音速氣流粉碎法制粉技術
<一>、原理
氣流在自身高壓作用下強行通過粉碎室噴嘴時，將產生高達數百米甚至千米的高速氣流，物料經負壓的引射作用進入超音速噴管，并在高速氣流作用下被加速到一定的速度，由于氣流噴嘴與粉碎室相應半徑成一銳角，故高壓氣流帶著顆粒在粉碎室中作回轉運動并形成強大旋轉氣流，使顆粒加速、混合并發生沖擊、碰撞等行為，粉碎合格的細小顆粒被氣流推到旋風分離室中，較粗的顆粒則繼續在粉碎室中進行粉碎，從而達到粉碎目的。研究證明：80％以上的顆粒是依靠顆粒間的相互沖擊碰撞被粉碎的，只有不到20％的顆粒是通過顆粒與粉碎室內壁的碰撞和摩擦被粉碎。
<二>、設備
在超音速氣流作用下，物料顆粒之間不僅要發生撞擊，而且氣流對物料顆粒也要產生沖擊剪切作用。同時物料還要與粉碎室發生沖擊、摩擦、剪切作用，其損失的能量將部分轉化成為顆粒的內能和表面能，從而導致顆粒比表面積和比表面能的增大，晶體晶格能迅速降低，并且在損失晶格能的位置將產生晶體缺陷，出現機械化學激活作用。在粉碎初期，新表面將傾向于沿顆粒內部原生微細裂紋或強度減弱的部位(即晶體缺陷形成處)生成，如果碰撞的能量超過顆粒內部需要的能量，顆粒就將被粉碎。
<三>、特點
(1)耐熱敏性 由于壓縮空氣在噴嘴處絕熱膨脹會使系統溫度降低，所以整個粉碎空間是低溫環境，顆粒的粉碎是在低溫瞬間完成的，從而避免了某些物質在粉碎過程中產生熱量而破壞其化學成分的現象發生，尤其適用于熱敏性物料的粉碎。
(2)物理性氣流粉碎純粹是物理行為，既沒有其它物質摻入其中，也沒有高溫下的化學反應，因而保持物料的原有大然性質。
(3)無污染性 因為超音速氣流粉碎技術是根據物料的自磨原理而實現對物料的粉碎，粉碎的動力是空氣。粉碎腔體對產品污染極少，粉碎是在負壓狀態下進行的，顆粒在粉碎過程中不發生任何泄漏。只要空氣經過凈化，就不會造成新的污染源。
(4)精度高通過調節分級機的轉速和系統負壓等參數，可以控制產品粒徑分布在很小的范圍內，并且分級機的調整是完全獨立的，對一些有特殊要求的中藥材加工十分有利。
<四>、發展方向
隨著超音速氣流粉碎技術的不斷發展，其在化學化工、礦物加工、食品加工以及材料科學等領域中已顯現出廣闊的應用前景。進一步拓寬超音速氣流粉碎技術的應用范圍，是科學技術自身發展的必然要求，具有十分重要的科學價值；相信隨著超音速氣流粉碎技術的不斷發展以及其應用范圍的拓寬，超音速氣流粉碎技術必將發揮越來越重要的作用。
三、氣流粉碎法與超音速氣流粉碎法制粉技術存在的問題
<一>、 超音速粉碎流場的實驗研究有必要加強。高粉碎速度給流場的直接測量帶來了極大的困難，因此應加強測試儀器的研究。
<二>、 目前將蒸汽作為工作介質的粉碎設備少，從而對以蒸汽在粉碎機的影響過程的研究很少，可充分利用蒸汽工作介質的優勢，實現粉碎設備的大型化。
<三>、 在氣流粉碎參數優化模型的建立方面還很欠缺，從而給粉碎設備的完善和優化設計帶來了困難。
<四>、深化混合、干燥、造粒、包覆等工藝與粉碎聯合進行。軟質材料的粉碎是粉碎技術的一大難題和研究重點。因此，為了滿足現代工業的發展需要，加強基礎理論研究，優化設備的設計迫在眉睫。
參考文獻：
作者不詳；氣流粉碎法制粉技術研究現狀及問題；
蔡艷華 ，馬冬梅等；超音速氣流粉碎技術應用研究新進展；1000—6613(2008)05—0671—05;
