Development of Industrial Fluidic
Classifier for Superfine Powder
Zheng Shaohua，Tao Zhendong，Liu Futian，Liu Mingliang
(Department of Materials Sience and E ngineering，Shandong Institate of Building Material， Shandong Jinan 250022)
Qu Shunxiang，Lou Yuchang，Fen Xiaoming，Yue Dong
(Institute of Shandong Aluminium Comp any，Shandong Zibo 255051)
Abstract The deve loping process of industrial fluidic cla ssifier for superfine powder and its st ructure and principle of operation are e laborated in this paper ．A gerat deal of experiments and theory study are proved the practicability and reliability of dry classification for s uperfine powder by using coanda effectiv eness．
Key words superfine powder；fluidics；classification
材料科学与技术的发展要求颗粒粒径不断减小， 一些与原材料颗粒大小密切相关的高新技术行业，出现了对原材料粒度要求越来越严格的趋 势，不仅要求原料超细(微米或亚微米级)，而且还要求其微细物料粒度分布均匀合理(窄级 别物料)。例如，精细陶瓷用锆英石微粉要求小于2μm的颗粒占95％；化工纺织用α－ Al2O3微粉粒径要求2μm以下，最大颗粒不超过3μm；微电子工业用特殊树脂 粒度范围在4～10μm之间，小于4μm的颗粒的混合量不超过20％；用作阻燃剂的水 合氧化铝微粉要求小于5μm的颗粒占97％，平均粒径为2μm，等等。这使得通过单一 粉碎过程制备微细粉的方法无法达到要求的指标。在超细粉碎技术中，如何将合格的微粉及 时取出，即微细粉的分级成为微粉制备技术的关键之一；其次，为使产品的粒度分布符合要 求，也必须进行分级处理。因此，精细分级技术成为超微细粉体重要的加工技术之一。
自 90年代初，本课题组对射流分级机进行了机理研究，研制了小型样机(处理能力1～5kg ／h)，中试放大样机(5～10kg／h)，并分别对上述两种机型进行了流场测试研究。 通过理论与实践的不断总结与提高，于1997年研制成功了SLFJ－50A型超细粉射流分 级机工业机型(处理能力50～150kg／h)。
1 射流的附壁效应
射流的附壁效应(coanda效应)如图1所示。射流从喷嘴喷出 ，喷嘴的两侧壁面AB与CD与喷嘴中心线成一α角度，当壁面到喷嘴的距离 s1、s2不相等时(如图s1＜s2)，使主射流两边在同一时间卷 吸到的外界流体不相等。显然，距离大的上侧补充流体较容易，而距离小的下侧补充到的 流量较小，为维持主射流的平衡，补充流体较容易，而距离小的下侧补充到的流量较小，为 维持主射流的平衡，上侧卷吸速度必须加快以获得足够的流量，这样势必造成下侧的压力 相对于上侧压力低，在这一压力差的作用下使射流偏转，直到主射流完全贴附到下侧壁稳定 为止，此即是所谓附壁效应，射流分级机正是基于这种原理研制而成。微细颗粒由于coa nda效应而随主气流沿壁面运动，大颗粒由于惯性力和离心力作用而被抛出，从而达到分 级的目的。
图1 射流的附壁现象
2 射流分级机的设计原则
射流分级机的设计必须遵循以下原则：(1)物料的充分分散；(2) 流场的稳定和具有较强的附壁效应；(3)粉体在分级腔中迅速分级，防止分散后粉体的二次 团聚；(4)提高超细粉的分级精度。依据上述原则，对粉体的分散采用高速的引射喷嘴将粉 料引射入分级机中，利用高速气流对粉体的剪切作用，使粉体分散成原级颗粒。为使流场达 到一定的稳定程度，将分级机内部设计成圆滑的曲线结构，且使二次控制气流与主喷射气流 的夹角尽量减小。由于粉体是由高速的气流载体引入分级腔中进行分级的，所以在分级腔中 所停留的时间相当短，从而达到了迅速分级的目的。此外为使分级后的超细粉达到较高的分 级精度，采用射流附壁效应与离心力、惯性力、多级分选组合的途径。
3 SLFJ－50A型射流分级机的结构与工作原理
分级机结构简图与工作原理如图2所示。物料由 引射喷嘴经充分分散后射入分级机中，在 控制气流1与控制气流2的作用下，主气流产生附壁作用而向远离控制气流的一方偏移，而粗 颗粒与较粗的颗粒由于惯性力的作用而被抛向通道1和通道2中由旋浮式分离器分离后由下料 口排出。由于气流的脉动及瞬时的不稳定还有少部分的较粗颗粒随附壁气流进入了通道3内 ，在通道3内颗粒随气流进行圆周运动，从而使这部分较粗的颗粒在离心力的作用下抛向通 道3的外壁，而从通道3端部的下料口排出。中细和超细颗粒则穿过圆形筛板而进入通道4中 进行圆周运动，中细颗粒在离心力的作用下被抛向圆形筛板一侧，而从下部卸料口排出。 超细颗粒则进入内置多孔旋浮式分离器5中，由挟带作用而进入多孔旋浮式分离器中的中细 颗粒在离心力的作用下被抛向外壁，在下部与中细粉汇合后由下部卸料口排出。超细粉在负 压引风的作用下被引入袋式分离器中，经分离后由下料口排出。图2中控制气流1的作用是使 主喷射气流产生附壁作用；控制气流2产生的横向气流是为了把由于惯性力而抛向外侧的 粗颗粒所挟带的中细及超细颗粒重新吹入通道3中。通过调节这两股控制气流的大小，可达 到控制粉体分级粒径大小之目的。图中的分级刀刃位置在粉体流经的轨迹上可旋转调节，从 而也可在一定程度上达到调节粉体分级粒径之目的。上述的旋浮式分离器的作用是为了把进 入粗粉及中粉中的微细粉再次分选出来，用以提高分级后产品的精度，具有二次分级的作用 。
图2 SLFJ－50A型射流分级机结构与工作原理示意图
4 分级系统流程简介
SLFJ－50A型射流分级机系统工艺流 程简图如图3所示，整个系统由5个部分组成。
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1．供料斗；2．给料机；3．主气流(高压空气)；4，5．控制气流(高压空气)；
6．引射分散喷嘴；7．分级机主机；8．粗粉旋浮式分离器；9．粗粉下料口；
10．第2级粗粉旋浮式分离器；11．第2级粗粉下料口；
12．中粉下料口(在分级机的下部)；13．微粉通道；
14．微粉袋式分离器；15．微粉卸料口；16．引风机
图3 SLFJ－50A型射流分级机系统工艺流程简图
4．1 压缩空气与空气净化器
系统所用高压空气源来自空气压缩机(工作压力大于0．6MPa)，引入的高 压空气经空气净化器过滤后进入流量控制器，对流量进行调节后供给喷射气流3和两股控制 气流4、5。
4．2 系统的控制与调节
系统的流量控制由转子流 量计通过手动闸阀调节，以控制主喷嘴流量与两股控制流的流量比。在粗粉、细粉的各个引 出部位还设置了翻板阀，用来调节各个引出通道的出风量。在粗粉与细粉的分界处设置了可 进行旋转调节的分级刀刃。通过上述3个部位的联合调节，即可控制分级粒度及分级精度。
4．3 粉料的供给与分散
粉料经料斗1下部的电磁振动给料机2定量地供 给引射分散喷嘴6，进入引射喷嘴的粉料在接近声速的高速气流的冲击下，产生强烈的剪切 作用和剧烈的湍动混合碰撞作用，把粉料分散成原始颗粒后喷入分级机的分级腔7中进行分 级。
4．4 分级机主机
主机部分见结构与工作原理图2。
4．5 分级产品的分离与收集
对分级后的产品的分离采用了自行 设计的旋浮式分级分离器8、10，它对粗粉既有分离的作用又可通过内置在旋浮分离器中的 圆柱式多孔筛，把在分级过程中进入到粗粉、中粉中的微细颗粒进行二次分级的作用，把分 级出的微细粉汇入到微细粉通道中，到袋式分离器14中分离下来。
5 试验研究
5．1 试验方案及效果评价指标
(1)对分级效果影响较大的因素及试验方法
试验的目的是为了寻找出分级机的最佳控 制参数和各参数对分级的影响，并对分级起主导作用的参数进行更加深入的研究。为更快寻 找出最佳控制参数，因此采用正交试验的方法。正交试验考察的因素有：①主气流流量；② 一次控制气流流量；③二次控制气流流量；④粗粉分级刀刃的偏转角度；⑤细粉分级刀刃的 偏转角度；⑥排风阀开度；⑦供料速度共7个因素，以求尽快寻找出对分级影响比较大的因 素，去掉影响小或几乎无影响的因素。对得出的最佳控制参数进行重复验证试验，以确定这 些参数的可信度。
(2)分级效果评价指标
牛顿分级效率(或理想分离率)：
 （1）
部分分级效率：
 （2）
切割粒径d50：
切割粒径d50指当部分分级效率为50％时所对应的粒径，d50越小 细粉越细。
分级锐度K：
分级后产品粒度分布范围的宽窄程度，用部分分级效率为25％和75％时所对应的粒径d25与d75的比值来计算
 （3）
K值越小，曲线越陡，说明分级机分级的越完全，分级性能越好，理想分级时K＝ 1。
(3)分级所 用粉料
试验过程中使用的粉料分别为：粒度小于10μm的氧化铝微粉；粒度小于40μm 的氢氧化铝微粉；粒度小于100μm的工业氢氧化铝；粒度小于50μm的刚玉磨料。
(4)粒 度测量
试验过程中粉体的粒度测量采用了激光粒度分析仪、美国布鲁特*海文公司的X光 离心粒度分析仪、扫描电镜、日本离心粒度分析仪。
5．2 试验结果分析与讨论
图4为一组氧化铝分级前后的电镜照片，其中图4(a)为分级前的原粉形 貌，图4(b)为分级后的粗粉形貌，图4（c）为分级后的中粉形貌，图4（d）为分级后 的细粉的形貌。从这组照片可以看出，经本分级机分级后的粗、中、细粉的分级效果非 常明显的。 |
|
 
 
图4 分级前后Al2O3粉的SEM照片
对本射流分级机共进行了95组正交试验，6组重复性试验，因篇幅有限， 在此只列出了部分最佳数据。由分级后的细粉测出粒度分布的特征值：中位粒径d5 0(筛余、筛下分别各占50%时的粒径)、筛下为10%的粒径d10、筛下为90 ％的粒径d90、筛下为99%的粒径d99，得出细粉的部分分级效率 ，由部分分级效率计算出分级锐度，列于表1中。由表1中的数据可以看出，分级后细粉的粒 度与原粉的粒度变化非常显著，分级效果非 常明显。从表中3组粉体分级前后的粒度对比可以看出，原粉粒度大的粉体分级后的细粉相 对比原粉粒度小的粉体分级后的细粉要粗，这说明分级后的细级产品的粒度是与入料粒度有 一定影响的。如果原粉的粒度较大，要想获得超细的粉体，必需经过二次或多次分级才能 达到要求的结果。
表1 部分分级效率 |
| 特性参数 |
分级前
氧化铝粉 |
分级后
氧化铝
微粉 |
分级前
氢氧化
铝粉 |
分级后氢
氧化铝微
粉 |
分级前
刚玉粉 |
分级后
刚玉微
粉 |
| 切割粒径d50／μm |
|
0．59 |
|
2．05 |
|
3．75 |
| 分级锐度d25／d75 |
|
1．62 |
|
1．54 |
|
1．32 |
| 中位粒径d50／μm |
1．01 |
0．28 |
7．99 |
0．82 |
9．38 |
1．66 |
| 筛下90％粒径d90／μm |
3.16 |
0.59 |
16.81 |
2.57 |
24.67 |
5.19 |
| 筛下99％粒径d99／μm |
6.08 |
0.92 |
25.66 |
4.98 |
43.03 |
10.12 |
| 筛下10％粒径d10／μm |
0.17 |
0.08 |
2.48 |
0.14 |
2.06 |
0.28 |
| 试验得出的牛顿分级效率见表2。由表2中的数据可以看出，氧化铝的分 级效率从0．5～5μm逐渐递增，而氢氧化铝和刚玉的分级效率却从0．5～5μm逐渐 递减，这是因为氧化铝微粉的粘附性较氢氧化铝和刚玉微粉大，分级时有一小部分超细颗粒 粘附在大颗粒上被带走所致，粘性小的粉体分级效果优于粘性大的粉体。
表2 牛顿分级效率％ |
| 试验用料 |
η（0．5μm） |
η(1μm) |
η(2μm) |
η（5μm） |
| 氧化铝微粉 |
81.49 |
83.06 |
82.51 |
91.26 |
| 氢氧化铝微粉填料 |
94.98 |
90.67 |
82.75 |
67.00 |
| 刚玉磨料微粉 |
91.31 |
90.72 |
88.13 |
79.21 |
5．3 分级机的性能评价
由分级机的分级试验结果可知，本射 流分级机的切割粒径可达0．59μm，分级锐度在1．32～2．0之间，牛顿分级效率 根据被分级粉体的性质大小在65％～94％之间。表3列出了SLFJ－50A型射流分 级机与国内外同类分级机的性能比较。
表3 性能比较 |
| 机型 |
处理量
／（kg／h |
切割粒径
／μm |
牛顿 分级效率
／％ |
分级锐度
K＝d25／d75 |
| EJ－30－3（日本） |
60～400 |
0．5～50 |
60～80 |
1．3～ 2．0 |
| ASL超细分级机(中国) |
50～350 |
0．58～50 |
60～75 |
1．62～2．4 |
| SLFJ－50A |
50～150 |
0．59～50 |
65～94 |
1．32～2．0 |
| 由表3中的性能指标比较可见，SLFJ－50A型超细粉射流分级机的性能指标，与 日本的EJ－30－3型分级机性能基本一样，但本机的牛顿分级效率高于对方。
6 结论
经对SLFJ－50A型超细粉射流分级机充分的工业化试验与理论研究，得出如下结论：
(1)利用射流的附壁效应（coanda效应）为主要影响因素，将惯性力、离心力和悬浮力进行有效的组合，设计成一种新颖的超细粉射流分级机。实践证明，该分级机达到了高效、高精度，可同时分级3种(粗、中、细粉)级别产品的功能。
(2)本机无任何运动部件，工作介质是高压空气。对分级机主机而言，运行可靠、保养维修方便。分级时分级粒度的调整也非常方便，只需调节流量计和布置在机器上的几个闸阀即可方便的调节分级粒度。
(3)本机的特点是利用高速的引射喷嘴分散粉料，引入的粉料在主分级室中迅速分 级，避免了粉料在分级室中的二次团聚，从而提高了粉料的分级精度，经主分级室的一次分 级后，粉料进入旋浮式分级室中进行二次分级，把由于一次分级不完全的部分细颗粒再次分 选出来，从而进一步提高分级精度。
(4)本机的生产能力可达150kg／h，分级粒度可根 据产品的要求在0．5～50μm之间方便的调节，特别适合于1～20μm粘性较小粉料 的超细高效分级。
基金项目：山东省科委攻关项目
郑少华(山东建材工业学院材料科学与工程系，山东 济南 250022)
陶珍东(山东建材工业学院材料科学与工程系，山东 济南 250022)
刘福田(山东建材工业学院材料科学与工程系，山东 济南 250022)
刘明亮(山东建材工业学院材料科学与工程系，山东 济南 250022)
曲顺祥(山东铝业公司研究院，山东 淄博 255051)
罗玉长(山东铝业公司研究院，山东 淄博 255051)
冯晓明(山东铝业公司研究院，山东 淄博 255051)
越东(山东铝业公司研究院，山东 淄博 255051)
［参考文献］
［1］［日］小川明．气体中颗粒的分离［M］．周世辉，刘隽人译．北京：化 学工业出版社，1991．
［2］周概容．概率论与数理统计［M］．杭州：浙江大学出版社，1990．
［3］岑可法．工程气固多相流动的理论及计算［M］．杭州：浙江大学出版社 ，1990．
［4］潘文全．流体力学基础［M］．北京：机械工业出版社，1982．
［5］华南工学院，上海化工学院．流体力学风机与泵［M］．北京：中国建筑 工业出版社，1988．
［6］阮伯如．射流技术及其应用［M］．北京：机械工业出版社，1982．
［7］谢超，杨伦．超细分级机的综合评论和设计估算［A］．上海颗粒学会第 四届学术年会论文集［C］．1995．
［8］陆厚根．粉体工程导论［M］．上海：同济大学出版社，1993．
［9］郑少华，陶珍东，葛德宏，等．微粉射流分级机的研制［J］．流体机械 ，1994，22(7)：23－26．
［10］赵珺，辛振林 ，肖磊，等．微粉体聚积颗粒的气流分散研究［J］．化学反应工程与工艺，1991，7(3)： 271－278．
［11］胡黎明．超细颗粒的制备技术［J］．化学世界，1991，32(1)：40 －41．
［12］杨宗志．超微粉气流粉碎(原理、设备和应用)［M］．北京：化学工业 出版社，1985． |
