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。

（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

1

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。

CaO+CO2（生石灰）

窑CaCO

O Ca(OH)2 +热（熟石灰）

轻质碳酸钙生产方程式：熟化器CaO+H

+ CO2CaCO3 + 热

反应器Ca(OH)

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。

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

1

2

3

2

1

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

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

20

粒

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

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：

三

1

1

2

3

4

5

2

3

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？

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、

粉

2

二

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。

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，

D。

6）投影周长相当径：与颗粒投影周长相等圆的直径；记作

C

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。

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

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：

%100)(?=

N

n

D f

粒度分析综合数据表

物理意义：

微分粒度区间（D 到D d D +）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：

?=

=D

D dD D f D F A min

)()('

3

1） 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。

???

?

??????? ??-=n D D D R ex p 100)(

???

????????

?

??--=n

e

D

D

D F exp 100100)( 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

D e ——临界粒度（R （D ）=36.8或F （D ）=63.2时对应的粒度

四1 2 2.1 n d ,321n 321径函数加成表示：

)()()()()(321n d f d f d f d f d f ++++=ΛΛ

一些可用计算粒径主要函数表达式

颗粒总长

∑=n

i i

i d n 1

)(

颗粒群的总表面积 ∑=n

i i

i

d

n 12)6(

颗粒群的总体积

∑=n

i i

i

d

n 1

3)(

颗粒群的总重量

∑=n i i

i P

d

n 1

3)(ρ

n

n

2.1 1） 为

n ,12）

d 2

6d 3d P ρ以颗粒比表面积定义为例：=)(d f

∑∑==n

i i i n

i i

i

d n d

n 1

31

2

)(/)6(

=)(D f

∑∑∑∑=====n

i i

n

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n

i i

i

n i i

i

n

D

n

D

D

n D n 1

3

1

2

1

31

2/6)(/)6(

由=)(d f )(D f 有

D

n D n

n

D

n

D

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n n i i

n

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n

i i

n

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n

i i

i

n

i i

i

666)()6(1

1

1

3

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1

312=

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=

∑∑∑∑∑∑======

∑∑∑∑====?n

i n

i i i P n

i i

i n

i i

i m d d m d n d n 11331

313

)

()()()(6ρ 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 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

24789比表面形状系数 V S SV φφφ/=

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。

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）。

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。

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：

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

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，