金屬粉制備新設(shè)備新工藝的研究

根據(jù)目前中國(guó)超細(xì)粉體技術(shù)的現(xiàn)狀和國(guó)情，將粒徑小于30m的100%粉末稱為超細(xì)粉體。隨著物質(zhì)的超細(xì)化,其表面分子排列、電子分布結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)均發(fā)生了變化,產(chǎn)生了奇特的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng),從而使得超細(xì)粉體與常規(guī)材料相比具有一系列優(yōu)異的物理、化學(xué)及表面與界面性質(zhì)。因此,具有超常的特性和使用效果。例如火炸藥中的固體成分,經(jīng)超細(xì)化后,由于表面能提高,表面活性增大,因此,它們的燃燒和爆炸性能提高。又如超細(xì)金屬粉,顆粒尺寸小,比表面積大,具有不同于常規(guī)金屬材料優(yōu)良的力學(xué)性能,特殊的磁性能,高的擴(kuò)散性和導(dǎo)電性,高的反應(yīng)活性和催化性能,很強(qiáng)的吸收電磁波的性能等。這些特殊性能使得超細(xì)金屬粉材料在航空、航天、艦船、汽車、冶金、化工領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。而粒徑小于3μm且成片狀的金屬粉由于其特殊的二維平面結(jié)構(gòu),更具良好的附著力,顯著的屏蔽效應(yīng),反射光線的能力以及優(yōu)良的導(dǎo)電性能。因此,片狀金屬粉在顏料、涂料、以及導(dǎo)電漿料等應(yīng)用領(lǐng)域,顯示出優(yōu)于其它形狀粉體的性能,被廣泛采用。制備金屬粉的方法多種多樣,主要有機(jī)械法、物理法、化學(xué)法等。機(jī)械法有球磨法、超聲波粉碎法等。物理法有低壓氣體蒸發(fā)法,濺射法,物化法?；瘜W(xué)法主要有溶膠-凝膠法,化學(xué)氣相沉積法,水熱法,液相化學(xué)還原法。在這幾種方法中目前使用最多的是機(jī)械法。機(jī)械法由于產(chǎn)量大,工藝簡(jiǎn)單,且能制備一些常規(guī)方法難以獲得的高熔點(diǎn)金屬或合金材料的粉末,還可以制備不參與化學(xué)反應(yīng)的一些材料的粉末而被廣泛采用。在機(jī)械法中球磨法是使用最多的1種方法,其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng),對(duì)大多數(shù)物料都能粉碎。然而要想得到3μm以下的片狀金屬粉,用一般的球磨粉碎是很難達(dá)到要求的。因此必須對(duì)球磨機(jī)進(jìn)行改進(jìn),使其達(dá)到理想的產(chǎn)品要求。1研磨機(jī)研磨原理的分析1.1球磨機(jī)的粉碎普通球磨機(jī)的主要工作部件是靠1個(gè)旋轉(zhuǎn)的筒體帶動(dòng)筒體內(nèi)裝入的各種物料和形狀不同的研磨介質(zhì)(如棒、球等)的相互沖擊和研磨作用把物料粉碎,對(duì)于較粗物料的粉體能起到良好的粉碎作用,對(duì)于極細(xì)的物料作用不明顯,而對(duì)于某些特殊物料,即使延長(zhǎng)研磨時(shí)間也不能達(dá)到理想效果。當(dāng)物質(zhì)粉碎得較細(xì)時(shí),粉體易互相聯(lián)結(jié)成小塊或小餅,使顆粒增大,形成“反粉碎”現(xiàn)象。研究還表明:在粉碎粒徑d80>10μm時(shí),隨著d80的減小,相對(duì)比功耗的增加相對(duì)緩慢;當(dāng)d80<10μm時(shí),隨著d80的減小,相對(duì)比功耗急劇增加,這表明用普通球磨機(jī)進(jìn)行超細(xì)粉碎時(shí),粉碎效率將會(huì)急劇降低。多年來(lái),圍繞普通球磨機(jī)電耗高,鋼耗高,能量利用率低的問(wèn)題,有關(guān)專家及專業(yè)工作者作了大量研究工作,如在筒體內(nèi)增設(shè)各種不同形狀的襯板,改變球磨筒體直徑與長(zhǎng)度之比,改變筒體內(nèi)料、球的比例,但問(wèn)題一直沒(méi)有從根本上得到解決。攪拌球磨機(jī)是依靠磨腔中的機(jī)械攪拌棒、齒或片等旋轉(zhuǎn)動(dòng)件帶動(dòng)研磨介質(zhì)運(yùn)動(dòng),利用研磨介質(zhì)之間的擠壓力使物料粉碎,但外筒體是靜止的,它實(shí)質(zhì)上是1種內(nèi)部有動(dòng)件的球磨機(jī),靠?jī)?nèi)部旋轉(zhuǎn)動(dòng)件帶動(dòng)研磨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)物料進(jìn)行粉碎,因而粉碎效率不高。目前國(guó)內(nèi)外濕式攪拌球磨機(jī)種類較多,有臥式、立式2大類,都可以使物質(zhì)粉碎到d50<3μm,但產(chǎn)品干燥后粒度又會(huì)增大。另外,粉碎過(guò)程中,粉體易沉于底層(臥式)或浮于上層(立式)。目前,最典型的干式攪拌球磨機(jī)設(shè)備是德國(guó)的Alpine公司研制的立式干式攪拌磨及行星攪拌磨。上述設(shè)備都可使物質(zhì)粉碎很細(xì),但粉碎效率低,往往需要十幾到幾十小時(shí)的粉碎才能達(dá)到要求,產(chǎn)品片狀化程度差,往往為球形。另外,粉碎過(guò)程中,被粉碎物質(zhì)會(huì)沉底,粉碎均勻性差,系統(tǒng)中還往往缺少安全保護(hù)措施及防氧化措施。1.2雙向旋轉(zhuǎn)球磨粉碎設(shè)備的設(shè)計(jì)我們通過(guò)對(duì)普通球磨機(jī)的粉碎原理研究,認(rèn)為要提高這類球磨機(jī)的粉碎效果,關(guān)鍵是要提高磨球間的有效粉碎區(qū)域面積、磨體的轉(zhuǎn)速和磨球間的研磨作用力。攪拌球磨機(jī)與普通球磨機(jī)的不同之處在于其攪拌器以轉(zhuǎn)動(dòng)的形式將動(dòng)能傳遞給研磨介質(zhì);而普通的球磨機(jī)是靠球磨機(jī)筒體旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)研磨介質(zhì)運(yùn)動(dòng),將動(dòng)能傳遞給研磨介質(zhì)。普通球磨機(jī)的致命弱點(diǎn)是研磨介質(zhì)間的研磨效果差,而且腔體中心易形成空洞,被研磨的物料易從中心逃出,未受到介質(zhì)的沖擊及研磨作用,因而產(chǎn)品粒度較粗,分散性較大。而攪拌球磨機(jī)正是克服了普通球磨機(jī)的上述缺點(diǎn),因而粉碎效果好,產(chǎn)品粒度細(xì),分布范圍窄,但生產(chǎn)效率低。綜合分析球磨機(jī)與攪拌球磨機(jī)的粉碎原理,我們?cè)O(shè)計(jì)出1種雙向旋轉(zhuǎn)球磨粉碎設(shè)備。其原理見(jiàn)圖1,圖2為雙向旋轉(zhuǎn)球磨粉碎機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。這種粉碎機(jī)外筒體的旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)攪拌裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反,在粉碎過(guò)程中,外筒體帶動(dòng)磨球隨筒體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),內(nèi)攪拌裝置帶動(dòng)磨球作反向運(yùn)動(dòng),破壞了中心空洞區(qū),避免了“短路”現(xiàn)象,并使磨球在筒體內(nèi)作不規(guī)則運(yùn)動(dòng),因而大大提高了粉碎效果。另外,筒體內(nèi)攪拌器作高速反向攪拌,使沉積于底部并相互聯(lián)結(jié)、結(jié)塊的粉體被打散,因而大大提高了對(duì)粉體的分散效果,有效的防止了粉體的團(tuán)聚與反粉碎,使顆粒粉碎得更細(xì),從而獲得分散性良好的干粉體。另外,環(huán)狀粉碎室經(jīng)密封處理,設(shè)有抽真空、充保護(hù)氣體及噴入保護(hù)氣氛氣體的裝置,對(duì)新生超細(xì)粉體表面進(jìn)行惰性氣體或分散劑的表面包覆處理,既提高了物料粉體的分散性,又防止了粉體被空氣氧化產(chǎn)生燃燒或爆炸的可能性。2性能比較2.1球磨機(jī)粉碎鋁粉的實(shí)驗(yàn)結(jié)果用雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)與上述2種球磨機(jī)的粉碎效果與效率進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),控制外筒體的轉(zhuǎn)速與普通球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速相同,控制內(nèi)攪拌器的轉(zhuǎn)速與攪拌球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速相同,粉碎物質(zhì)相同,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。我們還進(jìn)行了以下試驗(yàn),采用普通球磨機(jī)將原料為d50=30μm的鋁粉,粉碎30h,細(xì)度只能達(dá)到d50=5μm,無(wú)法達(dá)到d50<2μm,而且許多細(xì)微的鋁粉互相黏連在一起,“反粉碎”現(xiàn)象十分嚴(yán)重。用攪拌球磨機(jī)干式粉碎d50=30μm鋁粉時(shí),當(dāng)粒度達(dá)到3μm后,再延長(zhǎng)粉碎時(shí)間已無(wú)粉碎效果,也出現(xiàn)了細(xì)微的鋁粉互相黏連的“反粉碎”現(xiàn)象(均未加助磨劑)。多次試驗(yàn)結(jié)果均表明,在相同條件下,雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)的粉碎效果均高于上述2種球磨機(jī),通常普通球磨機(jī)需要30h(包括行星磨)達(dá)到的結(jié)果,雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)只要5～7h就可以達(dá)到。2.2粉碎設(shè)備的選擇我們將研制成功的雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)與高效振動(dòng)磨、氣流粉碎磨和行星磨的粉碎效果進(jìn)行比較試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),各種設(shè)備的粉碎時(shí)間與次數(shù)及條件不受限制,都是干法粉碎,不加助磨劑,為防止粉碎時(shí)燃爆,氣流粉碎只粉碎了少量樣品。每種設(shè)備都使其效率充分發(fā)揮,對(duì)比各種設(shè)備所獲得最細(xì)產(chǎn)品的細(xì)度,試驗(yàn)選用Ni作為粉碎對(duì)象,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)表明,行星磨雖然獲得的產(chǎn)品較細(xì),但其生產(chǎn)效率較低,粉碎過(guò)程中物料易沉底,且設(shè)備生產(chǎn)能力較小,不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求,而雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)則可滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求。3旋轉(zhuǎn)中心試驗(yàn)項(xiàng)目和結(jié)果3.1顆粒消散化試驗(yàn)雙向旋轉(zhuǎn)球磨機(jī)最大的特點(diǎn)是可以使多種金屬進(jìn)行機(jī)械合金化,而且還可使金屬顆粒片狀化。我們將V(Cu)∶V(Al)∶V(Ni)按1∶1∶1進(jìn)行合金化試驗(yàn),圖3為Cu,Al,Ni球磨5h的合金照片;將Cu或Al單獨(dú)進(jìn)行片狀化研磨試驗(yàn),圖4為Al顆粒球磨4h的片狀化照片。3.2超細(xì)金屬粉的制備為了制備無(wú)氧化或氧化層極少的超細(xì)金屬粉(片)或合金粉(片),可采用雙向旋轉(zhuǎn)超細(xì)球磨機(jī)。粉碎時(shí),先將磨球及粉料裝入環(huán)狀粉碎室內(nèi),然后抽真空至10-2～10-3Pa,排出粉碎腔內(nèi)空氣,繼續(xù)抽真空30min,使粉料表面吸附的空氣排除,再充入惰性氣體(N2或Ar),就可開(kāi)始進(jìn)行粉碎。采用該技術(shù)設(shè)備與在空氣中粉碎相比,超細(xì)金屬粉的表面氧化值僅為在空氣中粉碎時(shí)(不抽真空、不充惰性氣體)的0.1%～0.2%,氧化層極少。本技術(shù)設(shè)備已用于強(qiáng)氧化劑及可燃物生產(chǎn),產(chǎn)品細(xì)度均勻,可達(dá)1μm以下,完全可工業(yè)化生產(chǎn)。如已成功在上海建成1條年產(chǎn)500t超細(xì)木炭、竹炭粉生產(chǎn)線。平均粒徑在5μm以內(nèi),可用于高檔涂料、高檔化妝品、紡織品,醫(yī)用、食品、環(huán)境凈化等領(lǐng)域(可防霉、防腐、防蟲(chóng)、防紫外線)。環(huán)形粉碎室內(nèi)抽真空和充填惰性氣體或噴入表面包覆劑,可以對(duì)易燃易爆材料進(jìn)行超細(xì)粉碎。另外,還可以