材料工艺学(粉体制备)第3章1(终稿)

材料工艺学----------粉体制备一、粉体的应用近代材料科学的发展，“精微粉”、“超微粉”具有许多特异的性能被广泛应用。基本上每种材料均少不了粉体---特别是微粉，例如：粉末冶金过程-----即是首先将金属制成微粉，后经过混料、冷压成型、烧结、机加工等工序制成了零件或物件。特别是对高熔点金属，这一过程可以在低于熔点的温度下完成，同时具有耐磨耐高温的特性。①往塑料、橡胶等材料中加入某些粉体可以明显的改善其性能，如耐磨性、自润滑性及塑性等；②在造纸、化肥、农药、牙膏、油漆、颜料、固体润滑剂、涂料以及磨料磨具等方面发挥着重要作用；③复印机中所使用的碳粉、录音带、录相带中的磁性粉末也是众所周知的重要用途；④将陶瓷粉末分散在金属中而得到陶瓷增强的金属陶瓷材料。要求：---要求粉体极细，而且粒径分布要窄。超细粉体技术，超细粉体不仅本身是一种功能材料，而且为新的功能材料的复合与开发展现了广阔的应用前景，在国民经济各领域有着广泛的应用，起着极其重要的作用。二、粉体的性质粉体已经渗透到非常广泛的材料工程领域中，粉体的质量则具有关键的作用。粉体颗粒的大小、粒度分布、颗粒形状、杂质的种类及含量、相组成及相对含量、缺陷比例及性质、聚集程度等。人们在制造粉体时希望能控制这些特性，以便用最经济的工艺得到高度重复的制品。最重要的质量指标之一是粒度。粒度决定了粉体产品的许多技术性能和应用范围。粉体的比表面积、化学反应速率、吸附性能、分散性、流变性、沉降速度、溶解性能、光学性能等等都与粉体的粒度大小和粒度分布有关。从烧结工艺上看，烧成收缩和粉体粒径及表面性质成比例，希望细，这样可有较低的烧结温度。表1粉料的粗细与烧结温度的关系化合物名称一般粒度粉料细粉料TiO2ZrO2Al2O3PZT1600℃1700℃1750℃1100℃（1μm）1400℃1500℃1500℃970℃，0.4μm具有较高的自由能表面，明显的特征之一是“表面熔点”远低于“体积熔点”。粉末冶金及陶瓷的烧结过程也正是基于这点才得以实现。三粒度组成及粒度分析颗粒的粒度、粒度分布及形状能显著影响粉末及其产品的性质和用途。例如:①水泥的凝结时间、强度与其细度有关；②陶瓷原料和坯釉的粒度及粒度分布影响着许多工艺性能和理化性能；③磨料的粒度及粒度分布决定其质量等级等。为了掌握生产线的工作情况和产品是否合格，在生产过程中必须按时取样并对产品进行粒度分布的检验。粉碎和分级也需要测量粒度。3.1粒度及其表示方法•粒度---颗粒或粒子大小的量度，它表明物料粉碎的程度，一般用mm或μm作单位。在实践中通常借用“直径”一词来表示，记为d。•规则矿粒:•不规则矿粒:dd针对单个矿粒：粒度;针对碎散物料:粒群（1）粒级：用某种分级方法（如筛分）将粒度范围宽的碎散物料粒群分成粒度范围窄的若干级别，这些级别称为粒级。（2）粒度组成：粒度组成是指记录碎散物料粒群中各个粒级的质量分数的文字资料，它表明物料的粒度构成情况，是对碎散物料粒度分布特征的一种数字描述。（3）平均粒度：平均粒度是碎散物料粒群中颗粒粒度大小的一种统计表示方法。3.2粒度分析方法大吨位的碎散物料粒群：粒度分析的方法粒度分析-----确定物料粒度组成的试验。粒度分析方法筛分分析法水力沉降分析法（或水析法）显微镜分析法筛分分析法水力沉降分析法显微镜分析法利用筛孔大小不同的一套筛子对物料进行粒度分析的方法，n层筛子就可把物料分成（n+1）个级别，以颗粒能通过的最小正方形筛孔作为该级别的粒度。优点：设备简单，易于操作。缺点：受颗粒形状的影响较大。利用不同粒度的颗粒在水介质中沉降速度的差异，将物料分成若干粒度级别。这种分析方法的测定结果既受颗粒形状的影响，又受颗粒密度的影响。在显微镜下对颗粒的尺寸和形状直接进行观测的一种粒度分析方法。常用来检查分选作业的产品或校正用水析法所得到的分析结果，以及研究矿石的结构构造。粒度范围100~0.01mm，而粒度在0.1mm以下的物料则常采用湿筛。1~75μm的物料微细物料，最佳测量范围0.25~50μm之间。3.2.1筛分分析筛分分析是最古老的粒度分析方法之一，也是目前试验研究和生产实践中应用最多的粒度分析方法。这种方法实质上就是让已知质量的物料（试样）连续通过筛孔逐层减小的一套筛子，从而把物料分成不同的粒度级别。筛分分析的工具-----标准筛•对于粗粒物料（一般6mm以上）多采用手筛进行人工筛析，也可以自己编织非标准的手筛进行，筛孔一般为150、120、100、80、70、50、25、15、12、6mm等；手筛就是把筛网固定在筛框上而构成的筛子，这种筛子可以根据需要随时加工。•对于粒度在几毫米以下（6—0.038mm）的物料，则采用标准筛在振筛机上进行筛析。标准筛是一套筛孔尺寸有一定比例、筛孔大小和筛丝直径均按照标准制造的筛子。在使用标准筛时，需要按照筛孔的大小从上到下依次将各个筛子排列起来，这时各个筛子所处的层位次序叫做筛序；在叠好的筛序中，相邻两个筛子的筛孔尺寸之比称为筛比。标准套筛最上面有筛盖，防止筛分时物料的溅失，最下面设有筛底，收集最底层筛子的筛下产品。•美国泰勒标准筛、美国国家标准筛及英国标准筛等的筛号，是以筛网上每英寸长度内所具有的方形筛孔数目-----网目命名。•前苏联标准筛的筛号以1厘米长度内的筛孔数或筛孔尺寸（微米）命名。•德国标准筛筛号以1厘米长度内或1平方厘米筛面内的筛孔数目命名，德国标准筛各层的筛丝直径约为筛孔的2/3。•我国采用ISO制，其筛孔尺寸以um和mm。3.2.2筛分分析方法物料筛析时所用的最小代表性试样质量与试样的粒度有关，可按下列数值选取：筛分试样最小质量最大颗粒粒度/mm0.10.30.51.03.05.010.020.0试样最小质量/kg0.0250.050.10.20.52.05.020.0筛分的方法可干筛或干湿联合筛:当物料含水、含泥较少，对分析结果的要求又不很严格时，可以直接进行干筛；当物料粘结严重、对分析结果的要求又比较严格时，则需要采用干筛和湿筛联合的方式进行筛分。干筛：①将选好的标准套筛套好；②把样品倒入最上层筛面，盖好筛盖，放在振筛机上筛分10—30分钟；③依次将每层筛子取下，并作检查筛分。如果1分钟内所得筛下物小于筛上物料量的1%，则认为筛分已到“终点”，否则应该在振筛机上继续筛到“终点”。干湿联合筛：①先用细孔筛（如200目筛子）进行湿筛，待矿泥或细粒筛除干净后将筛上物烤干称重，根据原试料重量及筛上物重量推算筛下物重量。②筛上物进行干法筛分，最底层细筛的筛下物仍并入洗出的细泥量合并计算。③筛析结束后各粒级总重量与原试样重量之差不得超过原试样重量的1%，否则应重做。3.2.3筛析结果的处理当筛析过程的物料质量损失不超过1%，可以把各个粒级的质量之和作为100%来计算。可采用表格法或曲线法对筛分分析进行处理。1、表格法粒级mm质量kg个别产率%筛上（正）累计产率%筛下（负）累计产率%-16+12-12+8-8+4-4+2-2+02.253.004.502.253.0015.0020.0030.0015.0020.0015.0035.0065.0080.00100.00100.0085.0065.0035.0020.00合计15.00100.00四破碎和磨碎机械用外力克服固体物料质点间的内聚力，而使大块物料破坏成碎散细小颗粒的过程称为粉碎。按照破碎力的作用形式及产物粒度常将粉碎过程细分为破碎和磨碎。破碎力主要是压应力及产物粒度大于5mm时称为破碎；破碎力主要是磨剥、击碎及产物粒度小于5mm时称为磨碎；根据粉碎前后物料粒度大小分为破碎、磨碎、超细粉碎作业，各作业又可分为许多阶段。4.1岩矿的机械强度岩矿的机械强度，是指岩矿单位面积所能承受的外力，也就是岩矿抗破坏的能力。岩矿被破碎的难易程度就与这种阻力有关。通常用静载下测定的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度等来表示岩矿的抗破碎能力。随着矿石粒度的减小，各种影响强度的宏观裂纹逐渐消失，不同的矿物聚合体逐渐解离，同种矿物聚合体粒子增多，因此细矿粒的机械强度增大。矿粒越细,机械强度越大，越难破碎磨碎。所以，用机械的方法将物料破碎到1μm以下是很困难的。4.2破碎方法所谓破碎方法，是指破碎力对待破碎物料的作用方式。目前，岩矿的破碎几乎都是采用机械破碎法。任何一种破碎机都不是只用一种力破碎矿石的，通常是以某种力为主，配合其他种类力的作用，因此破碎机械施于矿石的力是复杂的。*破碎机中以压碎为主，配之以弯折;*磨矿机中是冲击加磨剥。*劈碎作用只能对强度低的煤块可以采用，硬度大的金属矿石不能采用。挤压，劈裂，折断，磨削，冲击4.3破碎设备概述(1)按照破碎机械使用的粒度范围可将破碎机械分为两大类：碎矿机和磨矿机。(2)按照破碎方法及机械特征可将破碎机械分为：颚式破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机、冲击式破碎机、磨矿机等。(3)根据处理物料的粒度，常将破碎设备分为粗碎破碎机和中细碎破碎机。4.3.1颚式破碎机这种设备的规格以给料口处两颚板间的间隙和颚板的宽度来表示，例如目前世界上使用的规格最大的颚式破碎机为16802130mm，可以破碎最大粒度达1220mm的物料，当排料口的宽度为203mm时，其处理能力为725t/h。颚式破碎机最早由布莱克（W．E．Black）于1858年获得发明专利，经过100多年的发展，目前生产中使用的颚式破碎机主要有双肘板颚式破碎机和单肘板颚式破碎机2种。简摆鄂式破碎机工作原理示意图磨矿作业是破碎过程的继续，它以破碎产品为给料，把矿石破碎至所要求的粒度。在选矿工业中，几乎都设有磨矿作业。在湿法冶金工厂、水泥厂及许多制备非金属有用矿物的工厂均采用磨矿。五、磨碎及磨碎机械5.1球磨机的机构及工作原理1、磨机的主要部件2、磨介或球荷：直径25--150mm，装入量为25—45%3、物料的运动：磨机内钢球的三种运动状态中，周转状态下由于球与衬板及球与球之间无相对运动，故无磨矿作用，应避免出现这种状态。在倾斜下次之。在抛落状态下，球荷之间及球与衬板之间有相对运动，有磨剥及冲击共同作用磨碎矿石。这种状态是磨机的最佳工作状态。球磨机人们称为粉碎机之王，经过漫长的发展历史，它已在超细粉碎领域占据着举足轻重的位置。近期在球磨机的基础上，开发出了多种形式的广义球磨机，如振动球磨、离心球磨、行星磨、离心滚动磨等。这些新机型的开发意味着球磨机正提高到一个新的水平，其中许多机型已进入实用阶段。5.2影响磨碎过程的因素5.2.1物料性质的影响物料的硬度越大，可磨性就越小，磨机的生产率也就越低。一般来说，给料粒度越粗，磨碎到规定细度所需要的时间越长，磨机的生产率也就越低。磨机给矿粗时对磨机不利，对碎矿则有利，磨机给矿细时对磨机有利又对碎矿不利。因此，考虑磨机给矿粒度时应把碎矿与磨矿综合考虑，应使在某一粒度下对碎矿及磨矿的整体最有利，总费用最低，此粒度及磨机最适宜的粒度，它通常由实验确定。5.2.2磨机工作条件的影响磨机的转速率、装球率、磨矿浓度等因素对磨矿过程有着重大的影响。对磨机内钢球的运动分析说明，磨机的转速率及装球率一起决定着磨机内介质的运动状态，也就严重影响着磨矿作用。当转速率适宜时有最大的磨矿功效，生产率也最大。◆磨机的钢球不超过50%，装球过多时中心部分的钢球只作蠕动，不能有效工作。球磨机的装球率一般是40---50%，棒磨机是35---45%。◆在其它条件不变时，磨矿介质的比重越大，磨机的功率消耗和生产率都较高。一般都用钢或铸铁作磨矿介质。装一种直径的球的效果不如装多种直径的球的效果好。粗粒宜用大球打，细粒宜用小球磨。物料中有粗细不等的各个级别，就应配以直径不同的钢球。◆磨机给矿速度应连续均匀。给矿少时磨机内空打现象多，磨损严重，过粉碎严重。给矿过多时易形成磨机胀肚。六、超细粉体技术的研究内容及范畴目前国外定义:粒径小于3μm的粉体被称之为超细粉体。根据我国超细粉体技术领域的现状及国情，定义粒径100%小于30μm的粉体为超细粉体。超细粉体微米级粉体亚微米级粉体纳米级粉体粒径大于1μm的粉体：微米材料0.1--