高 強,王裕昌,王昆侖

(河南黃河旋風股份有限公司，長葛 461500)

引 言

氣流分級應用行業(yè)廣泛，如礦物、醫(yī)藥食品、化工等行業(yè)，但在金剛石微粉分級領域卻應用較少，主要原因是其分級精度不高，擔心影響微粉的品質。本文試圖通過對氣流分級主要部件進行改裝改善，以提升分級精度，并應用到金剛石微粉的分級工作中去。

本文中提到的氣流分級機是指立式氣流渦輪分級機，新的設計改裝均以該種分級機為基礎。立式氣流渦輪分級機具有連續(xù)不間斷作業(yè)、分級效率高、工藝操控相對簡單、人員配置少等特點。一套分級機主要由連續(xù)自動加料裝置、多臺立式渦輪分級主機、除塵收集器、引風機以及控制柜和卸料裝置組成。其核心部件分級機，主要由電機、分級機殼體及分機輪組成。電機帶動分級輪在分級殼體中高速轉動(轉速可調)，在分級機中形成強大的離心力。進入到分級機中的氣粉混合物進入分級輪內部，在離心力的作用下，大或重的顆粒被甩至分級輪外圍至分級機邊壁，不再受離心力的作用，自然下落到出料口進行收集；小或輕的顆粒受離心力作用小，在分級輪內部懸停，受引風機的負壓引風力影響被帶至高位出口處，順管道運動至下一組件內被分級或收集。通過調節(jié)分級輪的轉速便可調整分級機中離心力的大小，達到分離出指定粒度物料的目的。市場上常見的立式氣流渦輪分級機有一個共同點是分級精度相對不高，分級出的成品達不到金剛石微粉粒度分布的應用要求。因此應用到金剛石微粉分級領域需要提高分級精度。影響立式氣流渦輪分級機分級精度的主要因素有分級葉輪、物料在分級腔體中的分散程度和分級過程的持續(xù)穩(wěn)定性等。本文采用多臺三連式氣流分級機進行改裝生產試驗。

1 設備的改裝

1.1 分級葉輪的優(yōu)化設計

試驗用的分級設備屬于有動力的強制分級設備，區(qū)別于傳統的旋風收集器或旋流器，能單獨對物料進行分選處理，而不受前后端部件配置或操作方式干擾，通過調節(jié)葉輪的轉速能控制分級出物料的粒度尺寸大小。葉輪的構造和轉速決定能分級出物料粒度的極限和精度。

以較低的轉速達到更細的粒度和更高的精度為方向來改造設計葉輪。增加分級輪的葉片角度和葉片數量能帶來更高的分級精度和更細的粒度，在分級同等顆粒尺寸的微粉時，分級葉輪轉速越低，設備運行越平穩(wěn)，就越能避免葉輪高速轉動帶來的不確定性，減少機械故障率及提高使用壽命。另外，分級葉輪的形狀對分級精度也有顯著影響。綜合考慮，我們將試驗設備分級葉輪葉片的上端設計成尖角狀，如圖1。分級輪轉動時，葉片尖角能對氣流形成有效的指引，有助于分級輪對指定尺寸顆粒的精確分級。

圖1 分級葉輪示意圖Fig.1 Schematic of classification impeller

1.2 提高分級過程中腔體內物料分散性的其它硬件設計

提升腔體內物料分散性采取的措施主要是增設分級腔體二次進風口和分散錐。

二次進風口的示意見圖2在分級腔體中段，設計二次進風口，進風口位于分級機腔體與收料倉之間，通過閥門調節(jié)向分級機內部輸送上升氣流。物料經分級輪分選后，部分細粉吸附在大顆粒上或因大顆粒碰撞，會一起往收料倉落下，這部分細粉本應往后運動。二次風口位于分級輪下方，物料往下掉落時由于二次進風口上升氣流的影響，會重新回到分級輪進行再次分選，使細粉被二次分選出來，這樣就提高了分級精度。沿分級腔體切線方向設計四個能單獨調節(jié)的進風口，進風量更加柔和、均勻，對內部流體力場的平穩(wěn)性影響小。

圖2 二次進風口氣流示意圖Fig.2 Schematic of secondary inlet flow

在分級輪下方，設計有反射錐，延長物料在分級輪下方和分級腔體內的運動距離，使大顆粒更易受重力影響自然下落，同時使細粉更易受負壓風力吸引往上運動。物料自分級機中心點正下方進入分級機，被位于入料管盡頭的分散錐強制分散，圓錐形設計能使物料自下向上運動時四散開來，配合分級輪轉動形成的渦流，在充分分散的同時以均勻恒定的氣粉濃度從四周進入分級區(qū)間進行分級處理，避免了沒有分散錐物料抱團甚至板結進入分級區(qū)間從而影響分級精度的缺點。最終，分散錐的試驗在大顆粒控制上效果非常明顯。

1.3 為保證分級過程氣流的穩(wěn)定性采取的措施

作為一整套分級系統來說，除分級主機本身的性能以外，從加料、進風到除塵、引風機的整機匹配和平衡是設備連續(xù)穩(wěn)定性生產的有力保證。分級機有加料自動控制模塊來保證進入時的氣粉濃度穩(wěn)定，有加大通風面積的除塵器來保證系統的通風性能恒定，通過引風機的選型適配來保證全系統的流體力場穩(wěn)定平衡。

試驗生產設備采用高壓力低流量的離心恒壓風機。離心恒壓風機的優(yōu)點是可調節(jié)流量但不犧牲壓力，能保證系統內負壓穩(wěn)定性，從而提高分級精度。高壓力的引風機形成的氣流攜帶能力更強，精度控制更好，也能提升生產效率。

1.4 試驗生產設備的布局

完成了上述若干優(yōu)化設計，氣流分級的精度得到大幅度提高，為保證分級出成品的粒度分布達到或接近水介質分級的效果，試驗設備采用對物料進行連續(xù)二次分級的方式進行布局，形成分級系統，結果是混合物料經過系統后，被分級成16段。布局示意如圖3，共5臺三連式分級機組合，1號機將混合物料分成4段，2、3、4和5號機再分別將每段分級成4段，共16段，最終完成分級過程。

2 分級試驗內容及結果

2.1 試驗用材料

采用經氣流破碎機破碎出400#以細金剛石粉作為試驗原料，共60公斤。激光粒度分析儀測試的粒度分布如圖4，D50=17.961微米。形貌如圖5。

圖3 5臺三連式分級機組合布局圖Fig.3 Layout diagram of 5 three-connected air flow classifiers

圖4 試驗原料粒度分布圖Fig.4 Particle size distribution of raw materials

圖5 試驗原料SEM圖Fig.5 SEM image of raw materials

2.2 主要分級參數設定

2.2.1 分級機各進風口開啟比例與引風機流量間的匹配

各分級機下端進風口開啟比例為0.5；二次風口的開啟比例按離引風機距離越遠開啟比例越大的原則設定，由遠及近依次開啟比例為0.6、0.5和0.4。引風機的流量要與各進風口開啟的比例適當匹配，否則會影響分級精度。選單臺分級機，各進風口按上述比例開啟，引風機設置三種不同流量，以近似相同加料速度，分級相同的金剛石粉，分級出微粉的粒度分布測試結果見表1。

表1 不同引風機流量分級出金剛石粉粒度分布結果Table 1 Particle size distribution of powders obtained by different flow of fan

顯微鏡下觀察分級出的物料，引風機流量開啟比例為0.1時，粒度分布較寬，分級精度不高；引風機流量開啟比例為0.6時，物料的量明顯后移，且較細兩個物料1～3和1～4粒度分布寬，顆粒大小均勻。引風機流量開啟比例為0.4時，整體效果較好，最終將引風機流量的開啟比例設定為0.4。

2.2.2 分級葉相對輪轉速的設定

各分級機下端進風口和二次風口的開啟比例、引風機的流量設定按上述值設定，不再變動。本文分級試驗中各分級葉輪轉速設定數值見表2。

表2 各分級葉輪轉速設定值Table 2.Set values of classification impeller speed

2.3 分級結果討論及對比

2.3.1 分級結果討論

60公斤材料，約50分鐘勻速下完，分級成16段，激光粒度儀測試的粒度分布數據總結見表3。

表3 實驗結果粒度分布測試數據表Table 3 Particle size distribution of powders in this study

粒度分布寬度的定義：A=(D90-D10)/D50，顆粒形狀分布和D50值接近的情況下，A值越小，樣品的粒度分布越窄，顆粒大小越均勻，認為分級效果好。試驗材料類型微粉成品的A值小于1.1即合格，應用安全。

表3中的A值可以通過調整各分級參數(尤其是表2中葉輪轉速數據)來修整它，但會有調整極限。表3中的A值，隨著粒度變小呈增大趨勢，說明該分級系統分級細粒度粉的效果較差，分析原因是分級過程中粉粒仍有分散不充分的情況存在，通過調整二次風量和加料速度等參數，可以改善細粉的分級效果。

表3中，3-4、5-1和5-4的A值明顯異常，經顯微鏡觀察，3-4、5-1物料中相對細粒含量較多，5-4中含有相對的粗粒。經分析，3-4細粒含量多的可能原因是1號機分級過程不穩(wěn)定，導致其2段料中含細粒多，二次分級到3-4中。5-1細粒含量多的可能原因是在二次分級時，下料速度過快，導致分散不充分，小粒和大粒一起落入收料倉。5-4中含有相對粗粒的主要原因是分級葉輪的轉速低。利用5號機對5-1再次分級，在葉輪相對轉速為1.1111(最高轉速)時，能分級出D50值在1.5微米以下的粉未。如圖6，D50值=1.475微米。

圖6 葉輪最高轉速時分級出微粉的粒度分布Fig.6 Particle size distribution of powders obtained at the maximum rotating speed of impeller

2.3.2 氣流分級與水介質分級對比

水介質分級效率低，分級出一個型號成品需要反復操作數十次，氣流分級高效快捷，能一次性分級出若干成品，且是干法分級，省去微粉生產中部分干燥環(huán)節(jié)。氣流分級分級細粒度粉效果較差，不如水介質分級，分級較粗粒度粉，分級效果二者接近(如圖7、圖8)，考慮到分級環(huán)境因素，氣流分級微粉的質量可靠性稍差，但它能高效地完成大部分分級工作量，能大幅度縮短微粉的生產周期，特別是在粗粒度粉方面。

圖8 表3中4-2產品SEM圖Fig.8 SEM image of 4-2 powders in table 3

3 結 論

(1)氣流分級金剛石微粉效果顯著，分級較粗粒度粉，分級結果可達到或接近水介質分級水平，分級較細粒度粉，雖然效果較差，但可以輔助完成分級過程的大部分工作量，提高微粉生產效率的幅度大。

(2)現階段氣流分級應用在金剛石微粉生產領域較少，分級精度提升潛力還有很大空間，但規(guī)模應用于金剛石微粉的分級是必然趨勢之一。