【正文】 第五章 超細粉體分級技術 第一節(jié) 分級的目的、意義、研究內容及分類 ? 利用機械方法生產的超細粉體，很難使物料一次通過機械粉碎就能達到所需粒度要求，產品往往處于一較大的粒度分布范圍。而在現(xiàn)代各工業(yè)領域的使用中，往往要求超細粉體產品處于一定的粒度分布范圍。另外，在粉碎過程中，粉體中往往只有一部分產品達到了粒度要求，而另一部分產品卻未達到粒度要求，如果不將這些已達到要求的產品及時分離出去，而將它們與末達到要求的產品一道再粉碎，則會造成能源浪費和部分產品的過粉碎問題。為此，在超細粉體生產過程中要對產品進行分級處理。一方面控制產品粒度處于所需分布范圍，另一方面使混合粉料中粒度已達到要求的產品及時地被分離出去。 ? 對超細粉體分級技術研究，主要包括：超細粉體分級設備研究，工藝條件研究以及超細粉體的分散性研究。后者往往是極其重要的。因為，如果超細粉體的分散性得不到很好解決，這種粉體就無法進行有效分級。無論采用哪種技術及設備對超細粉體進行分級，都必須事先使該超細粉體處于良好的分散狀態(tài)。 ? 對普通粉體的分級通常是采用篩分法，然而目前最細的篩網(wǎng)孔徑也只有 20μm左右 (即 600目左右 )，再考慮到實際篩分過程中超細粉體對篩孔的堵塞問題，因此，在實際生產中超過 325目的篩網(wǎng)用于干粉分級無實際工業(yè)化使用的意義。采用普通的常規(guī)篩分技術及設備無法對超細粉體進行分級處理，必須研究新的超細粉體分級設備及技術。到目前為止，已研究成功和正在研究并公開報導的超細粉體的分級方法較多，但真正工業(yè)化使用且分級效果較理想的技術和設備并不多。另外值得指出的是，隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，采用電氣成型制造的篩孔可以達到 3μm，采用激光技術可制造出 1μm的篩孔。這些篩分裝置目前都已用于超細粉體漿料的分級，新近研究已將分子篩、膜分離等技術用于超細物體漿料的分級 (如微米、亞微米及納米材料的漿料 )，但這些大多仍處于試驗階段。 ? 根據(jù)被分級物料的狀態(tài)可分為干法分級和濕法分級。新近又研究了一種介于干法分級和濕法分級之間的分級方法，即超臨界分級。另外，根據(jù)分級力場的不同，分級方法又可分為：重力場分級、離心力場分級、慣性力場分級、電場力分級、磁場力分級、熱梯度力場分級以及色譜分級等。對超細粉體的分級必須根據(jù)超細粉體的不同特性，利用各種合適的力場對超細粉體進行有效的分級，才能獲得滿意的分級產品。超細粉體的分級方法可根據(jù)其使用的設備類型不同分為：旋流式分級、干式機械分級 (如葉輪式，渦流式等 )、碟式分級、臥螺式分級、靜電場分級、超臨界分級等。 第二節(jié) 超細粉體的主要分級原理 ? 目前工業(yè)化使用的超細粉體主要分級方法有：旋流式分級、干式機械分級 (葉輪式，渦流式 )、碟式分級及臥螺式分級。這些分級方法都是基于重力場和離心力場進行分級。 一、重力場分級原理 ? 重力場分級原理是最古老、最經(jīng)典也是較完善的理論，其理論基礎是根據(jù)層流狀態(tài)下的斯托克斯定律。在分級過程中，假設流場是按層流狀態(tài)進行，并假設超細固體顆粒呈球形，在介質中是自由沉降。因此可認為在分級過程中，這種超細球形顆粒在自身重力場作用下，在介質 (氣體或液體 )中沉降時單一顆粒所受到的介質阻力為： ? 式 中 η—— 介質粘度（ Pas）； ? d —— 顆粒的直徑（ m）； ? ν—— 顆粒的沉降速度（ m/s）。 vdF p ??3?gdF g )(63 ??? ???式中 d —— 顆粒的直徑（ m）； δ—— 顆粒的密度（ kg/m3）； ρ—— 介質的密度（ kg/m3）； g —— 重力加速度（ m/s2） 當介質的阻力等于顆粒的重力時，其沉降加速度為零，沉降速度保持恒定。這一定速稱之為顆粒的沉降末速0?，此時，PF=Fg代入上式即得 0? =218dg ????? 上式表明，當被分級的物質一定，所采用的介質一定 ( 即 δ 、ρ 、 η 一定 ) 時，沉降末速只與顆粒的直徑大小有關。因此，根據(jù)不同直徑的顆粒的末速差異，可對粒度大小不同的顆粒進行分級。上式是基于假設流場為層流，顆粒呈球形，在介質中是以自由沉降形式進行。這些與實際情況都有較大差異。 ? 對于超細顆粒來說，更重要的是其顆粒極細，粒徑之間的差異極小，因而對重力之差及末速之差影響極小。因此，靠簡單的重力場作用很難使超細顆粒進行快速精確高效分級，所以必須借助其它力場以達到較好的分級效果。在研究中發(fā)現(xiàn)，采用離心力場可以對超細顆粒達到較好的分級效果，也可將這兩種力場綜合利用。 二、離心力場分級原理 當被分級的物質、介質及顆粒的粒徑都相同時，要提高顆粒的沉降末速度，關鍵是要提高重力加速度 g 。由物理學知識知，采用離心力可使加速度達到幾十個 g 至幾百個 g ，有時甚至可達數(shù)千個 g 。顆粒在離心力場中的離心加速度 a 可用下式表示： rrat22?? ?? 式中 ω —— 顆粒的旋轉角速度（ rad/s ）； t?—— 顆粒的切向速度（ m/s ）； r —— 顆粒的旋轉半徑（ m ）。 顆粒在離心力場中所受到的離心力 Fc 為： rdFc23)(6?????? 上式表明，對于一定的顆粒及一定的介質，其受到的離心力隨旋轉半徑 r 和旋轉角速度 ω增大而增大， ω 的增大效果最明顯。 在離心沉降過程中，對于同一顆粒所受到介質的阻力 Fp 為 22rdkFp ?? ?? 式中 k —— 阻力系數(shù)； r? —— 顆粒的徑向運動速度（ m/s ）。 ? 當介質的阻力與離心力達到平衡時，顆粒在離心力場中的沉降速度達最大值且為衡速，可由下式導出： ? 因為 Fc=Fp ? 代入上式可得出： 22236)( ort dkrd ?????? ?????? 當顆粒極細時，可采用斯托克斯阻力公式近似代替，即： ? 代上式得 oror ddk ????? ????? 322rddrd ort 2323)(636 ????????? ??????ordrrd ??????? 36)(223????)(1822????? ??? rdor? 定義：為離心分離因素，并將離心加速度代入上式得： ? 從上式可以看出，當被分級的物質一定，介質一定，介質的粘度一定，離心加速度或分離因素一定時，顆粒的離心沉降速度只與顆粒的直徑大小有關。因而可采用離心力場根據(jù)顆粒離心沉降速度的不同，對粒徑大小不同的顆粒進行分級。上式也說明，當被分級的物料及介質的各種特性一定時，提高顆粒的離心沉降速度的關鍵是提高離心加速度 a或分離因素 j。 )(18)(1822??????? ????? jgdador? 以上是當前超細粉體領域大規(guī)模工業(yè)化應用的主要分級方法所依據(jù)的主要理論基礎和分級原理。 ? 關于其它分級方法，如靜電場分級、磁力場分級、超臨界分級、熱梯度力場分級、色譜分級等的分級原理，由于其各不相同，缺少共性，而且很專一，故將在對應的分級方法章節(jié)中給予專項介紹。 第三節(jié) 粉體分級的基本概念 ? 在討論和評判粉體分級技術時，經(jīng)常會遇到“分級效率”、“分級精度”、“分級極限”及“分組粒釋”等基本概念。以下將對這些基本概念講行定義和解釋。 ? 一、分級效率與分級精度 ? 分級效率是評判一種分級方法優(yōu)劣的重要指標，在工業(yè)化應用中，這一指標十分重要。對于某一分級方法即使分級出的產品分布范圍很窄，但分級效率很低，在工業(yè)化生產中仍無實際應用價值。 ? 分級效率通常有如下幾種表示方法，即部分分級效率、總分級效率、牛頓分級效率、分級精度 (又稱銳度 )、理查德分級效率和粒級效率曲線等。 ? （一）部分分級效率 E（ di） ? 部分分級效率 E（ di），是指分級出的產品中粒徑為 di的顆粒的重量占分級給料量中粒徑為 di的顆粒的重量百分數(shù)。部分分級效率 E（ di）可用下式表示： ? 式中 dR1—— 分級出的產品中粒徑為 di的顆粒