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粉体混合技术

2019-02-18 16:33:41 1362

一、概述
  混合技术是将两种或两种以上物料均匀混合起来的技术,它包括混合工艺和混合机械装备,这里重点谈谈混合机械装配。
  混合机械是利用机械力和重力等,将两种或两种以上物料均匀混合起来的机械。它广泛用于各类工业和日常生活中。 混合机械可以将多种物料配合成均匀的混合物,如将铁精粉与煤粉的混合、铁精粉与粘结剂的混合、水泥、砂、碎石和水混合成混凝土湿料等;还可以增加物料接触表面积,以促进化学反应;还能够加速物理变化,例如粒状溶质加入溶剂,通过混合机械的作用可加速溶解混匀。
  常用的混合机械分为气体和低粘度液体混合器、中高粘度液体和膏状物混合机械、热塑性物料混合机、粉状与粒状固体物料混合机械、粉体和少量中、高粘度液体的混合机械五大类。本文重点谈谈粉体与粒状固体(或粉体)的混合以及粉体与少量中高度粘度液体的混合。
  混合时要求所有参与混合的物料均匀分布。混合的程度分为理想混合、随机混合和完全不相混三种状态。各种物料在混合机械中的混合程度,取决于待混物料的比例、物理状态和特性,以及所用混合机械的类型和混合操作持续的时间等因素。对于粉体混合或粉体与少量中高粘度液体的混合其混合速度远低于液体的混合,混合程度一般也只能达到随机混合。
  随着工业技术的发展,新材料、新工艺的出现,混合机械设备也在不断发展,就其混合原理而言,主要有:扩散混合、剪切混合和对流混合,事实上它们经常是伴随出现的,每一种混合机械设备的混合效果经常是两种以上混合原理综合作用的结果。
  工业的飞速发展对混合机械的要求也越来越高,低能耗的、环保的、高混合均匀度的、运行可靠使用成本低等始终是对混合机不变的要求。由于混合物料的多样性,混合设备所处工况要求的千差万别,出现了各种各样的混合设备,本文仅浅谈几种工况以及几种混合机械设备。
  二、几种混合工况要求
  鉴于混合设备应用工况的千差万别,本文仅探讨笔者研究的几种行业工况,它们主要涉及钢铁行业、建筑行业、铸造行业。
  1、钢铁行业
  混合机在钢铁行业的应用领域有:氧化球团、复合溶剂型球团、烧结矿、金属化球团等
  1.1、氧化球团行业
  随着氧化球团工艺的发展,新设备的引进,高压辊磨机的应用逐渐增多,在用用高压辊磨机的氧化球团工业生产中,必须在其后用混合机,用以对铁精粉与粘结剂的混合,这里粘结剂通常使用的是膨润土,其形态为固态,掺入量1-2%。
  混合机的作业工况为:混合铁精粉与膨润土,其体积组分比约为98:2, 物料水分约为8% 。铁精粉细度为:200目占70-80%以上。
  在该工艺中混合机还可能用来混合系统滚轴筛筛下的粒度不合格物料。
  近几年氧化球团行业还有另外一种新工艺,就是用对压块机机进行造球,在用该工艺中,混合机是必不可少的设备,混合机的作业工况是:混合铁精粉与膨润土,其体积组分比约为98:2, 物料水分约为8% 。铁精粉细度为:-10mm。
  混合后的物料必须满足造求需要。
  1.2、复合溶剂型球团
  溶剂型球团技术也在不断进步,日本较早就有该工艺,我国在该工艺的开发上还处于起步阶段,起点较高,宣化某公司一致以来致力于这方面的研究,并开发出自己拥有自己知识产权的工艺—复合溶剂型球团工艺。
  复合溶剂型球团工艺中混合机的工况为:混合物料为:铁精粉(占83%)、赤铁矿粉(10%)、石灰石粉(4%)、秸秆粉(2%)、膨润土(1%)。混合物料水分约为10%。物料细度为:铁精粉、赤铁矿粉为-200目占70-80%,石灰石粉为-3mm
  秸秆粉为-80目。混合后的物料必须满足造求需要。
  1.3、烧结矿
  烧结矿的组分比较复杂,其组分有铁精粉、煤粉、石灰石粉、有的还有高炉灰、钢渣尘泥等。烧结矿有一混和二混两种工况,其中一混主要是为混合,二混兼有造粒作用。
  1.4、金属化球团
  钢铁行业金属化球团名目繁多,归纳一下,大致有以下工况。
  1.4.1、直接还原铁
  在煤基还原工艺中,需要对铁精粉和煤粉以及适当粘结剂进行混合,该工艺中混合机的工况是:铁精粉(占78%左右)、煤粉(18%)、粘结剂(5-6%)、混合物料水分约在5-7%左右,。物料细度为:铁精粉为-200目占70-80%,煤粉为-50目mm,粘结剂的粘度较大。
  1.4.2、炼钢尘泥造块
  尘泥造球后一般是用来添加转炉作为炼钢的冷渣机使用,烘干后的尘泥水分一般在2-4%,有时需要添加一些氧化铁皮然后还必须加上粘结剂(粘结剂可能有液体粘结剂和固体粘结剂)混合好后直接造块。
  1.4.3、冶金尘造块
  冶金尘造块有两种工艺,一种是添加粘结剂并混合后直接冷压造块,其所用混合机工况和尘泥造块基本差不多,另一种工艺是采用直接还原方法,即添加煤粉和粘结剂混合后造块,该工艺中其混合机工况可直接还原铁工况基本一致。有区别的是混合物料的容重。细度上的区别。
  以上混合机的混合效果必须满足成型机的工况需要,在直接还原铁行业,还必须满足铁精粉与煤粉的均匀混合,满足其工艺需要。
  2、型煤行业
  型煤制备有多种工艺,普遍采用的是有粘结剂型煤工艺,该工艺中就必须有混合工序,即需要把煤粉和粘结剂进行充分混合后成型。根据型煤所采用粘结剂的不同,可分冷混合和热混合两种,如采用腐殖酸、石油焦等,就需要热混合,其混合温度一般不超过150°C。
  3、建筑行业
  建筑行业的混合机应用主要有两种工况,一种是建筑沙、石灰、少量水分的“干混合”,另一种是建筑沙、石灰、、石子以及适量水分的“湿混合”。 砂浆产品的一项重要质量指标是它们的均匀度。混合机及混合过程是达到高混合均匀度的关键。如果加入的物料没有被充分混合,就无法得到预期的产品质量;或质量不稳定。混合质量决定了最终产品的质量。按生产方法不同分为砌筑砂浆、抹面砂浆、地坪砂浆、瓷砖黏结剂等。
  4、饲料行业
  饲料行业的混合物料通常是多组分的,所采用混合机工况与冶金和建筑行业显著不同的是混合物料的容重较轻,它对混合机本身的磨蚀性也较低。
  三、混合设备
  通过对混合机应用工况的分析,可知其基本应用工况是一种或多种组分与少量固体粘结剂的混合和一种或多种组分与少量高粘度液体粘结剂的混合两种。根据生产实践,可知尤其对少量高粘度液体的混合难度,对混合机的要求也。
  卧式强力混合机是洛阳凯正环保工艺设备有限公司推出专利产品,其技术核心主要有:(1)、混合工具结构的独特,有利于降低功耗和提高混合精度,(2)、动力参数选择合理 (3)、混合工具在转子轴上的排列有专用工装保证其相对角度,这是获得动、静平衡的关键。
  该混合机功耗指标在1KW/t左右,目前单机产量可达400t/h。
  当需要添加少量高粘度液体粘结剂时,设置有液体粘结剂的雾化装置,该装置也是多年经验的积累。
  当需要热态混合时,该混合机有专用的热混结构,可实现对物料的加热和保温。
  其混合效果普遍较好,实现连续大产量作业,是一种全国产化的混合设备。
  四、物料混合的特点简介
  不同膏状物的混合主要是将待混物料反复分割并使其受到压、辗、挤等动作所产生的强剪切作用,随后又经反复合并、捏合,达到所要求的混合程度。这种混合很难达到理想混合,仅能达到随机混合。粉状固体与少量液体混合后为膏状物,其混合机理与膏状物料混合的机理相同。
  不同的热塑性物料以及热塑性物料与少量粉状固体的混合,需要依靠强剪切和强对流作用,反复地揉搓和捏合,才能达到随机混合。
  流动性好的颗粒状固体物主要是靠容器本身的回转,或靠装在容器内运动部件的作用,反复地翻动、掺和而得以混合,这类物料也可用气流产生对流或湍流以达到混合。固体颗粒的对流或湍流不易产生涡流,混合速度远低于液体的混合,混合程度一般也只能达到随机混合。
  流动性很差的、互相发生粘附的颗粒或粉状固体,则常需用带有机械翻动和压、辗等动作的混合机械。
  一般来说对于较大产量作业的工况,其对混合机的选择范围较窄,双轴、三轴混合机一般只能用于干粉混合或调湿工况,对于混合组分差别较大或需要添加粘结剂的场合,一般只有国外设备或卧式强力混合机供选择。
  五、粉体混合质量的定量分析
  EYH—系列二维运动混合机或其它粉体混合设备GMP认证工作的第四阶段——性能确认(PQ)中,提到了混合均匀度的检测(RSD)。毫无疑问,混合均匀度是评定混合机性能的最重要指标。
  1、 粉体混合的含义
  粉体混合是二种以上组份在干燥状态或有少量液体存在下,以外力作用搅混,使其不均一性不断降低的过程。所谓二种以上组份,可以是不同的物质,也可以是同一物质而有不同的物理特性:如含水率不同、颗粒直径不同、颜色不同等等。
  粉体混合是一个复杂的随机过程,混合质量的评估及测定方法一直是困扰着人们的棘手问题。随着时代的发展,凭人的五官感觉来判定混合均匀度的日子已经过去。用科学的、数量形式来判定混合均匀度,就是粉体混合的定量分析。要做到定量分析,必然要有取样、检测、统计分析(数据处理)几个过程,从而得到一个单一的量值来表达混合物的均匀度。
  2、 取样
  从混合物中某一位置取出少量的物料,叫“取样”,这少量的物料叫作“观测样品”又称“点样品”,取样的位置称“取样点”。
  在同一容器内,同一时间水平上,不同取样点取得的样品组成这一时间水平上的“样本”。点样品的个数即样本的大小。
  关于样品的大小:在满足检测需要的量并可能对取样点周围物料具有代表性的前提下,样品越小越好。样品过大,不仅浪费物料,且对定量分析的正确性不利。
  关于样品个数多少(即样本的大小):样品个数越多,即样本越大,定量分析结果越可靠,误差率越小。但迄今为止,确定样品个数尚未研究出来。据美国化学工程协学建议,要求5~15个样品,也有人认为至少需要20个乃至50个样品。我国习惯上取5~10个样品。关于取样点位置,在物料处于静止状态下取样时,取样点应尽可能均布在物料的各个位置。如果能在混合物的运动流中取样,则比静止状态下取样所得出分析结果要准确。所以,在条件许可的情况下(如混合时间已经确定),在混合器出口物流中取样的办法好。
  3、 检测
  将取得样品,用化学或物理的方法,测定各组分(尤其是关键组分——示踪物)的含量:
  X。如果样品个数是5,则检测到5个结果:X1;X2;X3;X4;X5。关于检测方法,应由组分的性质,混合的目的和实际条件来决定。
  四、 统计分析
  将上述检测结果,用统计学的方法,进行计算,得出单一的数值,来评估混合物的混合质量,叫统计分析法。
  1. 算术平均值,又称样本均值:X
  X= — Σxi
  式中:n——点样品数(样本大小)
  Xi——第i个样品测得的参数。如质量、含水量、颗粒数等。
  2. 方差:σ2
  σ2 = —— Σ(Xi — X)2
  3. 标准偏差,又称SD(Standard Deviation的缩写):σ
  σ=√σ2 =√——Σ(Xi – X)2
  在20世纪40年代以前,一直用σ来定义(评估)粉体混合质量,σ值越小,混合越均匀。然而,实践表明,这一定义在某些情况下很不,误差较大。英国粉体工程权威N.哈恩贝在其专著“工业中的混合过程”(中国石化出版社1991)说过这样一句话:“……由样品中得到的实践方差(σ2)数值没有多大价值,除非与极限方差值可以关联”。
  4. 相对标准偏差,又称RSD(Relative Standard Deviatio):V
  V有很多种算法,以下仅提供2个常用算法。
  算法1:V= ×100%
  算法2:V= (×100%)
  5、一种简单的定量分析方法
  实践中,囿于检验设备的限制,有时难以实现对混合各组分进行定量分析,这里介绍一种简单的混合均匀度定量分析方法,可用于对混合均匀度进行粗略分析。
  按照上述2中介绍的方法进行取样,要求,取样体积相同,然后对其进行称重,对各取样进行重量比较,并与理论重量进行比较,根据其差值来判断混合均匀度,理论上,当混合均匀时,相同体积的样品,其重量也应一样。
  对各样本与理论重量的偏差按统计分析的方法,计算其不均匀度。
  六、结语
  混合工况和混合效果要求千差万别,所需求的混合设备也是多种多样,从目前的混合装备看,其性能还不能很好适应各种混合工况的要求,因此更为高效可靠的混合设备开发是急需解决的问题,尤其是对少量该粘度液体与粉体的大产量作业混合更是急需攻关的难题。
  混合效果的定量分析也是需要解决的问题,目前多采用的是粗略的分析方法,这是不能适应工业生产的要求的。

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