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粉体加工技术
第一讲 绪论
粉体工程（粉体加工技术）：
是一门在掌握超细粉碎理论基础上，以超细粉碎设备结构及工作原理、超细粉碎工艺流程为主要学习内容的课程。
一 非金属矿产及加工利用简介
1非金属矿产发展
非金属矿产：
是指金属矿产和燃料矿产以外，自然产出的一切可以提取非金属元素或具有某种功能可供人们利用的、技术经济上有开发价值的矿产资源。
（因此类矿产大多不是以化学元素，而是以有用矿物为利用对象，所以亦称为工业矿物与岩石。
）
在人类发展过程中，非金属矿产起了决定性作用。
古代：
石器（工具） 陶器 青铜器（金属） 非金属矿产受挫
近代：
技术的进步和材料结构的多元化，促使了非金属矿产地位不断上升。
从科学技术角度看：
已进入信息时代
从矿产资源利用看：
进入一个以非金属资源为中心的综合开发时代。
（50年代开始，世界非金属矿产产值已经超过金属矿产产值，发达国家非矿产值超过金属矿产2~3倍。
）
我国非金属矿产发展情况
我国是世界上最早利用非金属矿产的国家之一。
但是近代由于封建制度的闭关自守及帝国主义国家列强的侵略掠夺，我国的非金属矿产发展落后于西方发达国家。
我国已发现有经济价值的非金属矿产有100多种，是世界上品种齐全、储量丰富的少数国家之一。
储量居世界前列的非金属矿产有：
石膏、石墨、滑石、膨润土、石棉、萤石、重晶石等
储量在世界上有重要地们的非金属矿产有：
高岭土、硅藻土、沸石、珍珠岩、石灰石等。
非常具有发展潜力的非金属矿产有：
硅灰石、长石、凸凹棒石、海泡石等。
80年代开始我国非金属矿产日益受到关注（非金属在世界市场走俏）近十几年来我国非金属矿产出口增长，已成为出口创汇的一个重要方面。
但我国非金属矿产加工技术――比较落后
出口的非金属矿产产品种类――原矿和初级产品
（许多工业部门和人们日常生活所需的非金属矿深加工产品还需进口，有的甚至是我们出口的原矿或初级产品加工而成。
）
2非金属矿产开发利用新趋势
从目前国内外非金属矿产开发利用的特点，可反映出如下几个趋势：
（1）已开发的老品种，其利用范围和开发深度不断扩大。
体现形式――大部分矿种已不限于一两个工业部门的少数用途，老矿种的新特性新功能不断被发现并得到利用（如高岭土）。
（2）新开发的新矿种不断出现，且许多新矿种在应用方面表现出独特性能。
（3）由直接利用非金属矿原料或粗加工产品（选矿精矿及粉料产品）向深加工及制成品方向扩展。
（4）人工合成非金属矿物和天然非金属矿资源的综合利用，也愈来愈受重视。
总之，随着科学技术不断进步和社会需求的多样化，单纯利用非金属矿物原料或选矿粗加工产品，已在很多方面不能适应市场的发展需要，非金属矿产的深加工也成为非金属矿行业发展的必然趋势。
所以，为适应市场和科学技术发展需要，非金属矿矿产发展方向应为：
非金属矿矿产发展：
向高纯化、超细化、功能化、多品种、多系列方向发展。
非金属矿企业发展：
向集团化的综合加工方向发展。
3非金属矿深加工的主要内容
各类矿产的应用特点
金属矿产：
通过冶炼提炼出其中的金属元素 这两类矿产都是以改变矿物原料
燃料矿产：
利用并通过热化学反应提取其中的的化学结构来达到其利用目的。
热能或有机化学组分。
非金矿产：
绝大部分是利用其固有的技术物理性能，或利用其加工以后形成的物理特性及物理化学性能。
材料工业的三大支柱：
无机非金属材料、金属材料、有机高分子材料
无机非金属材料：
利用某些矿物原料加工成其有某种功能、能被人们直接利用的材料。
1）非金属矿产加工利用阶段
在开发利用非金属矿产资源途径中，最简单的是直接利用（砂、石、粘土和经选矿提高了利用层次和经济价值的产品），但其本质仍是一种原料（制取某种材料的原料）。
如果要将采出的非金属矿产加工成经济价值高的各类功能性材料，要经过如下几各加工阶段。
（1）初加工
非金属矿产初加工――指传统的矿物加工方法对矿物或岩石进行破碎、磨矿、分级以及有用矿物的分选或富集。
初加工的任务：
为材料工业部门提供从颗粒粒级上或有用矿物品位上都合格的原料矿物。
（2）深加工
非金属矿产深加工――将经过采选粗加工后的原料矿产，根据用户或制品对其技术物理性能及界面性能的要求，再进一步进行精细加工的过程。
（深加工相对初加工的加工处理程度而言）
非矿深加工产品特性：
经深加工的矿物已不在是一种原料，而是具有某些优异性能可供直接利用的材料。
具体体现在：
●保持了原料矿物的单一材料性与固体分散相特征。
●矿物与化学成分不发生根本改变
●所被利用的技术物理特性与界面化学性能有质的飞跃
●有时会发生局部晶层构造变异与表面化学性能改变
经深加工的产品在性能上己远不同于初加工的产品，其固有的天然矿物性能己发生质的变化（进行深加工的主要目的）。
例：
膨胀珍珠岩或蛭石、煅烧高岭土、活性白土、轻质碳酸钙（PCC）等。
窑CaCO3+（heat）CaO+CO2 （生石灰）
轻质碳酸钙生产方程式：
熟化器CaO+H2OCa（OH）2+热 （熟石灰）
反应器Ca（OH）2+CO2CaCO3+热
重质碳酸钙（GCC）（方解石、白云石）直接超细粉碎加工得到的碳酸钙粉体产品。
轻质碳酸钙特点：
结构或晶体形态可选；凝聚程度可选；粒度分布窄---可以为某一特定用途“度身定做”。
2）非金属矿深加工的主要内容
（1）精细提纯 主要是指采用化学选矿等方法的提纯；
（2）超细粉碎 包括具有特殊结构矿物的剥离及超细分级；
（3）矿物改性与改型 化学处理改性、界面处理改性、热处理改性；
（4）特殊机械加工 矿物（或岩石）切、磨、抛、雕等工艺。
二超细粉体技术研究的内容、作用及发展趋势
1超细粉体技术的研究内容及范畴
1）超细粉体的定义
超细粉体技术是近几十年来发展起来新技术，其名词解释和基本概念尚无统一的定义。
超细定义：
UltrafineSuperfineVaryfine
粒径范围：
<100μm<30或<10μm<1μm国外通用<3μm
我国定义：
超细超微超细微粒径；<3μm或<10μm；
<100μm或<300μm100%小于<30μm定义。
李凤生
按粉体粒径大小又分为：
微米级1μm~30μm；《超细粉体技术》
亚微米级0.1μm~<1μm；
纳米级0.001μm~<0.1μm
细粉10μm~1000μm；传统的粉碎和磨粉设备加工
超细粉0.1μm~10μm；超细粉碎设备加工郑水林
超微细粉0.001μm~0.1μm；难以完全用机械粉碎方法加工，《超细粉碎》
需采用其它物理化学方法加工
超细粉碎：
一般将加工0.1μm~10μm的超细粉体粉碎和相应的分级技术称超细粉碎
2）超细粉体涵盖的相关技术
制备技术；分级技术；分离技术；干躁技术；输送、混合与均化；表面改性；粒子复合；粒度及性能检测；制造及储运过程中的安全、包装与运输，应用等技术。
由于粒度级别不同造成粉体材料的性质和相关技术有很大差别，又可分为：
微米技术；亚微米技术；纳米技术。
3）所涉及的学科领域
化工；材料；医药；生物工程；食品；军工；航天；电子；机械；力学；物理；化学；光学；电磁学；机械力化学；液体力学；空气动力学。
2超细粉体在国民经济中应用
超细催化剂------可使石油解裂速度提高1~5倍
油漆、涂料、染料------高附着力、高性能
1）化工领域造纸、 橡胶------增强、增光、抗老化（碳酸钙、氧化钛）
化纤、纺织------提高光滑度（加入氧化钛、氧化硅）
日用化工-----化妆品、牙膏等（应用最早的行业）
医药细化------提高吸收率（超微钙）
2）生物、医学 亚微米及纳米级针剂
保健品细化------提高吸收率
超硬、抗冲击材料-----陶瓷粉、硬塑（重量轻）
超细氧化剂、炸药-----燃烧速度提高1~10倍
3）军事、航空、电子、航天等领域超细氧化铁粉-----高性能磁材料
超细氧化硅------高性能电阻材料
超细石墨-----高性能显象管和电子对抗材料
3超细粉碎技术发展、现状及趋势
1）发展简史
超细粉碎是随着现代科学技术发展而兴起的一门跨学科、跨行业的高新技术，同时也是老的粉碎技术的新发展和新的应用。
超细粉碎技术发展于上世纪60~70年代。
压碎机
粉碎技术发展16世纪----19世纪中叶新概念磨机很多种类破碎机至今仍在应用
研磨机
粉碎工艺不断改进
20世纪70年代至今超细粉碎技术逐步完成并趋于完善
新设备不断延生
（1）超细粉碎设备的发展
超细粉碎技术发展初期，着重粉碎技术和设备的研究开发。
70年代前，只能粉碎到325目，而现代工业需要多为500~1250目，更高者甚至要求亚微敉或纳米级，因此要求不断推出新的超细粉碎设备。
美、德、前苏联相继研制出新型气流粉碎机、高效搅拌研磨机、高速冲击式粉碎机、冷冻粉碎机等数十种新型粉碎设备。
近年来发展起来的超细粉碎机有：
行星式球磨机、振动球磨机、搅拌球磨机棒机等。
针对一些特殊性能的材料，新研制出砂磨机、剥片机、胶体磨机等。
（2）粉体分级技术的研究与发展
由于现代科学技术的不断发展，应用部门对超细粉体提出的要求越来越高（粉体细、粒径分布窄）。
而机械粉碎方法加工出来的粉体粒径分布一般较宽，为满足用户要求，须对粉体进行分级处理。
16世纪以前就出现以筛分为代表的分级技术，但筛分对超细粉体则无能为力。
70年代开始，随着新型超细粉设备的延生，分级技术也有了飞跃性发展。
到目前为止，分级方法有两种，干式和湿式。
干式分级极限在微米级，湿式分级可达亚微米级。
超细粉体分级机的主要类型：
叶轮式、涡流式、漩流式、碟式、卧螺式等。
分级机使用方式：
单元操作使用和组合使用。
多用粉碎机与分级机组合使用，其优点是：
可提高系统产量，避免物料过粉碎，同时可降低能耗和成本。
2）超细粉体技术发展趋势
由于超细粉体技术是一门跨学科跨行业的新兴技术，今后发展就集中在如下几个方面：
（1）超细粉体制备
（2）超细粉体性能研究
（3）超细粉体应用究
对于超细粉体制备技术，主要在于研究更新的制备原理、方法和设备，其主要目的在于：
●能制备出粉体粒度更细、分布更均匀、分散和表面性能更优的粉体产品；
●设备生产能力大，产量高、能耗低、耐磨性好、使用寿命长；
●工艺简单、生产连续、自动化程度高、产品质量稳定。
3）今后研究的主要任务
超细粉体性能研究。
可望通过粒子设计对粉体进行改性或复合处理，使其达到理想性能。
4）今后研究的主要内容：
超细粉体的应用，重点放在拓宽超细粉体在国民经济中应用领域和拌随出现各种问题。
开拓超细粉体新的应用领域进而引起某些技术领域的技术革命或变革是超细粉体同时也是非金属矿行业是否有生命力的关键。
三 授课内容及相关参考资料
1 授课内容
颗粒粒径及颗粒形状
1）粉体颗粒的几何特征 颗粒粒度测量方法
粉体摩擦特性
2）粉体特性 颗粒断裂与破碎
超细粉体制备方法介绍
3）超细粉体粉碎技术 超细粉体制备常用设备（工作原理、设备结构）
超细粉碎设备工作参数
分级的主要目的和原理
4）超细粉体分级技术 常用分级方法介绍
常用分级设备（工作原理、设备结构、主要参数）
5）超细粉碎工艺 超细粉碎工艺流程
超细粉碎工艺实例
2 使用的教材及参考资料
教 材：
《超细粉碎》 郑水林 编著 中国建材出版社
参考资料：
《粉体加工技术》 卢寿慈 主编 中国轻工业出版社
《超细粉体技术》 李凤生 主编 国防工业出版社
《矿物加工颗粒学》 曾凡等 编著 中国矿业大学出版社
《破碎筛分设备选用手册》 唐敬麟 主编 化学工业出版社
《超细粉碎分级技术》盖国胜主编中国轻工业出版社
3授课安排课堂授课：
44学时实验：
16学时
作业：
1回答下列问题：
什么叫非金属矿产？
各类矿产的应用特点是什么？
什么叫超细粉碎？
研究超细粉体制备技术的主要目的是什么？
第二讲 颗粒的表征
一 颗粒概述
1颗粒与颗粒体
颗粒：
描述物料细分状态的个别物理单元叫颗粒（或颗粒是物料的离散单元）。
自然界中大部分固体物质都是以颗粒状态存在（土壤、泥沙、尘埃、谷物、面粉、糖、盐、矿砂、药丸、煤粉、涂料等等）。
颗粒体：
大量颗粒的集合体
粉 体：
由大量细小颗粒组成的集合体（1mm以下、英国）
2颗粒分类
1）按颗粒成因分类――自然粒体 工业粉尘 人工颗粒
自然粒体――由自然力作用而成
作用方式――风化、冲击波、火山爆发
颗粒类型――石英粉砂、泥沙、火山灰
工业粉尘――工业生产活动中某些生产环节所产生的污染粉尘
产尘形式――燃烧、矿石采掘、破碎、运输、掺合等
粉尘类型――细粉扩散到大气中
人工粒体――人工方法制造的粒体（各工业部门的产物（产品）
颗粒类型――精矿粉、水泥、奶粉、食糖、各种填料、涂料和化肥等
2）按颗粒大小分类
颗粒大小分类表
粒限（µm）
＋500
500~100~75
75~10
10~1~0.1
-0.1
粒级
粗粒
中粒
细粒
亚超细粒
超细粒
加工工艺
破碎
粗磨
细磨
超细粉碎
化学法
观察手段
肉眼
放大、显微镜
电子显微镜
二 颗粒的几何特征
颗粒的几何特征主要指颗粒的大小、外形、表面积等。
对于粉体颗粒来说，颗粒的大小最为重要。
实际中，常用颗粒在空间中所占的线性（一维）尺寸表示颗粒的大小。
相应地，表征颗粒尺寸的就是物料的粒度和其分布特性，它在很大程度上决定颗粒加工的工艺性质和效率的高低，是选择设备及进行过程控制的基本依据，所以，仅对物料的应用而言，粒度是最主要的指标之一。
1粒径和粒度
粒径：
对于单个颗粒来讲，某种表示其大小的“线性长度”叫粒径。
粒度：
在多颗粒系统中，颗粒的平均值大小称粒度。
粒径是表示一个颗粒的大小，而粒度是一组颗粒大小的总体概括，单一粒径在实际应用中是不存在的，因此习惯上将粒径和粒度通用。
2粒径的种类
由于超细粉体是多颗粒系统（各种粉体、液滴、气泡群等），其形状千变万化，用来表示其大小的粒径也不一样。
粉体颗粒形状有较规则的球形体和正立方体，但多数为非球形和正立方体的不规则体。
对于球形和立方体来说，直径和边长就可认为粒径，但对不规则状的粉体来讲，立方体边长，长方体长和等效球体径都可作为其粒径。
2.1轴径
三轴径：
在笛卡尔坐标系中，一个不规则颗粒的三维空间最大尺寸外接长方体的各边长度，为该颗粒的三轴径。
（相当每边都与其相切的长方形盒子中，长方体三个边 长
、宽
、高
）。
由轴径计算的各种平均径
序号
计算式
名称
物理意义
1
长短轴平均径
二轴平均径
平面图形上的算术平均值
2
三轴平均径
三轴算术平均值
3
三轴调和平均径
与外接长方体比表面
各项相同球体直径
4
二轴几何平均径
平面图形上几何平均
5
三轴几何平均径
与外接长方体体积相同
的立方体的一条边
6
三轴等表面积平均径
与外接长方体表面积相同
的立方体一条边
2.2投影径
在用显微镜观察颗粒粒径时，由于颗粒的最大稳定度（重心最低）总量处于最低平面，所以观察到的是颗粒的最大投影面积，因此，可按其投影的大小定义颗粒粒径，由于颗粒的不规则和不确定性，投影径在如下几种：
1）二轴径：
颗粒投影的外接矩形长和宽。
2）Fetret（弗雷特）径：
与定方向颗粒投影相切的两条平行线之间的距离；记作
。
3）Martin（马丁）径：
在一定方向上将颗粒投影面积分为两等份的直径；记作
。
4）Krumbein（定方向最大径）：
在一定方向上颗粒投影的最大长度；记作
。
5）Heywood（投影面积相当径）：
与颗粒投影面积相等圆的直径；记作
。
6）投影周长相当径：
与颗粒投影周长相等圆的直径；记作
。
显然，对于不规则颗粒，在显微镜下所测得的各种粒径与颗粒的取向有关，但当测量的颗粒数目很多时，因取向所引起的偏差大部分可以互相抵消，所得到的结果是很多颗粒粒径的统计平均值。
因此投影径也可称为统计平均径。
2.3当量直径
形状规则的颗粒可以用某种特征线段来表示其大小（直径、棱长等），由于矿物颗粒形状具有广泛的不确定性，其真实粒径不易确定，因此常用一些同体积的规则物的特征线段作为不规则颗粒“相当粒径”，亦称当量或演算直径。
当量直径：
通过测定某些与颗粒大小有关的性质，推导出与线性量纲有关的参数。
（如利用某种方法测得一不规则颗粒的体积，再计算出该体积球的直径，则所计算出的直径就是该颗粒的一种直径，“球“当量径）。
不同当量直径特征表
名 称
符号
公 式
物理意义或定义
体积直径
与颗粒具有相同体积的圆球直径
面积直径
与颗粒具有相同表面积的圆球直径
体积面积直径
与颗粒具有相同外表面积和体积比的圆球直径
沉降速度相当径
层流区（
）颗粒的自由落直径
注：
――颗粒沉降速度
――介质粘度
――颗粒密度
――液体密度
2.4筛分径
颗粒可通过的最小方筛孔宽度
三 粒（径）度分布
由于所研究的粉体是多颗粒系统，如果整个颗粒系统全为粒径相等颗粒，则颗粒系统叫：
单粒度体系：
颗粒系统的颗粒全部相等的颗粒系统。
多粒度体系：
颗粒系统中粉体由不同粒径的颗粒组成。
粒径（粒度分布）：
用简的表格、绘图或函数形式来反映出粒度群体中各种颗粒大小及对应关系，称为粒度分布（状态）。
用颗粒的特征尺寸（线性、面积、体积）和总量（个数、面积、体积）可完整的表示出粒度群体颗粒状态。
所以，特征尺寸称粒度变量，总量称总体数量。
粒度分布表示方法有列表法、作图法和函数法。
1列表法
列表法：
将粒度分析所得到的原始数据及由此计算出的相应数据列成可供粒度分析的表格。
原始数据内容：
粒度区间、各粒级质量、面积、体积及颗粒数等。
优点：
通过列表方法简单反映出各粒级分布情况，找出主导粒级、各粒级频度和累积含量等，同时也是其它表达方法的基础资料。
缺点：
数据量大时列表麻烦，表中的数据不连续，不能马上读出表中未列出的数据。
（此种方法是粉体粒度分析中最常用方法）
例：
在某一组粉体样品中，已知样品总量N（个数/质量）、某一粒度值或大小的范围（
）和与之对应样品数量n，则某一粒度值或大小的范围样品产率（频率）用如下公式表示：
粒度分析综合数据表
粒度
粒度
范围
区间间隔
平均
粒度
颗粒数
相对频率
负累积
频 率
正累积
频 率
0
0.0~1.0
1.0
0.5
0
0.00
0.00
100.0
1
1.0~2.0
1.0
1.5
5
1.67
1.67
98.33
2
2.0~3.0
1.0
2.5
9
3.00
4.67
95.33
3
3.0~4.0
1.0
3.5
11
3.67
8.34
91.66
4
4.0~5.0
1.0
4.5
28
9.33
17.67
82.33
5
5.0~6.0
1.0
5.5
58
19.33
37.00
63.00
6
6.0~7.0
1.0
6.5
60
20.00
57.00
43.00
7
7.0~8.0
1.0
7.5
54
18.00
75.00
25.00
8
8.0~9.0
1.0
8.5
36
12.00
87.00
13.00
9
9.0~10.0
1.0
9.5
17
5.67
92.67
7.33
10
10.0~11.0
1.0
10.5
12
4.00
99.67
3.33
11
11.0~12.0
1.0
11.5
6
2.00
98.67
1.33
12
12.0~13.0
1.0
12.5
4
1.33
100.0
0.00
合计
300
2作图法
作图法：
在直角坐标系中用矩形或曲线图方法将粒度分布情况表示出来。
常用来表示粒度分布的图形有矩形图、
频率分布函数图和累积分布函数图。
2.1矩形图法
作图方法：
在直角坐标系中，以粒度范围
为长度在横坐标轴上做矩形底边，以各级
频率（颗粒数、百分含量或单位长度频率
为矩形的高作平行于纵坐标轴的矩形。
优点：
可一目了然地看出各粒级的变化及
主导级别等情况；
缺点：
非连续分布，缺少各粒级范围内的
信息，不能完整地反映整个粒群的
粒度特征。
2.2函数曲线图法
2.2.1微分分布曲线图（频率分布图）
当所提供的物料粒度级别多，粒级间隔足够小时，连接矩形图每一个矩形顶边的中点，可得到一条光滑曲线，这条曲线既为该粒群的微分分布曲线（频率或密度函数曲线）
粒度的微分分布曲线表示的是各个粒径相对应的百分含量。
物理意义：
微分粒度区间（D到
）颗粒所占的数量——产率。
2.2.2积分分布曲线图（累积分布图）
将一种粒度到另一种粒度间各级产率相加，也就是通过积分求和方法得出密度函数：
上式中
称为粒群粒度分布函数，反映粒群函数的图线称为该粒群粒度分布函数图（累积分布曲线）。
表示小于或大于某指定粒度的累积产率的百分数。
负累积分布曲线：
小于某指定粒度的累积分布曲线（
）
正累积分布曲线：
大于某指定粒度的累积分布曲线（
）
3函数表示法
函数法：
用数学方法将物为粒度数据归纳、整理并建立能反映物料粒度分布规律的数学模型——粒度特性方程。
粒度特性方程便于进行统计分析，数学计算和应用电子计算机进行复杂分析运算。
粒度特性方程可以表现：
粒度分布情况、通过解析方法可以求出各种平均径、比表面积、单位质量颗粒数等。
到目前为止，粒度特性方程均为经验式，上世纪20年代以来，人们已提出数十种特性方程，在矿物加工中最常用的有3种。
1）盖茨（Gates）高登（Gaudin）舒兹曼（Schutzmann）yy粒度特性方程（GGS）
式中：
F（D）——筛下物（负累积产率）；%
Dmax——物料中最大粒度
D——粒度
m——分布模数（与材料性质、设备性能有关）
鄂式破碎机、辊式破碎机及棒磨机细粒级产品符合该方程，球磨机产物近似符合。
2）罗辛（Rosion）——拉姆勒（Rammler）斯波林（Sperling）、本尼特（Bennett）
称RRSB方程。
式中：
R（D）——筛上物（正累积产率）；%
F（D）——筛下物（负累积产率）；%
D——粒度
De——临界粒度（R（D）=36.8或F（D）=63.2时对应的粒度
n—分布模数（均匀系数，表示粒度范围宽窄）
四 平均
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