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    傳統(tǒng)的粉碎技術(shù)能耗高且粉碎效率低，因此，如何從粉碎過程中節(jié)約大量能源的問題一直是人們研究的目標。另外，新材料技術(shù)對超細粉體提出了越來越高的要求，如超細顆粒不僅要有較窄的粒級、較高的純度，而且還要保持顆粒的原始結(jié)晶形狀與表面光澤。高壓水射流粉碎技術(shù)正是應(yīng)這些要求而發(fā)展起來的一門新的超細粉體制備技術(shù)。
    高壓水射流粉碎，簡單地講就是將高度聚能的水射流以一定方式作用在被粉碎的物料上，并在物料的裂隙和解理面中產(chǎn)生壓力瞬變使物料發(fā)生粉碎。由于高壓水射流通常具有極高的速度和高度能量聚集，對被粉碎物料和加載時間短且載荷的能量密度高，加之在粉碎過程中通�？梢孕纬煽栈�作用，因而物料的粉碎方式主要為解理破碎。由于水射流具有良好的解理性，因此采用高壓水射流粉碎，在降低粉碎能耗的同時，還可以制備高質(zhì)量的超細粉體。
    長期以來，人們對傳統(tǒng)的粉碎技術(shù)進行了許多深入的研究，其改進已沒有大的余地。于是人們探索了新的超細粉碎技術(shù)。其中交叉交變料層粉碎、高壓水射流粉碎、超聲波粉碎和熱粉碎被認為是有可能出現(xiàn)在20世紀后期或21世紀的粉碎工程的新的革命。本文著重介紹了高壓水射流粉碎技術(shù)的實驗研究與工業(yè)應(yīng)用，以及在此領(lǐng)域的主要研究成果。
1、高壓水射流粉碎技術(shù)的發(fā)展概況
    超細粉碎技術(shù)是支持高技術(shù)工業(yè)的最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。顏料、醫(yī)藥、催化劑、磁記憶元件、水煤漿、高級磨料等現(xiàn)代新材料技術(shù)的發(fā)展，需要大量粒度極細、純度極高、分布均勻，在某些時候要求其顆粒具有某種特定形狀，以及顆粒表面具有較高光潔度的超細粉體制品。目前，超細粉碎行業(yè)所面臨的問題一是粉碎能耗高，二是當物料顆粒粉碎至微米級與納米級時，不能保持顆粒的原始結(jié)晶形狀與表面光澤，同時由于研磨介質(zhì)的污染，難以得到高質(zhì)量、高純度的超細粉體。這些問題是采用傳統(tǒng)的粉碎技術(shù)所無法解決的。
    發(fā)展高效、低能耗且能制備高質(zhì)量的超細粉體的超細粉碎技術(shù)意義重大。因此，人們致力于開發(fā)出新的粉碎技術(shù)，包括交叉交變料層粉碎、高壓水射流粉碎、超聲波粉碎和熱粉碎等。高壓水射流粉碎以其簡單的設(shè)備結(jié)構(gòu)、良好理解與分離特性，以及清潔、節(jié)能、高效而成為一項新的、獨樹一幟的粉碎技術(shù)，近20年來得到發(fā)展并在工業(yè)中得到初步的應(yīng)用。
    80年代中期，美國密蘇里一羅拉大學巖石力學與爆破技術(shù)中心進行的高壓水射流粉碎試驗表明了這項技術(shù)的應(yīng)用潛力，所進行的實驗涉及木材制漿、廢紙制漿、城市固體垃圾處理以及煤與礦物的粉碎。高壓水射流用于木材制漿的試驗結(jié)果表明，水射流分離木材纖維的質(zhì)量要比用磨碎方法制取的要好得多，用水射流制取的木材纖維要更長，對纖維的完整性造成的破壞要更小。與傳統(tǒng)的木材磨碎工藝相比，由水射流處理單位體積木材所需的能量要少50%或更多。
    用高壓水射流進行廢紙制漿的工藝不但處理量大，而且處理時間短，其比能與傳統(tǒng)方法處于同一水平上。由于水射流的紊動清洗作用，用水射流工藝生產(chǎn)的紙漿可大幅度地減少漂白操作。高壓水射流在城市垃圾處理中的主要優(yōu)勢是可以把高能量的水射流系統(tǒng)設(shè)計成一個可以有選擇地進行粉碎的系統(tǒng)，即通過調(diào)節(jié)水射流的流量和壓力，可使水射流有選擇地切割某些材料而同時不破壞另一些材料，這樣，即可把垃圾中的紙張、紙板，以及其它有機材料粉碎成小片，同時讓垃圾中的無機材料，如玻璃和金屬等完好無損，以利于進一步回收利用與處理。最早出現(xiàn)的高壓水射流粉碎機是密蘇里一羅拉大學研制的雙圓盤水射流粉碎機。
    意大利卡利亞里大學DIMM實驗室研制了旋轉(zhuǎn)水射流粉碎機，并用于礦物的選擇性破碎。破碎的礦物包括重晶石粗精礦、氟碳鈰礦石、鋁土礦等。由于礦石的礦物、巖相、物理機械和結(jié)構(gòu)特點，原礦不宜采用浮選、磁選和重選等傳統(tǒng)的分離方法進行富集，必須對礦物進行選擇性破碎，將其中有用的成分分離出來。普通的磨機磨這些物料時會造成過磨，使下一步的分離成為不可能。試驗證明，水射流粉碎具有良好的解理與分離特性，對礦物的分離非常有效。
    另一種較早投入工業(yè)應(yīng)用的是基于前混合原理研制出來的水射流粉碎機，其典型產(chǎn)品有德國AKW公司、丹麥朗尼公司(APVRASNNIEA/S)和中國礦業(yè)大學研制的高壓均化器，主要應(yīng)用于高嶺土與云母等材料的超細剝片。其特點是首先將被處理的物料與高壓水在一耐壓容器內(nèi)混合共同處于高壓狀態(tài)，然后使混合物以很高的速度通過具有細小間隙的均化閥或螺旋線型噴嘴，由此產(chǎn)生的強大的剪切力和摩擦力使物料均化粉碎。高壓均化器具有很高的能量效率，可把物料粉碎至超細的粒度。但這種水射流粉碎機的問題是設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、造價高、操作程序復雜、不能連續(xù)作業(yè)、每次裝料有限、生產(chǎn)率低、噴嘴容易堵塞和磨損，只適用于粉碎低硬度的物料，因而限制了它的推廣和應(yīng)用。
    近年來人們研制了后混合的水射流粉碎機，這種水射流粉碎機己于1997年投入了制備珠光云母粉的工業(yè)應(yīng)用。后混合式射流粉碎機的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、可以連續(xù)作業(yè)、處理量大，不足之處是物料顆粒與高速水射流無法進行充分混合，從而降低了能量效率。為了改善顆粒與水射流的混合機理，提高能量效率，人們研制了自振式水射流粉碎機。自振式水射流粉碎機具有能量效率高、產(chǎn)量大、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、可連續(xù)工作的特點，在粉碎鐵鱗的實驗研究中取得了良好的效果。
2、用水射流粉碎煤的試驗研究
    在美國“液體”發(fā)電站所用的煤是一種均質(zhì)的、可泵送的煤的懸浮液，要求煤在輸送管線內(nèi)不沉淀，燃燒時符合規(guī)定的燃燒速率，因此原煤必須由“標準動力煤粒度”破碎到粒度為lOUm以下。另外，由于預測的美國可利用的原油儲量及世界原油市場的不穩(wěn)定，因此把煤作為工業(yè)系統(tǒng)和內(nèi)燃機的基本燃料來使用被認為是一個很有現(xiàn)實意義的重要課題，但是煤的使用伴隨著一些問題，特別是煤中含有硫和其它礦物雜質(zhì)的問題。
    密蘇里一羅拉大學進行了高壓水射流粉碎煤的實驗。在加工超細水煤漿的許多研磨方法中，用自動輾磨機獲得的產(chǎn)品最細。這類磨機的優(yōu)點是可以把物料破碎到非常小的粒度（小于lOUm），但每次只能破碎少量的物料。如對于砂磨機，進料粒度必須小于70t/m。這類機器的更大缺點是破碎過程消耗大量能量。例如，使用2#燃料油，把MontanaRosebud煤磨到90%的煤粉的粒度小于4t/m的能耗是1940kW h/t，磨至平均粒度為lOUm的能耗為106kW h/t。采用水射流制備水煤漿的初步試驗取得了比預計大得多的成果，即水射流經(jīng)過一次破碎操作就可以把初始粒度為1英寸(25.4mm)的Mis-soury原煤破碎到1～5um的超細煤粉，其能耗比傳統(tǒng)磨機的能耗要減少一半。
    他們認為：高壓水射流對煤粒的碰撞產(chǎn)生了沖擊波，導致煤粒中微裂隙的形成與發(fā)育，高壓水滲透進這些裂縫，提高了裂縫中的壓力，使裂縫增大，從而在流體壓力作用下，造成煤粒內(nèi)裂縫的拉伸增長而使顆粒粉碎。煤的抗壓強度與抗拉強度的比值大體呈線性關(guān)系，其理論值為8。由于煤在采掘過程中經(jīng)過強烈的破碎，其抗壓與抗拉強度的比值實際在20～30之間。眾所周知，脆性材料的抗拉與抗剪強度都遠遠小于其抗壓強度。因此，將壓縮破碎原理改為拉伸破碎原理會大幅度降低粉碎能耗。
    用水射流制備水煤漿的另一個特點是：由于水射流為聲速或超聲速，且水射流的射束是由無數(shù)小水滴組成，高壓水射流具有極高的能量密度，且其加載時間極短，從微觀上看是無數(shù)個壓力脈沖，物料在水射流的作用下的破壞主要是以脆性破壞為主。因此，水射流粉碎具有良好的礦物解離選擇性，即水射流可以造成不同礦物晶體聚合體之間的解離，這是因為高速液體穿透了晶粒的邊界，使物料內(nèi)部的不同成分更好地分開。
    高壓水射流穿透質(zhì)點邊界上的固有微裂紋還能使上述的物料破碎過程轉(zhuǎn)變成一種選礦過程，即通過具有分選作用的加壓水射流，可使硫化鐵、硅石（二氧化硅）以及其它臟物與煤有效地分開。再者，用高壓水射流制備水煤漿，可以避免由于研磨介質(zhì)造成的污染和加工過程造成的污染，從而進一步提高水煤漿的純度。利用表面活化劑可促使煤進一步粉碎，并能預先處理掉煤的污染物，在配制煤與油的混合液時，可用油射流取代水射流，以取代中間干燥過程。
    在隨后的粉碎煤的試驗中，Mazurkiewicz等研制了雙圓盤式水射流粉碎機，其原理如圖1所示。煤通過一個和圓盤同軸安裝的中心進料管給入。當煤進入由上、下兩個圓盤構(gòu)成的破碎腔時，離心力將煤塊甩向旋轉(zhuǎn)圓盤表面，兩圓盤的相對旋轉(zhuǎn)對顆粒產(chǎn)生一定的機械破碎作用。由電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)射流噴頭噴出水射流，沖擊在煤塊上，產(chǎn)生水射流沖擊粉碎。符合粒度要求的煤顆粒從兩圓盤的間隙射出，大顆粒則在腔內(nèi)進一步粉碎。雙圓盤水射流粉碎機的效率按破碎到200目(75t/m)煤的體積及該過程所需的單位能耗來評價。當煤的給料粒度為8目(2.5mm)時，將煤粉碎到75t/m粒度的最好能耗結(jié)果為62.38kW h/t。
    雙圓盤水射流粉碎機是一種用高壓水射流來輔助機械破碎的磨機，射流原理是純水射流，是一種早期研制的水射流粉碎機。與其它型式的水射流粉碎機相比，其對于水射流能量的利用率較低，機械運動機構(gòu)較多，設(shè)備比較復雜。近年來人們著重發(fā)現(xiàn)的是沒有任何運動部件、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易于操作維護、可連續(xù)作業(yè)、處理量大的水射流粉碎機。
3、用水射流粉碎鐵鱗的試驗研究
    我國生產(chǎn)永磁鐵氧體所用的氧化鐵原料主要為鐵鱗。判斷一種原料能否生產(chǎn)高檔永磁鐵氧體，一是根據(jù)其生成的M相純度，另一個是預燒料晶體形貌。對于鐵鱗，除了其中的以化合物形式存在的Si0，會降低鐵氧體的物相純度外，鐵鱗中混有潤滑油、沙、土等雜質(zhì)，使其成分波動也比較大。在預燒前必須去除這些雜質(zhì)并將鐵鱗磨至于10um以下，才能保證在預燒料中生成的M相物相純度。
    經(jīng)過上述粉碎后的原料經(jīng)過混料、氧化和固相反應(yīng)燒結(jié)，便成為預燒料。預燒料再經(jīng)細磨至1～3t/m的磁粉后，用于生產(chǎn)永磁鐵氧體最終產(chǎn)品。粘結(jié)磁體的性能是磁粉顆粒形貌的敏感量。預燒料的細磨效果直接關(guān)系到磁體最終性能。要獲得高性能的磁性材料，細磨工藝不僅只要求得到合適的粒度，最重要的是要求粒度分布要窄，顆粒尺寸要均勻，在粘結(jié)磁體用磁粉的制備中，還要求對預燒料晶粒形貌的破壞盡量要小。
    永磁鐵氧體生產(chǎn)中的粉碎工藝大都采用球磨機。鐵鱗粉碎的球磨工藝過程如圖2所示。球磨工藝的問題主要有：
    (1)粉碎效率低、能耗高；
    (2)鐵鱗在進入球磨機之前必須經(jīng)過干燥機干燥，這樣就增加了能耗；如果采用晾曬的方法進行干燥，則需占用大面積的生產(chǎn)場地；
    (3)在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中，混在鐵鱗中的雜質(zhì)實際上是無法去除的，這些雜質(zhì)也會同鐵鱗一樣被磨成粉末，影響混料配方的準確性；
    (4)在預燒料細磨工藝中，粘結(jié)磁粉要求保持預燒料的原始結(jié)晶形貌，球磨機用于細磨時對預燒料的原始晶料形狀破壞較大。
    水射流粉碎鐵鱗工藝如圖3所示。與球磨機粉碎相比，水射流粉碎具有如下的特點：
    (1)進入水射流粉碎機的鐵鱗原料不需要進行干燥，從而簡化了工藝流程；
    (2)水射流粉碎機產(chǎn)量高、結(jié)構(gòu)簡單、易于操作與維護、粉碎效率高、能耗低、占地面積小、對環(huán)境無污染；
    (3)由于水射流具有良好的理解性與漂洗作用，可以在粉碎過程本身將混在鐵鱗中的泥沙以及焙燒除油后的積炭有效地分離出去，這一點是其它種類的粉碎機所無法做到的；
    (4)水射流粉碎的產(chǎn)品純度高，可以保持顆粒的原有結(jié)晶形貌。
    水射流粉碎鐵鱗的試驗結(jié)合北京礦治研究總院磁性材料生產(chǎn)基地的球磨粉碎鐵鱗工藝進行，高壓水泵工作壓力為45MPa.流量為75 L/min.鐵鱗原料粒度為0.1～3.0mm，考察指標為200目(75t/m)以下的細粒產(chǎn)率。鐵鱗原料和鐵鱗經(jīng)水射流一次粉碎后的粒度分布如圖4所示。由圖4可知，鐵鱗原料中0～30Um的粒度分布為零，經(jīng)水射流一次粉碎后0～3um的細粒為12.05%，這說明了水射流粉碎機具有很強的超細能力。
    鐵鱗原料的累積粒度分布和鐵鱗經(jīng)水射流一次粉碎后的累積粒度分布如圖5所示。由圖5可知，鐵鱗原料75t/m以下的累積粒度分布的10.06%，經(jīng)水射流一次粉碎后75 t/m以下累積粒度分布為29.66%，是原來的2.95倍，這說明水射流粉碎具有粉碎比大的特點。
    為評價水射流粉碎鐵鱗的效果，球磨工藝與水射流工藝粉碎鐵鱗的幾個主要技術(shù)指標如表1所示。由表1可知，水射流粉碎機的產(chǎn)量是球磨機的6.6倍，能耗僅為球磨機的25%，產(chǎn)品中的雜質(zhì)含量比球磨工藝降低了95%。
4、水射流粉碎云母的工業(yè)應(yīng)用
    云母粉的生產(chǎn)分為干法與濕法兩種。干法生產(chǎn)容易破壞云母的片狀結(jié)構(gòu)，使云母失去表面光澤。因此，干法生產(chǎn)的云母只能用作填料，其經(jīng)濟益也比較低。濕法生產(chǎn)云母粉，由于在云母的研磨過程中加入了水作為介質(zhì)，可較好地保持云母鱗片的晶面光澤，因而可利用性更廣泛，經(jīng)濟價值更高。
    一般稱粒度小于150t/m的云母粉為超細云母粉。超細云母粉用途廣泛，其中價值最高的是珠光云母粉，用作珠光顏料的云母，粒度一般在3～150Um范圍內(nèi)，其中粒度為20～50um的云母顆粒具有最佳珠光光澤。珠光云母粉不僅要求細度，而且要求保持云母天然的片狀結(jié)構(gòu)與表面光潔度，必須用濕法生產(chǎn)。傳統(tǒng)的濕法磨機有輥碾磨、振動磨及攪拌磨等。這類磨機的粉碎方式大都采用壓應(yīng)力粉碎方式，即物料的粉碎是壓力的反復作用下發(fā)生的。因而對云母的摩擦嚴重，也會在一定程度上破壞云母的片狀結(jié)構(gòu)和表面光澤。為了得到高質(zhì)量的珠光云母粉，需要采用新的云母濕法細磨工藝。
    高壓水射流是利用質(zhì)點固有邊界的擴張而導致拉應(yīng)力破碎方式，即物料在高速水射流的沖擊作用下，在顆粒內(nèi)部產(chǎn)生向四方傳播的應(yīng)力波，應(yīng)力波在顆粒內(nèi)部的晶粒交界處反射，在晶粒交界處引起張應(yīng)力，使物料產(chǎn)生卸載破壞。水射流粉碎的這一特點尤其適合于云母的超細剝片，可以制備高質(zhì)量的珠光云母粉。內(nèi)蒙古察右前旗云母制品有限責任公司采用水射流粉碎云母的工藝如圖6所示。與該廠原有的輥磨云母濕法細磨工藝相比，水射流粉碎工藝占地面積小、設(shè)備簡單、操作簡便，由于水射流具有良好的解離性及水射流粉碎機可直接采用水力分級，將雜質(zhì)、粗粒與合格的細粒分離，因而大大地簡化了云母粉生產(chǎn)工藝，提高了云母粉的質(zhì)量。
    下面給出作者于1997年10月在內(nèi)蒙古察右前旗云母制品有限責任公司進行水射流粉碎機現(xiàn)場調(diào)試及指導水射流粉碎云母生產(chǎn)線試生產(chǎn)時所得到的水射流粉碎云母數(shù)據(jù)中的一組。圖7與圖8分別給出了粒度為80目(180t/m)的云母原料，在48MPa壓力下，經(jīng)水射流多次粉碎后的粒度分布與累積粒度分布。由圖7與圖8可知，云母原料經(jīng)多次水射流粉碎，特別是經(jīng)水射流第一次粉碎后，0～30Um的細粒迅速增加，這再一次證明了水射流粉碎具有極好的超細能力與粉碎比大的特點。
    用傳統(tǒng)的碾磨類磨機制備的珠光云母粉，由于在磨機中壓力的反復作用與磨擦，云母顆粒呈中間厚而周邊薄的形狀，表面光澤受到嚴重破壞。用水射流粉碎工藝制備的珠光云母粉(粒度為0～30um)，根據(jù)檢測結(jié)果，具大部分粒度為5～15Um，也有一部分小于5um，全是薄片狀結(jié)構(gòu)，周邊為多邊形，晶面內(nèi)幾乎沒有裂紋和擦痕。用水射流粉碎工藝制備的珠光云母粉，不但粒度比原來的細，光潔度也比原來的高，因而增值幅度很大。
    水射流粉碎制備的珠光云母粉不僅質(zhì)量好，而且工藝簡單、產(chǎn)量大。根據(jù)當時該公司的有關(guān)負責人的計算，與原有輥碾磨濕法細磨云母工藝相比，水射流粉碎機1.5h的產(chǎn)量相當于輥碾磨機一個星期的產(chǎn)量。后來的實踐證明，內(nèi)蒙古察右前旗云母制品有限責任公司采用水射流粉碎工藝制取珠光云母粉取得了很好的效益。
5、結(jié)論與展望
    高壓水射流粉碎是由水射流的高能量沖擊在顆粒內(nèi)部的晶粒交界處產(chǎn)生應(yīng)力波反射而引起的張力來導致物料的卸載破壞。由于水射流的高度能量聚集且水射流速度一般是在一個馬赫數(shù)以上，因此水射流對于被粉碎物料的加載時間非常短且能量高度集中，物料是以解理的方式被粉碎的。因此射流粉碎的主要特點是：
    (1)水射流的節(jié)理粉碎方式可以在大幅度降低粉碎能耗的同時，具有較高的粉碎效率；
    (2)可以避免細顆粒的團聚，對熱敏性物料尤其如此：
    (3)可以很好地保持顆粒的原始結(jié)晶形態(tài)和表面光潔度；
    (4)由于水射流具有良好的解離性與分離特性，可使物料內(nèi)部的不同成分更好地分開，因而可以制備高質(zhì)量、高純度的超細粉體；
    (5)水射流粉碎工藝的占地面積小，對環(huán)境無污染，符合節(jié)能、環(huán)保的要求。
    因此，開展高壓水射流超細粉碎技術(shù)的研究，有可能使超細粉碎技術(shù)在節(jié)能、制備高質(zhì)量的超細粉體并可用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)方面取得重大進展。基于對高壓水射流粉碎技術(shù)的上述認識以及其研究與應(yīng)用所取得的成果，我們有理由相信，高壓水射流粉碎是超細粉碎技術(shù)中新的、最有前途的發(fā)展方向。
    目前，在超細粉體制備行業(yè)，開發(fā)出節(jié)能的、對環(huán)境無污染的、可以制備高質(zhì)量超細粉體的超細粉碎技術(shù)的呼聲日益高漲，這也是科學技術(shù)不斷進步的客觀需要。在中國礦業(yè)大學（北京校區(qū)）力學實驗室，正在開展高壓水射流粉碎試驗研究，旨在開發(fā)出新型的、可以達到工業(yè)化應(yīng)用水平的水射流超細粉碎設(shè)備及工藝。相信在今后在高壓水射流超細粉碎技術(shù)的研究與應(yīng)用上會有新的突破。