粉體混合原理及常見(jiàn)工藝難題

尹長(zhǎng)軍

摘 要：文章闡述了粉體混合的機(jī)理和影響混合的主要物理特性。總結(jié)了粉體混合在實(shí)踐過(guò)程常見(jiàn)的工藝難題，并對(duì)如何解決進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：粉體混合；顆粒；機(jī)理；影響因素

中圖分類號(hào)：TQ027.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）25-0070-02

混合是將不同物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的顆粒在空間上分布均勻的過(guò)程[1]，是兩種以上的固態(tài)粉體物料在外力的作用下，其不均勻性降到最低的過(guò)程[2]。如對(duì)粉末冶金生產(chǎn)而言，粉體混合質(zhì)量將直接影響粉末冶金零件的內(nèi)在質(zhì)量。

1 混合的機(jī)理

粉末混合的方法和所用的設(shè)備不一樣，混合的效果肯定不一樣，但是混合機(jī)理是基本相同的。

（1）擴(kuò)散混合：粉體小規(guī)模分層擴(kuò)散移動(dòng)，在外力作用下分離的粉體移動(dòng)到不斷展現(xiàn)的新生層面上，使各組粉體在局部氛圍內(nèi)擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)分布均勻。

（2）對(duì)流混合：粉體大規(guī)模的隨機(jī)移動(dòng)，粉體在外力作用下產(chǎn)生類似流體的運(yùn)動(dòng)，粉體從物料的一處移至另一處，使粉體在大范圍內(nèi)對(duì)流實(shí)現(xiàn)均勻分布。

（3）剪切混合：對(duì)粉體物料團(tuán)內(nèi)進(jìn)行剪切，在外力的作用下粉體間出現(xiàn)相互滑移現(xiàn)象，形成滑移面，使局部的粉體不斷被剪切實(shí)現(xiàn)均勻分布。以上三種混合原理雖各有不同，但是共同的本質(zhì)則是施加適當(dāng)形式的外力使混合物中各種組分粉體產(chǎn)生相互間的相對(duì)位移，這是發(fā)生混合的必要的條件。

不少學(xué)者把粉體混合的各個(gè)階段大致用圖1來(lái)標(biāo)示[3]。從圖中分析得出，粉體混合的第Ⅰ階段表現(xiàn)為宏觀整體混合很快，為對(duì)流混合；第Ⅱ階段的混合速度有所減慢，是對(duì)流和剪切的共同作用階段；第Ⅲ階段時(shí)，粉體的混合均勻度在某一值上下波動(dòng)，表明粉體的混合與分離相平衡，粉體處于微觀階段，為擴(kuò)散混合階段[4]。

由于粉體本身的物化性質(zhì)不同、設(shè)備結(jié)構(gòu)與操作條件的不同，實(shí)際生產(chǎn)中粉體的混合過(guò)程是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，不僅可能三種混合方式同時(shí)存在，而且混合的常常伴隨著粉體顆粒的分離。

（4）混合的隨機(jī)性：以粒度相同的兩種等量物料固體A和固體B混合為例，如A與B的密度相同，在理論上似可輕易達(dá)到完全的混合狀態(tài)，只要使A和B相互交錯(cuò)排列，即達(dá)到完全的理想的混合。若A是B的2倍的量，則必須有2個(gè)A粒子與一個(gè)B粒子排列在一起。若A與B的密度不同，B為A的2倍，就必須1個(gè)A與2個(gè)B并列。這樣，絕對(duì)的均化在工業(yè)生產(chǎn)中就不大可能出現(xiàn)了，那么最佳的混合狀態(tài)就是無(wú)序的不規(guī)則排列，一般認(rèn)為混合的過(guò)程就是一個(gè)“隨機(jī)過(guò)程”，也稱“概率混合”，其所能達(dá)到的最佳程度稱為隨機(jī)的完全混合。

2 影響粉體混合的主要物理特性

物料粉體所具有的形狀、粒徑及粒度分布、裝填密度、表面性質(zhì)、休止角、流動(dòng)性、含水量、粘結(jié)性等都會(huì)影響混合過(guò)程，從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其中最具有影響力的是裝填密度、粒徑和流動(dòng)性。

（1）粉體裝填密度。包含松裝密度和振實(shí)密度，是研究粉體的一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)特征值。實(shí)際應(yīng)用中一定數(shù)量的粉體堆積密度是介于松裝密度和振實(shí)密度之間的。因此，要考慮松裝密度與振實(shí)密度兩個(gè)因素的影響。

（2）粉體粒徑。表示顆粒的平均尺寸，絕大多數(shù)粉體形狀都是不規(guī)則的，本文所指的粒徑是在假設(shè)粉體形狀是規(guī)則的前提下，用粉體直徑來(lái)標(biāo)示。根據(jù)現(xiàn)有粉體理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，粉體越細(xì)，越不容易混合均勻。

（3）粉體的流動(dòng)性。一般情況下，粉體流動(dòng)性越好，混合進(jìn)程進(jìn)行的就越快。粉體實(shí)際流動(dòng)時(shí)，通常用堆粉角和崩潰角標(biāo)示，如圖2所示。只有流動(dòng)性不好的粉體才會(huì)有崩潰角的產(chǎn)生。

3 常見(jiàn)混合工藝難題探討

（1）流動(dòng)性差的粉體。在實(shí)際工作中，我們經(jīng)常會(huì)遇到流動(dòng)性很差的粉體，根據(jù)實(shí)踐觀察，堆粉角≥40°的粉體，要混合均勻就變得十分困難了。依靠只有料桶運(yùn)動(dòng)的混合設(shè)備達(dá)到均勻混合的目的幾乎是不可能的，延長(zhǎng)混合時(shí)間也很難做到。

改善方法：由于流動(dòng)性不好，粉體不易分開(kāi)，因此在混合時(shí)需要強(qiáng)制攪拌手段，使用帶有攪拌葉片的混合機(jī)，克服由于流動(dòng)不好帶來(lái)的混合難度。

（2）輕重粉不易混合難題。例如：在調(diào)味料混合中要把較重的鹽粒和較輕的辣椒粉混合均勻，根據(jù)現(xiàn)有粉體液態(tài)化模型可知，比重輕的辣椒粉一直漂浮在容器的上方，難以混合均勻。

改善方法：選用雙運(yùn)動(dòng)混合機(jī)，如圖3所示。由于雙運(yùn)動(dòng)混合容器轉(zhuǎn)動(dòng)與內(nèi)部葉片轉(zhuǎn)動(dòng)在同方向進(jìn)行，但是轉(zhuǎn)速不一致，這樣葉片就會(huì)裹挾漂浮于上方的輕粉進(jìn)入主體重粉中，從而使輕粉得以均勻的混合。

（3）超細(xì)粉不易混合難題。超細(xì)粉通常指1000目以上的粉體，當(dāng)一種粉體細(xì)小到一定程度時(shí)，他外部的物理特征就會(huì)發(fā)生巨大的變化，原來(lái)不會(huì)漂浮的變得會(huì)漂浮，并極易出現(xiàn)團(tuán)聚，形成假顆?，F(xiàn)象，極難混合均勻。

改善方法：降低設(shè)備運(yùn)動(dòng)速度，盡量避免超細(xì)粉的漂浮運(yùn)動(dòng)；選用雙運(yùn)動(dòng)混合設(shè)備，將漂浮在容器上方的超細(xì)粉壓入主體粉中；裝料時(shí)，物料裝到混合機(jī)器容的80～85%，減少超細(xì)粉漂浮的可能性，增加粉體的壓力，有利于葉片剪切的效果。

（4）添加微量元素的粉體。在食品、醫(yī)藥等行業(yè)中，產(chǎn)品往往會(huì)添加對(duì)質(zhì)量起關(guān)鍵作用并且特別貴重的微量元素。微量元素一旦聚集在容器死角或混合不均勻，就會(huì)造成產(chǎn)品報(bào)廢。

改善方法：針對(duì)易聚集在料桶死角的難點(diǎn)，需采用料桶可以運(yùn)動(dòng)的混合設(shè)備，避免死角的產(chǎn)生；針對(duì)微量元素添加極少和主體粉流動(dòng)性不好的難點(diǎn)，采用帶有強(qiáng)制剪切攪拌功能的混合設(shè)備，避免粉體流動(dòng)性不好的難點(diǎn)。同時(shí)采用逐次增量的混合方法來(lái)解決，不斷稀釋微量元素，達(dá)到混合均勻的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，粉體混合已經(jīng)發(fā)展成為一門跨學(xué)科，垮行業(yè)的綜合性極強(qiáng)的技術(shù)科學(xué)，他的應(yīng)用遍及材料、冶金、食品、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域。粉體對(duì)象成千上萬(wàn)，而且個(gè)體特性復(fù)雜，因此粉體混合是個(gè)比較龐雜而困難的工作。期待在不久的將來(lái)，可更深刻地揭示混合過(guò)程中粉體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，達(dá)到更好的混合效果和更高的混合效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]German. Pow der Met allurgy Science.New York ：Chemical Publishing Co.Inc，1995

[2]孫楠，秦家峰，張錫兵，等.粉體混合原理及混合質(zhì)量分析[J].機(jī)電信息，2012，14：42.

[3]趙洪義.綠色高性能生態(tài)水泥的合成技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：139-141.

[4]葉濤.多組分粉體混合過(guò)程的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.endprint