化工机械研制胶体磨的应用方法研究

吴敏 王怡然

摘要：胶体磨是一种用于粉碎原料的设备，具有很多性能优势，常常被应用于化学工艺生产中。文章具体阐述了胶体磨设备结构、工作原理、化工机械研制方法，以及化工研制胶体磨在乳化炸药、沥青改性等化学工程与工艺中的具体应用。

关键词：胶体磨;结构;原理;应用

中图分类号：TQ437文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）11-0020-04

胶体磨是一种可以将具有一定湿度的大颗粒原料粉碎形成微小粉末的常用设备。这种设备最早是在国外发明并使用的，20世纪70年代末被引进到国内并得到了广泛的应用。传统的干法粉碎要求物料中的含水量小于4%，但一般空气干燥基煤样中含水量都超过5%，而湿法研磨时物料中的含水量可以达到50%，且可克服粉尘飞扬、氧化程度严重和自燃等问题。因此，我国引进胶体磨并对该设备进行了改进和优化。目前，胶体磨已经在食品、药品、化妆品、日用品、化学工艺、印刷、涂料、油漆等多个领域得到了应用。本文将介绍胶体磨的基本结构及原理，并就其在乳化炸药、沥青改性等化学工程与工艺中的具体应用方法进行研究。

1化工研制胶体磨的方法

1.1胶体磨的结构

图1为目前化学化工生产中常用的胶体磨，不论是何种型号的胶体磨，其主要部分都包含以下4个部分：①磨机结构部分：由电动机、磨体、联轴器和底座等组成;②冷却部分：由冷却水箱、冷却泵、压力表、温度表、阀门和管路等组成;③润滑结构：由润滑泵、油箱、散热装置、压力表、温度表、阀门和管路等组成;④控制部分：由电器元件和控制软件组成。

图1中胶体磨对应的截面结构如图2所示。由图可知，胶体磨的主要构件包括料斗、固定板、三旋板、气动马达、胶体磨机身等。胶体磨机主要由动力部件、执行机构和控制阀三部分组成。其中料斗主要用于原料的投放以及混匀;固定板主要用于将料斗与胶体磨机身固定起来，使结构更加稳定;旋转板位于料斗与固定板之间，在气动马达的轴驱动作用下研磨水泥浆;因此，料斗、固定板和旋转板都属于执行器。气动马达的动力部分通过高压胶管与高压源连接，最后马达由高压空气驱动。控制阀在图中未标出，它的主要作用是改变水泥泥浆的流动方向。

1.2胶体磨的工作原理

胶体磨的工作原理主要是利用转子与定子之间具有细小的间隙，通过间隙将物料研磨粉碎。目前常用的胶体磨一般是采用转子与定子均为开有槽形缺口的双层齿圈形式卧式的结构，其具体结构如图3和4所示。当胶体磨工作时，物料经过转子以很高的转速旋转，在定子与转子的间隙被研磨粉碎，最终研磨得到的物料自动从定子的竖直方向排出，研磨的工作室如图5所示，胶体磨的动盘结构如图6所示。首先，我们将物料放进料斗混合均匀，然后物料在重力作用下竖直掉进转子、定子的间隙，那么物料就会受到间隙的挤压。这时在发动机的作用下，转子会产生很大的加速度，使物料受到的来自转子与定子的剪切力和推动力都增大，除了这些作用力之外，又因为定子和转子之间的小间隙加上转子的超大加速度会形成高剪切区，所以在剪切力、推动力等的协同反复作用下，进人间隙中的固体物料经过高速剪切、挤压、撞击多个连续工作室被研磨粉碎，从而使物料在胶体磨工艺中实现被混合、分散和粉碎的目的。

1.3胶体磨的化工研制设计

1.3.1工作室组数的选取

针对某化工厂对固体试剂颗粒大小和工艺的要求，所投入法物料只需要经过胶体磨作用粉碎后达到粒径要求，就可以直接得到成品，不需要进行筛分。工厂产品合格要求：投人物料的平均粒径约6mm，經过胶体磨作用后的成品粒径92%在5um以内。基于此，为了保证产品合格率，但又尽可能节约成本，我们选取了4组如图5所示的工作室进行组装，使进入胶体磨的物料出来后能够达到工厂对产品的要求。

1.3.2转子线速度的选取

在胶体磨对物料进行研磨粉碎过程中，物料主要受到粒子间相互撞力、与胶体磨之间的摩擦力、转子高速旋转产生的剪切力等作用。要想提高研磨的效果，就需要使物料受到是这些作用力都增大，其中最为有效的方法是提高转子的线速度。但是在实际生产中除了考虑尽可能提高效率，我们还应该考虑机器的使用寿命，如果线速度过大，会使胶体磨超负荷运转，导致胶体磨定子与转子的磨损，造成经济损失。因此，选取线速度时需要在保证合格率的情况下尽可能提高胶体磨的使用寿命。胶体磨的线速度一般为13～40m/s。我们通过多次线速度的测定试验，最后选取的线速度为25m/s，因为在这个速度下经过胶体磨的作用后得到的产品能够满足工艺要求，并且在这个线速度下胶体磨的磨损较小。

1.4胶体磨的性能测试

我们对最终研制出的胶体磨进行了性能测试，随机选取了14组物料样品进行研磨得到产品，并胶体磨研磨前后粒径进行测试，测试结果如表1所示。从表中结果可以看出，除了第一组中胶体磨研磨后粒径比5um稍大之外，其他各组的粒径均符合产品要求。除此之外，我们还对选取的线速度对转子、定子磨损的影响进行了探究，最终结果如表2所示。我们对转子和定子使用前后的厚度进行检测，计算出差值并记录在表2中，由表可知当我们选取线速度为25m/s时，胶体磨磨损较小甚至没有磨损。

2化工研制胶体磨的应用

2.1化工研制胶体磨在乳化炸药中的应用

根据多年的研究结果可知乳化炸药的性能不仅仅受到原料和配方比例的影响，还与炸药的生产工艺有很大的关系。生产乳化炸药必不可少的一个工序就是乳化，炸药的乳化过程所用的设备为胶体磨。胶体磨具有很多优异的性能：能够将固体粉碎得到几个微米甚至更小的产品;能使物料混合均匀，均匀度高达95%;能够将产生的乳化物分散，因此生产得到的乳胶很细腻，稳定性较高，能够长期保存。由于胶体磨生产得到的乳胶性能优异，因此被广泛应用于化学生产工艺中。

胶体磨是进行高效乳化的常用设备，它具有众多优势：体积较小、出产率高、设备操作简单易学、设备维护比较方便等。但是乳化炸药的生产工艺与其他化学品不同，因此不能简单将胶体磨应用于乳化炸药直接生产。造成乳化炸药工艺特殊性的原因有：①乳化炸药配方水相油相比例大，一般水相与油相比例为（96-93）：（4-7），因此在进胶体磨之前的油、水相如果混合不均匀，就无法保证形成100%油包水基质;②直接乳化最容易造成胶体磨乳化过程中等重力或压力击穿。为了适应乳化炸药对乳胶基质的要求，采用预乳和精乳的两级乳化方案是成功利用胶体磨的最佳途径。这里我们将胶体磨应用于乳化炸药的生产，采用的是半连续式生产工艺。

如图7所示为胶体磨在乳化炸药中的应用流程图。设计乳化炸药的生产工艺流程时，预乳器选用的是普通的间断式乳化罐，这种乳化罐可以将油和水两相进行初步混合，形成粒径约为40um的油包水的粗乳小液滴，然后在泵的作用下推入到胶体磨中，进行进一步粉碎和均匀成乳。国内很多乳化炸药生产厂都是利用这种工艺流程。影响这种乳化工艺的因素很多，主要有油水的比例、乳化的温度、时间以及液体流速等。由于在粗乳由泵抽人到胶体磨，再经胶体磨作用形成精乳的过程有明显间断，因此在实际生产过程中应该适当提高油水两相的温度。通常，水相温度应该控制在120-125℃，油相温度应该控制在108-113℃，当然具体的温度设定还要根据具体的油水两相的比列来调整。在乳化罐中形成的粗乳并不是很均一，因此在加入油水两相的物料后需留5min左右的时间让粗乳均化，同时粗乳的线速度不宜过大，以免破坏油包水的结构。当粗乳进入胶体磨后，胶体磨转子与定子之间的间隙，转子的转速都会对产品造成影响，如果间隙和速度不合适，很容易破坏粗乳的结构，产生破乳现象。

利用图7的工艺流程进行乳化炸药的生产，设备需求少、操作简单，不仅可以解决油、水比例不当的缺点，同时还能利用这种半连续的生产方式提高最终乳胶基质的质量。但是实际生产中也存在一些问题，由于是半连续性的工艺，因此不能进行自动化处理，那么就需要更多的人力，因此产出率相对较小。

2.2化工研制胶體磨在沥青改性中的应用

随着我国公路建设迅猛发展与改性沥青技术在公路建设上的广泛采用，公路建设部门对改性沥青技术指标要求不断提高，这里提到的改性沥青是指高分子聚合物改性沥青。胶体磨研磨的方法是沥青改性的主要方法之一，该方法可以将与沥青混合的改性剂在胶体磨的作用下粉碎成小颗粒，使其与沥青的接粗面积增大，从而提高沥青改性速度，同时改性剂均匀的分散在沥青中还可以降低沥青的敏感度，使软化温度和生韧温度都有所改变，从而实现对沥青的改性。

如图8所示为胶体磨在沥青改性中的应用流程图，以SBS改性沥青加工为例，首先将SBS沥青混合溶液通过泵的作用从进料口泵入胶体磨的定动盘中，然后，经过多次研磨粉碎，从而完成沥青的改性，最后将产品装入成品罐中储存。

3结语

胶体磨具有粉碎性能强，产出的产品混合均匀度高，设备操作简单等优异的性能，被广泛应用于化工工艺生产中。文章具体阐述了胶体磨设备结构、工作原理、化工机械研制方法，以及化工研制胶体磨在乳化炸药、沥青改性等化学工程与工艺中的具体应用。研究表明化工研制胶体磨在乳化炸药、沥青改性等化学工程与工艺中具有明显优势。