CN101676036A - 超声波脉冲射流超细粉碎装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用超声波高频脉冲射流技术(射流包括高压水射流和超音速喷射气流)，进行物料超细粉碎的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其结构主要由超声波发生装置(7)，超声波换能器(10)，超声波探头(12)，高压射流发生装置(1)，(高压水泵或高压气泵)、超声射流喷嘴(13)、进料装置(14)、超声波强力脉冲振荡室(11)、混合腔及加速管(15)和粉碎室(16)等构成，所说的超声波能量转换装置具有一个压电陶瓷电能－机械能转换器和探头构成.其功能是将电能转换成探头上的强力超高频机械振动脉冲.本发明有效的将超声波技术，脉冲振荡技术，高压水射流粉碎，超音速气流粉碎等粉碎技术原理综合利用，显著地提高了射流交换给颗粒的能量效率，强化了脉冲射流对物料颗粒的粉碎作用，提高了物料颗粒的粉碎效率，具有适应面广，能够连续生产，粉碎效率高和节能的特点。

Description

超声波脉冲射流超细粉碎装置

技术领域

本发明涉及一种利用超声波射流技术进行物料粉碎的高效超细粉碎装置，适用于粉体，浆体的制备与分选领域.特别涉及一种利用超声波喷射粉碎原理，结合超音速气流喷射粉碎和高压水射流喷射粉碎原理形成的超声波脉冲射流高效超细粉碎装置.

背景技术

现有用于各工业领域的物料粉碎的超细粉碎装置主要有机械式粉碎磨机，气流喷射磨机和水流喷射磨机三大类.其中气流喷射粉碎方法是目前一种常用的颗粒制备方法，广泛应用于化工，制药，建材等工业领域，在其制备颗粒的过程中，由于没有其他介质存在，只是利用物料之间的相互碰撞而使物料破碎，因此，这种方法也是一种无污染的高纯度颗粒的制备方法，一般均为干式超细粉体制备和分选装置，如日本工程株式会社的”喷射粉碎机”CN1589972A，昆山密友实业有限公司的”深冷中药超微粉碎装置”CN1559377A，以及北京航空航天大学的”采用气流粉碎方法制备高纯纳米颗粒的工艺和装置”CN101049580A，但由于目前一般的气流粉碎装备多是采用较单一的粉碎原理，且存在效率低，能耗大，研磨介质污染等问题.尽管近年来出现的超音速气流喷射磨具有可最小限度地混入杂质，得到高纯度产品且保持颗粒的粒形以及设备简单可靠等特点。且也存在效率低，能耗大等不足.

最近几年，随著粉碎机理研究与高压水射流技术的进展，粉碎技术又出现了一个新的分支，即高压水射流粉碎技术，从而喷射磨也相应出现了一个新的家族水流喷射磨(简称水流磨)，一般也称作高压水射流(超细)粉碎机。就已出现的水流喷射磨来看，主要有以下几个类型：即利用前混合磨料射流开发出来的水流磨(以下称作前混合磨料射流磨)以及利用后混合磨料射流开发出来的水流磨(以下称作后混合磨料射流磨).湿式的高压水射流粉碎技术与装置近几年已开始用于少数工业领域中的超细粉体的制备与分选，例如水煤浆，原盐，云母的制备与分选.

水流喷射磨除了具备气流喷射磨的大多数优点外，其独特之处在于，其效率高，对环境无污染，符合节能环保的要求，采用水做介质，湿法生产，可更好地保护粉体粒子的形状与表面光泽，由于具有一定的粉碎压力(一般为30～70MPa)，因此其粉碎效率与产量远远高于气流喷射，因此被认为是21世纪粉碎工程新的革命.

在现有的两种基本形式的高压水射流(超细)粉碎装置的中，前混合磨料射流是将磨料先和水在高压输水管路中均匀混合成磨料浆水，然后经磨料喷距喷射形成的磨料射流。前混合磨料射流水流磨的典型产品是德国AKW公司，丹麦APVRASNNIEA/S公司和中国矿业大学生产的高压均化器，中国实用新型专利，CN 2132562，Z192218302.3。AKW公司和APVRASNNIEA/S公司的高压均化器的共同特点是利用前混合原理首先将被处理的料浆加压，然后以很高的速度通过具有细小间隙的匀化阀，由此而产生的摩擦剪切作用使物料匀化粉碎。该装置的优点在于待粉碎的物料与高压水流充分的混合，加速效果好冲击作用明显.缺点是需要经常定期的停机，将待粉碎的物料添加到高压罐中，因此不能连续生产，且结构复杂，操作与维修困难.

与前混合磨料射流相比，后混合磨料射流设备结构简单、能连续作业、生产操作简便，缺点就是磨料与水射流的混合效果不如前者.其原理是：待粉碎的物料存在一常压的料仓中，其下端接混合腔，高压水通过喷嘴射入混合腔，靠真空引射作用将物料颗粒吸入射流并使之加速，经加速管加速后打击靶体，导至颗粒粉碎。北京科技大学新近开发出来的高压水射流超细粉碎机(专利号：ZL96200441.3)，和自振式水射流超细粉碎机(CN2345284)，以及中国科学院广州能源研究所的一种脉冲空化水射流超细粉碎装置(CN2510162，和CN1416959A)属于这种装置.

现有的超音速气流超细粉碎装置和高压水射流超细粉碎装置，与传统的冲击式磨机，球磨机，辊磨机，振动磨机等超细粉碎装置相比，在效率和粉体的生产率等方面有较大的优势，但目前这些公开的技术装置由于原理和结构的原因.各自还存在以下各种问题和缺点，粉碎原理单一，待粉碎的颗粒不能抵达射流的中心，加速效果差，水射流冲击靶体后的剩余能量几乎全部浪费，磨料喷嘴容易堵塞或磨损严重，粉碎效果较差，无法形成稳定的脉冲振荡等.

发明内容

本发明的目的是为解决现有气流喷射粉碎和高压水射流粉碎装置的上述不足之处，提出了一种基于超声波技术的，将超声波发生器的超声振动转换成强力超高频机械振动，当该强力超高频机械振动脉冲引入高压水射流或超音速气射流中，它能够给予水射流或气射流每秒数千次到上万次的振荡脉冲(15KH到20KH)，以提供一种非连续，或”子弹束”式的超高频射流束.充分利用高压水射流和超音速气射流的能量及其超声波发生器产生的强力超高频机械振动脉冲的能量，在振荡室内形成稳定的强力脉冲射流.该强力射流脉冲给予待粉碎的物料颗粒超高频水锤打击力，强迫待粉碎的颗粒迅速抵达射流的中心，显著地提高了射流交换给颗粒的能量效率，，强化了脉冲射流对物料颗粒的粉碎作用，提高了物料颗粒的粉碎效率的超声波脉冲射流高效超细粉碎装置.

以水射流为例，理论上，打击目标表面的打击压力为滞止压力，或表示为：

$P_s=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{u}^2$

式中，Ps为水射流的停滞压力，Pa；ρ为水射流密度，N/m；u为水射流速度，m/s。停滞压力作用在颗粒上时会导致颗粒的“压缩粉碎”和“水楔粉碎”。通过对照，由于水锤现象引起的压力为ρCu(其中C表示声音在水中的传播速度，其近似为1524m/s)，所以，通过水射流的高频振动得到的打击力的理论放大倍率为2C/u，如果忽略气阻，在70MPA压力下的水射流，其射流打击速度为375m/s，则打击压力的放大倍率约为7到8倍.

本发明目的是通过以下技术方案来实现的.所设计的超声波脉冲射流高效超细粉碎装置主要由产生和传输高频电脉冲的超声波发生装置，超声波换能器，超声波探头，射流发生装置，(高压水泵或高压气泵)、超声射流喷嘴、进料装置、超声波强力脉冲振荡室、混合腔及加速管，粉碎室及基座等组成。来自射流发生装置(高压水泵或高压气泵)的高压水或高压气通过喷嘴转化为高速水射流或超音速气流，与超声波能量转换装置和探头产生的超声波在混合及振荡室进行能量交换形成强力超高频机械振动脉冲射流，并在混合室产生高真空，将进料装置的颗粒物料吸入混合室并在超声波脉冲振荡射流中进行充分的超高频强力振荡碰撞，在此碰撞过程中，由于超高频振荡水锤作用(振荡频率一般为15到20KH)，水楔或气楔作用，以及摩擦剪切作用会导致顆粒的强力粉碎.混合加速管将形成的物料颗粒脉冲振荡射流再次加速，然后该高速强力脉冲振荡颗粒射流再次以形成多股携带物料颗粒的超高频机械振动脉冲射流相对强烈冲击碰撞进行第二次粉碎。

其特征在于所说的射流，优选地，可以是高压水射流，也可以是超音速气射流，

所说的超声波换能器是由一压电陶瓷或磁至伸缩(GMM)材料制成的超声波换能器，并加工成管状芯型，该换能器将超高频电脉冲转换成超高频机械振动脉冲，并强制与射流共生成”子弹束”的超高频脉冲射流.

超声波换能器具有用于冷却换能器的压缩空气和压缩空气软管，以及超声波信号电缆以连接超声波发生装置和超声波换能器，

所说的超声波探头是由高强度不锈钢或钛合金制成的阶梯圆柱形，

所说的超声波强力脉冲振荡室是由，射流进口(19)，超声波探头(12)，调节定位器(17)，稳流器(18)，混合振荡腔(20)，射流喷嘴(13)等构成，在此振荡室，完成能量交换以形成强力超高频机械振动脉冲射流.

所说的混合腔及加速管，由进料口(14)，混合振荡腔(20)，混合腔和加速管(15)等构成，待粉碎的物料颗粒经由进料口(14)在混合振荡腔(20)被超高频机械振动脉冲射流强力吸入混合腔并进行第一次粉碎，同时经加速管(15)加速并在超高频脉冲振动的强制打击下，进入射流中心.

所说的粉碎室具有两个或多个超声射流喷嘴环绕构成.喷嘴相对设置，其相对而置的喷嘴之间具有一定的距离，该距离为2倍的靶距，以形成多股携带物料颗粒的超高频机械振动脉冲射流相对碰撞，从而实现物料的高纯，高效，超微粉碎.

所说的靶距，(靶距是两个超声射流喷嘴出口之间的距离的1/2倍)是可调的，对于不同的射流压力，超声波频率，以及不同的颗粒材料，粒度.具有不同的最佳靶距，以使物料颗粒产生最佳的打击效果，本发明所提供的靶距调节装置是通过旋转混合腔和加速管(15)上的调节螺母(21)来调节最佳靶距的，并由锁紧螺母锁定最佳靶距.

超声射流喷嘴，该超声射流喷嘴包括用于将高频电脉冲转换成强制流经喷嘴的射流的超高频机械振动，从而产生脉冲”子弹束”的水射流或气射流，该喷嘴具有用于高效粉碎的旋转喷嘴或多个出口孔的喷嘴，

本发明与现有的水射流粉碎装置和气流粉碎装置相比有如下优点：

1.由于超高频的脉冲振荡，有效的避免了超细颗粒的团聚。

2.具有较高的粉碎效率，降低粉碎能耗。

3.粉碎装置结构简单，对环境无污染，能连续生产，易于推广应用。

4.可根据不同的待粉碎的物料特性，可通过调整振动频率，靶距等，从而达到较好的粉碎效果。

5.充分利用超声波高频振荡产生的水锤作用和射流打击，剪切等作用，对待粉碎的物料颗粒进行高效多次粉碎。

附图说明

以下结合附图对本发明的实施方式的结构细节作进一步的详细说明：

图1是本超声波脉冲射流高效超细粉碎装置的粉碎系统实施方案及流程示意图；

图2是本超声波脉冲射流高效超细粉碎装置的超声波换能器、超声波强力脉冲振荡室、超声波探头、稳流器、超声射流喷嘴、混合腔及加速管装置的结构剖视图。

如图1所示，本超声波脉冲射流高效超细粉碎装置由高压射流发生装置(1)(高压水泵或高压气泵)、蓄能器(2)、单向节流阀(3)、压力调节阀(4)、高压射流管路(5)、冷却气泵(6)、超声发生器(7)、超声信号电缆(8)、压缩空气软管(9)、超声波换能器(10)、超声波强力脉冲振荡室(11)、超声波探头(12)、超声射流喷嘴(13)、进料装置(14)、混合腔及加速管(15)和粉碎室(16)等组成.

高压射流发生装置(1)将普通水或空气压缩形成高压水射流或高压气流，通过高压管路(5)引入超声波强力脉冲振荡室(11)，在高压管路中设置了蓄能器(2)以稳定系统压力，单向节流阀(3)以避免物料颗粒回流到高压射流发生装置.超声发生器(7)通过电功率输入供给动力，产生20KHZ的高频电脉冲，并通过超声波换能器(10)和超声波探头(12)将超高频电脉冲转换成超高频机械振动脉冲，在超声波强力脉冲振荡室(11)中，超高频机械振动脉冲与高压射流进行能量交换后通过超声射流喷嘴(13)形成强力超高频振荡脉冲射流，并在混合室(20)中产生高真空，将进料装置(14)的颗粒物料吸入混合室并在超声波脉冲振荡射流中进行充分的超高频强力振碰撞，在此碰撞过程中，由于超高频振荡水锤作用(振荡频率一般为15到20KH)，水楔或气楔作用，以及摩擦剪切作用会导致顆粒的强力粉碎.混合腔及加速管(15)将形成的物料颗粒脉冲振荡射流再次加速，然后该高速强力脉冲振荡颗粒射流再次与另一股携带物料颗粒的超高频机械振动脉冲射流相对强烈冲击碰撞进行第二次粉碎。

如图2所示，超声波强力脉冲振荡室中的稳流器(18)为由射流进口(19)，超声波探头(12)，调节定位器(17)，混合振荡腔(20)，射流喷嘴(13)等构成，在此振荡室，完成能量交换通过超声射流喷嘴(13)以形成强力超高频机械振动脉冲射流.混合腔及加速管(15)，由进料口(14)，混合振荡腔(20)，混合腔和加速管(15)等构成，待粉碎的物料颗粒经由进料口(14)在混合振荡腔(20)被超高频机械振动脉冲射流强力吸入混合腔并进行第一次粉碎，同时经加速管(15)加速并在超高频脉冲振动的强制打击下，进入射流中心.

Claims (12)

1、一种超声波脉冲射流超细粉碎装置，包括超声波发生装置(7)，超声波换能器(10)，超声波强力脉冲振荡室(11)、超声波探头(12)，超声射流喷嘴(13)、高压射流发生装置(1)(高压水泵或高压气泵)、进料装置(14)、混合腔及加速管(15)和粉碎室(16)等.

2、根据权利要求1所述的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其特征在于所说的超声波换能器(10)为压电陶瓷或磁至伸缩材料制成的超声波换能器，

3、根据权利要求1所述的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其特征在于所说的超声发生装置(7)和超声波换能器(10)是由超声波信号传输电缆(9)和压缩空气软管(8)连接，

4、根据权利要求3所述的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其特征在于所说的超声波信号传输电缆(9)是穿行在压缩空气软管(8)之内的，以保护其不受外来杂物损伤，

5、根据权利要求4所述的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其特征在于所说的组合式超声波信号传输电缆(9)和压缩空气软管(8)中的压缩空气的压力是由装有压力继电器的气泵(6)监控，一旦压缩空气软管(8)受损而压力下降，系统则自动停机，以保护超声波信号传输电缆(9)不受外来杂物损伤，以及防止超声波换能器(10)过热，

6、根据权利要求1所述的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其特征在于所说的超声波强力脉冲振荡室(11)，由超声波探头(12)、联结器(17)、稳流器(18)、射流进口(19)、振荡腔(20)等组成，

7、根据权利要求6所述的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其特征在于所说的超声波探头(12)是由钛合金材料制成，

8、根据权利要求1所述的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其特征在于所说的超声波喷嘴(13)是由钛合金材料制成，角度优选为15到25度之间.

9、根据权利要求8所述的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其特征在于所说的超声射流喷嘴(13)，具有两个或多个喷嘴环绕相对设置，以形成多股携带物料颗粒的超高频机械振动脉冲射流相对碰撞，

10、根据权利要求1所述的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其特征在于所说的粉碎室(16)为圆柱状，以利于在其周边布置两个或多个相对设置的超声射流喷嘴，

11、根据权利要求10所述的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其特征在于所说的粉碎室(16)和混合腔及加速管(15)之间设有用于调节靶距的调节螺母(21)，

12、根据权利要求1所述的超声波脉冲射流超细粉碎装置，其特征在于所说的高压射流发生装置(1)，可以是高压水泵、也可以是高压气泵，以产生高压射流，水压优选为35到70Mpa，

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