CN102740998B - 粉末颗粒整形设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粉末颗粒整形设备，包括可随外部压力变化而变化于多种形态之间的封闭腔体，所述封闭腔体在形态的变化过程中挤压并移动充满在其内部的所述粉末颗粒。还涉及一种粉末颗粒整形方法，包括步骤：a.将待整形的粉末颗粒充满于封闭腔体中；b.对所述封闭腔体施加变化的外部压力使其反复变化于多种形态之间，以使所述粉末颗粒受到挤压而移动和摩擦。本发明对于粉末颗粒整形加工力度的可控性强，加工强度稳定，适用于各种粉末颗粒的整形及粉碎，也可以用于对分散团块进行粉碎和进一步的整形处理。

Description

粉末颗粒整形设备和方法

技术领域

本发明涉及粉末（或称粉体）颗粒形貌调控，特别是一种粉末颗粒整形设备和方法。

背景技术

粉末颗粒的形貌调控是对粉末颗粒的外形表面进行有预期目的的加工处理，以实现粉末颗粒单体或整体的特殊功能，是粉体工程的内容之一。相对球形化的粉末颗粒可提高粉末的振实密度、填充密度和流动性等，如水泥粉颗粒的球形化可提高水泥性能，金属油墨颗粒球形化可增加反光度，提高印刷质量，球形化的铜粉、石墨、锡粉在其特定的应用领域显示了优越性；对粉末颗粒进行整形也是提高某些产品最终性能的中间环节。此外，它也可以作为粉末颗粒改性加工的辅助方法。

粉末表面整形或形貌调控有多种途径，机械的传统整形方法通常采用碾压、辊轧、球磨、振磨（即振动研磨）的方式。碾压是将粉末置入一环形槽内，由受驱动的圆形压辊围绕中心轴转动对堆积粉末进行碾压。辊轧是使粉末团块落入相互平行并具有一定间隙的轧辊间粉碎和整形。球磨是将粉末与硬度大且耐磨的研磨球按一定比例混合后放入滚桶中，滚桶沿轴旋转，滚桶内的研磨球在桶体旋转过程中被举高然后落下，从而使粉末受到冲击并使颗粒之间相互受力和摩擦。振磨方式与球磨方式相似，区别在振动桶体是沿单一方向以一定频率往复运动，从而使研磨球对粉末颗粒进行冲击与研磨。近来也有清华大学专利,描述了一种采用高速击打、剪切的方式对粉末进行球形化或形貌调控的方法和设备。

不论是碾压、辊轧还是振磨、球磨，它们的局限在于：被加工粉末或与研磨介质的混合体在有效的被加工阶段存在与空气接触的部分，即存在“开放”或“部分开放”的情况，在粉末颗粒受作用期间，压力或冲击力会得到释放或部分释放。对于相对“较软”或“较硬”的粉末颗粒，由于加工处理的绝对力度有限，难以达到预期效果和期望的效率。此外，非循环式球磨与振动研磨都存在研磨球与被加工粉末的分离问题，并且随着研磨球的不断消耗，加工强度将发生变化，这给加工工艺带来不确定性。而且，噪声问题、带动设备机体与研磨球振动或转动的能耗浪费问题都是难以克服的。这些缺陷中，最主要的是加工力度可控性受限。

发明内容

本发明的主要目的就是针对现有技术的不足，提供一种加工力度可控性强、加工强度稳定的粉末颗粒整形设备和方法。

为实现上述目的，本发明提供一种粉末颗粒整形设备,包括可随外部压力变化而变化于多种形态之间的封闭腔体，所述封闭腔体在形态的变化过程中挤压并移动充满在其内部的所述粉末颗粒。

优选地，所述封闭腔体具有自外部延伸到其内部的活塞式结构，所述活塞式结构包括至少两个独立作用的活塞。

为实现上述目的，本发明还提供一种粉末颗粒整形方法，包括以下步骤：

a.将待整形的粉末颗粒充满于封闭腔体中；

b.对所述封闭腔体施加变化的外部压力使其反复变化于多种形态之间，以使所述粉末颗粒受到挤压而移动和摩擦。

优选地，所述封闭腔体具有自外部延伸到其内部的活塞式结构，所述活塞式结构包括至少两个独立作用的活塞，所述步骤b包括：

在维持所述封闭腔体内部压力的情形下，对所述至少两个独立的活塞分别施加不同的压力，使得一部分活塞向所述封闭腔体内部压入而另一部分活塞被向外顶起，再反之，持续多次循环，直至达到粉末颗粒整形要求。

根据本发明设备及方法，通过封闭腔体的形变，典型地，通过控制外力的作用，导致构成封闭腔体的若干活塞或类似活塞组件的组合动作，使充满腔体内的粉末颗粒受到挤压等作用，同时腔体空间及其中粉末颗粒相对位置发生变化。由于被加工物料被封闭于腔体内而无法被释放，使得粉末颗粒在受到全方位挤压、剪切等作用的同时发生颗粒间的相互摩擦，从而去除颗粒表面棱角、毛刺，达到对粉末颗粒粉碎、整形或球形化的目的，实现对腔体内粉末颗粒形貌的调控。

区别于传统的高速冲击、剪切方式的“冷加工”，本发明能维持被加工物料原有性状，同时较好地克服了其它粉末处理方式例如碾轧、球磨、振磨方法的缺点，提高了对加工效果有影响因素的控制，特别是提高了处理力度的可控性，在粉末颗粒受作用的期间，不存在“开放”或“部分开放”的情况，将压力或冲击力一直维持在稳定有效的水平。

本发明相对于传统的方案加工可控性强，对被加工对象适应性强（对于颗粒度大小、硬度等），还可节约空间，提高效率，降低噪声污染与能耗。此外，本发明可用的设备材料选择广泛，具有经济性，在达到既定加工目标的同时，能够实现自动化规模化生产。本发明既可作为粉末颗粒整形或球形化的较优选择，也能够有效地对粉体进行强制粉碎或深度研磨。

前述已经相当广泛地阐述了本发明的特征和技术优势，以便能够更好地理解本发明的详细描述。本发明的其它特征和优势将在以下描述。本领域技术人员应该理解，披露的概念和具体实施例可以很容易地被使用作为基础用来修改或设计其它结构以完成本发明的相同目的。本领域技术人员也应该认识到，这种等同的构造并没有偏移本发明的精神和范围。被认为是本发明特点的新颖性特征，其结构和运作方法，以及进一步的目的和优点，从以下的描述并结合附图将被更好地理解。但是，应该深刻地认识到，提供的每个特征都仅是为了描述和说明，而不是意在限制本发明的定义。

附图说明

图1a至图1c为本发明粉末颗粒整形设备一种理想情况的实施例的形变示意图；

图2为本发明粉末颗粒整形设备另一种实施例的结构示意图；

图3为图2所示粉末颗粒整形设备在一种受力状态下的动作示意图；

图4为图2所示粉末颗粒整形设备在另一种受力状态下的动作示意图；

图5为本发明粉末颗粒整形设备又一种实施例的结构示意图；

图6和图7为图5所示粉末颗粒整形设备在初始处理阶段使容器内获得压一定压力的示意图。

图8为图5所示粉末颗粒整形设备在一种受力状态下的动作示意图；

图9为图5所示粉末颗粒整形设备在另一种受力状态下的动作示意图；

图10为图5所示粉末颗粒整形设备整形完毕后撤出活动组件的示意图；

图11为图5所示粉末颗粒整形设备整形完毕后倾倒物料的示意图。

具体实施方式

以下通过实施例结合附图对本发明进行进一步的详细说明。

如图1a-图1c所示，该实施例示出了本发明的基本原理。

如图1a所示，若粉末颗粒整形设备采用一封闭的理想弹性腔体，将粉末颗粒包裹于该弹性腔体内。初始状态，粉末颗粒仅受到因包裹力而受到挤压。对该腔体上下施加相等压力,该弹性腔体将产生横向水平变形（甚至膨胀），由球形变成如图1b所示的椭球形。如图1c所示，当外力撤除时，该弹性腔体恢复到原来形状。

在这一循环过程中,腔体内不同部位的粉末颗粒将受到多方位的挤压；与此同时，由于腔体变形（或体积也有变化），将发生位于其中的相邻粉末颗粒间因相对移动而产生的摩擦、剪切，尽管挤压与磨擦程度因处于腔体不同位置（如图1b中的A、B、C三点）的差异而有不同。粉末颗粒的处理效果取决于外层弹性包裹力以及外部压力导致的变形幅度、速度等，而这些都可以加以控制。

基于上述原理，若满足以下条件，则可以以不同于上述弹性腔体的实施例来实施本发明：

1）可模拟弹性腔体的变形；

2）使腔体内作用力可调节；

3）相对于被加工物料（粉末颗粒或与其它介质的混合体），组件材料具有可靠性、耐用性。

典型地，一个粉末颗粒整形设备包括构成封闭腔体的若干可独立动作的组件，控制若干组件的组合动作，会挤占腔体内被加工粉末占有的空间，使充满腔体内的粉末颗粒（或与辅助介质的混合体）承受挤压力等作用。控制与粉末颗粒接触的组件的动作和状态，可使腔体内粉末颗粒在一定挤压力下产生相对移动，改变腔体空间及其中粉末颗粒的相对位置，从而产生粉末颗粒间的持续挤压和摩擦。

可改变与粉末颗粒接触的组件的数量并且控制它们的状态，如通过控制这些组件上的力以及这些组件的移动、移动方向或使组件本身转动、变形，使腔体内粉末颗粒所占空间（大小、形状）、以及粉末颗粒之间相对位置发生变化，从而发生持续的颗粒间的相对移动和相互作用。这些组件上的力是可控制的预设外力，这种外力使粉末颗粒所受挤压力得以调节，从而能控制挤压和摩擦力度。

封闭腔体内附加搅动装置是较好的，这可使腔体内粉末颗粒受到同等均匀一致的处理。

在一种优选的实施例中，封闭腔体具有自外部延伸到其内部的活塞式结构，该活塞式结构包括至少两个独立的活塞。

应说明，本文中的术语“封闭”，是指腔体的配置能阻止被处理的物料发生对加工有实质性影响的外流。例如，对于前述的优选实施例以及下述的更优实施例，如果颗粒表面是较粗糙的，适当控制活塞动作的速度，则即使缸体不完全封住也可进行有效的加工处理。

如图2至图4所示，在一个更优的实施例中，封闭腔体包括缸体105和以活塞方式装配在所述缸体105上的第一至第三活塞组件101～103，所述第一活塞组件101的活塞运动定位在第一方向上（图中的竖直方向），所述第二活塞组件102和所述第三活塞组件103的活塞运动相对地定位在第二方向上（图中的水平方向），所述第一方向和所述第二方向大体上垂直。更优选地，所述封闭腔体还包括安装在所述缸体中的搅拌器104。各组件接触面光滑，在整个加工循环过程中均保持刚性，当然，起活塞作用的第一至第三活塞组件101～103以及搅拌器104与缸体105相对于被加工物料是密封的。

以下描述采用上述实施例的设备对粉末颗粒进行有效整形处理：

1、如图2所示，初始状态下，将物料封闭地置于缸体105内，缸体内维持一定压力，优选在缸体内尽可能没有空气。

2、如图3所示，当被加工物料受到有效作用并满足P1>P>P2时（P1为第一活塞组件101受到的外部压力，P为缸体内部的反抗力，P2为第二活塞组件102受到的外部压力），第一活塞组件101在P1作用下下行，缸体内物料颗粒受到挤压但已没有释放压力的空间,又由于物料颗粒传递压力P，P作用于与缸体内物料颗粒接触的第二、三活塞组件102、103，使第二、三活塞组件102、103分别克服P2而向外移动。

在该过程中，缸体内物料颗粒在承受着压力的同时,因组件的相对移动，容纳物料颗粒的空间产生变化，因此物料颗粒被迫进行移动以适应这种变化，而这种移动会因物料颗粒在缸体内不同位置（如图3中的A、B、C三个位置）的差异而不同。由于缸体内物料颗粒间是连续接触的，这样就存在移动方向、移动速度的差异，因此颗粒既受到了挤压又受到了摩擦等有效作用。

3、如图4所示，当组件移动到一定程度时，改变各活塞组件上的压力，使之满足P2>P>P1,则第二、三活塞组件102、103向缸体内移动并将第一活塞组件101顶起，返回到起始位置，完成一个处理周期。在此过程中，缸体内的粉末颗粒同样受到包括压力以及剪切力、摩擦力在内的作用。

优选地，为使此缸体内颗粒受到同样一致的处理，在上述2、3的处理过程中同时使用搅拌器104对物料颗粒进行搅拌。

4、根据需要，对上述2、3的处理循环执行，持续多次，直到达到一定的颗粒整形要求。

以上设计是利用了本发明的原理，对弹性腔体这一实施例的作用进行了近似模拟。第一活塞组件101的动作对应于“原理”中的上下外力，第二、三活塞组件102、103的作用相当于使腔体具有可变的“弹性”，在有效作用期间，容纳被加工物料的这些组件构成的封闭腔体空间发生实际变化，腔体内粉末颗粒被强制流动，又因为第一至第三活塞组件101～103维持有外部压力，因此腔体内保持压力，而外部压力P1、P2可人为调节，从而使被加工物料受到可控压力下的摩擦等作用。

需要说明，尽管处理与加工的最终对象是粉末颗粒单体，但加工实际是直接作用在这些相互接触的单体粉末颗粒或与其他介质组成的群体或部分群体上。有效作用或有效处理是指被加工粉末颗粒受到重力以外的其它力的作用而导致所受挤压、摩擦等作用。

如图5至图11所示，另一个更优的实施例中，封闭腔体包括一端开口的筒状容器1和封闭住容器口的外活动组件2和内活动组件，所述外活动组件包括以活塞方式套设在所述筒状容器1和所述内活动组件之间的中空圆柱体，所述内活动组件包括以活塞方式套设在所述外活动组件2中的圆柱体。更优选地，所述内活动组件包括第一活动组件3和第二活动组件4，所述第一活动组件3为以活塞方式套设在所述外活动组件2和所述第二活动组件4之间的中空圆柱体，所述第二活动组件4以活塞方式套设在所述第一活动组件3中的圆柱体。

以下描述采用上述实施例的设备对粉末颗粒进行有效整形处理：

1.如图6和图7所示，将外活动组件2和内活动组件从容器口压入筒状容器1，它们相对于被处理物料形成密封腔体，继续下行，直至使充满物料的腔体内具有一定压力。

2．调整各活动组件上压力的大小，使各活动组件相对动作，同时保持腔体内压力不低于一定大小，且该压力在保持一定大小的基础上可以是变化的。如图8所示，对外活动组件2施加较大的压力，而对第一活动组件3和第二活动组件4施加较小的压力，使得外活动组件2向腔体内压入而第一活动组件3和第二活动组件4被向外顶起。对第一活动组件3和第二活动组件4施加的外部压力可以相同或不同，例如对第二活动组件4施加的外部压力更小。

3.如图9所示，仍在保持腔体内部压力的情形下，对第一活动组件3和第二活动组件4施加较大的压力，而对外活动组件2施加较小的压力，使得外活动组件2被向外顶起而第一活动组件3和第二活动组件4向腔体内压入。对第一活动组件3和第二活动组件4施加的压力可以相同或不同，例如对第二活动组件4施加的外部压力更大。

4.根据需要，对上述2、3的处理循环执行，持续多次，直到达到一定的颗粒整形要求。为使粉末颗粒得到均匀一致的处理，可增加搅动装置。

5.如图10和图11所示，处理完毕后，将筒体上的活动组件撤离，而经整形的物料被倾倒出。

在一些实施例中，本发明的设备还可加装冷却装置，以使摩擦热量耗散，不会改变被加工粉体性状。

在又一些实施例中，本发明的设备也可加装保温装置，以在保温状态下工作，这适用于需在一定温度下加工的粉末。

体现本发明原理的设计不限于上述实施例，可以增加组件数量以及改变各组件的尺寸、形状以及操作动作（包括旋转、组件移动方向、组件本身变形等）以增加腔内粉末颗粒之间相对移动的几率，能充分发挥本发明的优势，提高工作效率和效果，增强其适用性。

本发明同时还提供了粉末颗粒整形方法，该方法包括以下步骤：

a.将待整形的粉末颗粒充满于封闭腔体中；

b.对所述封闭腔体施加变化的外部压力使其反复变化于多种形态之间，以使所述粉末颗粒受到挤压和摩擦。

在优选的实施例中，所采用的封闭腔体具有自外部延伸到其内部的活塞式结构，所述活塞式结构包括至少两个独立作用的活塞，所述步骤b包括：

在维持所述封闭腔体内部压力的情形下，对所述至少两个独立的活塞分别施加不同的压力，使得一部分活塞向所述封闭腔体内部压入而另一部分活塞被向外顶起，然后反之，持续多次循环，直至达到粉末颗粒的整形要求。

本领域技术人员能够理解，更具体而言，本发明方法多个更优的实施例已经体现在前述设备实施例的处理过程中。

本发明的设备和方法适用于包括水泥粉颗粒、铁粉、铜粉、铁合金粉等在内的各种粉体的整形和粉碎，也可以用于对分散团块进行粉碎和进一步的整形处理。相对弹性较大的粉体颗粒而言，本发明对于弹性较小而刚性较大的粉体颗粒有更好处理效果。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，应该理解，在不偏移本发明的精神和范围内，可以做出各种变化、替换和更改。此外，本发明应用的范围并不限于在说明书里描述的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法和步骤的特定实施例。从本发明的披露，本领域技术人员将容易利用实质上执行了与这里说明的相应实施例相同功能或实现了相同结果的现有的或以后将开发的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。因此，所附权利要求意在包括这些过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。

Claims (11)

1.一种粉末颗粒整形设备,其特征在于,包括可随外部压力变化而变化于多种形态之间的封闭腔体，所述封闭腔体在形态的反复变化过程中挤压并移动充满在其内部的所述粉末颗粒，以实现对腔体内粉末颗粒形貌的调控,所述封闭腔体具有自外部延伸到其内部的活塞式结构，所述活塞式结构包括至少两个独立作用的活塞。

2.根据权利要求1所述的粉末颗粒整形设备，其特征在于,所述封闭腔体包括缸体和以活塞方式装配在所述缸体上的第一至第三活塞组件，所述第一活塞组件的活塞运动定位在第一方向上，所述第二活塞组件和所述第三活塞组件的活塞运动相对地定位在第二方向上，所述第一方向和所述第二方向大体上相垂直。

3.根据权利要求2所述的粉末颗粒整形设备，其特征在于,所述封闭腔体还包括安装在所述缸体中的搅拌器。

4.根据权利要求1所述的粉末颗粒整形设备，其特征在于,所述封闭腔体包括一端开口的筒状容器和封闭住容器口的外活动组件和内活动组件，所述外活动组件包括以活塞方式套设在所述筒状容器和所述内活动组件之间的中空圆柱体，所述内活动组件包括以活塞方式套设在所述外活动组件中的圆柱体,所述外活动组件在所述筒状容器和所述内活动组件之间形成一个活塞，所述内活动组件在所述外活动组件的中空圆柱体内形成另一个活塞，从而形成所述两个独立作用的活塞。

5.根据权利要求4所述的粉末颗粒整形设备，其特征在于,所述内活动组件包括第一活动组件和第二活动组件，所述第一活动组件为以活塞方式套设在所述外活动组件和所述第二活动组件之间的中空圆柱体，所述第二活动组件为以活塞方式套设在所述第一活动组件中的圆柱体。

6.一种粉末颗粒整形方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.将待整形的粉末颗粒充满于封闭腔体中；

b.对所述封闭腔体施加变化的外部压力使其反复变化于多种形态之间，以使所述粉末颗粒受到挤压而发生移动和摩擦，以实现对腔体内粉末颗粒形貌的调控，

所述封闭腔体具有自外部延伸到其内部的活塞式结构，所述活塞式结构包括至少两个独立作用的活塞，所述步骤b包括：

在维持所述封闭腔体内部压力的情形下，对所述至少两个独立的活塞分别施加一定的压力，使得一部分活塞向所述封闭腔体内部压入而另一部分活塞被向外顶起，再反之，持续多次循环，直至达到粉末颗粒整形要求。

7.根据权利要求6所述的粉末颗粒整形方法，其特征在于，

所述封闭腔体包括缸体和以活塞方式装配在所述缸体上的第一至第三活塞组件，所述第一活塞组件的活塞运动定位在第一方向上，所述第二活塞组件和所述第三活塞组件的活塞运动相对地定位在第二方向上，所述第一方向和所述第二方向大体上相垂直；

所述步骤b包括以下步骤：

b1.在维持所述缸体内部压力的情形下，对所述第一至三活塞组件施加不同的压力使得所述第一活塞组件向所述缸体内部压入而所述第二、三活塞组件被向外顶起；

b2.在维持所述缸体内部压力的情形下，对所述第一至三活塞组件施加不同的压力使得所述第二、三活塞组件向缸体内压入而所述第一活塞组件被顶起；

多次循环执行所述步骤b1和b2，直至达到粉末颗粒整形要求。

8.根据权利要求7所述的粉末颗粒整形方法，其特征在于，还包括在所述步骤b中使用设置在所述缸体中的搅拌器对粉末颗粒进行搅拌。

9.根据权利要求6所述的粉末颗粒整形方法，其特征在于，

所述封闭腔体包括一端开口的筒状容器和封闭住容器口的外活动组件和内活动组件，所述外活动组件包括以活塞方式套设在所述筒状容器和所述内活动组件之间的中空圆柱体，所述内活动组件包括以活塞方式套设在所述外活动组件中的圆柱体,所述外活动组件在所述筒状容器和所述内活动组件之间形成一个活塞，所述内活动组件在所述外活动组件的中空圆柱体内形成另一个活塞，从而形成所述两个独立作用的活塞；

所述步骤b包括以下步骤：

b3.在维持所述容器内部压力的情形下，对所述外活动组件和所述内活动组件施加不同的压力使得所述外活动组件向所述容器内部压入而所述内活动组件被向外顶起；

b4.在维持所述容器内部压力的情形下，对所述外活动组件和所述内活动组件施加不同的压力使得所述内活动组件向所述容器内部压入而所述外活动组件被向外顶起；

多次循环进行所述步骤b3和b4，直至达到粉末颗粒整形要求。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的粉末颗粒整形方法，其特征在于，所述粉末颗粒中添加有整形辅助介质。

11.一种粉末颗粒制作方法，其特征在于，包括采用根据权利要求6至10中任一项所述的粉末颗粒整形方法对粉末颗粒实施整形的步骤。