CN1325151C - 松散颗粒材料的致密化 - Google Patents
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Abstract
一种致密化松散颗粒材料以提供致密化可流动松散颗粒材料的方法，其包括在存在致密剂的情况下机械搅拌该松散颗粒材料，从而提供具有增大容积密度的可流动松散颗粒材料。
Description
技术领域
本发明涉及松散颗粒材料的致密化。尤其是，本发明涉及致密化松散颗粒材料的方法和设备。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种致密化松散颗粒材料以提供致密化的可流动松散颗粒材料的方法，该方法包括在存在致密剂的情况下机械搅拌该松散颗粒材料，提供具有增大容积浓度的可流动松散颗粒材料。
该致密剂因此为液体。然而，本发明的一个特点是在致密化该松散颗粒材料以获得可流动松散颗粒材料之后无需将致密剂除去。因此，该致密剂所存在或使用的量足够小，以保证该致密化的松散颗粒材料仍然可流动并不会形成浆液。残留在该致密化的可流动松散颗粒材料中的致密剂的量也很小，从而使得该致密化的可流动松散颗粒材料中仅存的致密剂不会显著地改变混合的颗粒材料和残留致密剂的容积密度。该容积密度的改变只是在剧烈搅拌混合的颗粒材料和残留致密剂时才会达到很显著的程度，而颗粒材料没有任何显著的结块或者至少比现有技术中据申请人所知的气动致密化工艺所达到的结块程度要低得多。
因此，该致密剂为含水液体，例如水或软化水。
该松散颗粒材料在致密化之前可包括质量百分比浓度落入下限约为0.5％范围内的水。然而，下限可低至约0.45％，或者甚至低至约0.4％。该范围的上限可以高达约10％，或者甚至更高达到约15％，或者甚至高达约20％。
然而，可以理解，被致密化的松散颗粒材料可能影响含水致密剂所能使用的有效范围。然而，前述范围适用于微硅，例如硅粉的致密化。
该松散颗粒材料可以是吸湿材料。该松散颗粒材料可以是微硅，例如煅制二氧化硅、沉淀二氧化硅、胶态二氧化硅或硅胶。
替代地，该松散颗粒材料可选自于包括有碳黑、粉煤灰、高岭土和偏高岭土的组。而且，该松散颗粒材料也可选自于包括Mn2O3、Mn3O4、V2O5、水泥和炉渣的组。
当该松散颗粒材料为颗粒硅时，该颗粒硅具有小于0.5μm、典型地小于0.2μm的粒度。实际上，可以预期，可发现本发明特别但并非专门地应用于致密化所谓的硅粉。
该方法可包括在该松散颗粒材料的机械搅拌之前或期间，将致密剂加入到该松散颗粒材料中。
在存在致密剂的情况下机械搅拌该松散颗粒材料可包括至少部分地限制该松散颗粒材料以及使浸没在该松散颗粒材料之下的一可转动元件绕着一转轴转动，从而产生对该材料的剧烈搅拌。典型地，当存在致密剂时，机械搅拌该松散颗粒材料不会引起该松散颗粒材料的显著流体化，并且在容器中机械搅拌的材料上方存在着一自由顶部空间。
在存在致密剂的情况下机械搅拌该松散颗粒材料可包括用浸没在一容器中的该松散颗粒材料之下并绕着一向上延伸的转轴转动的一可转动元件剧烈地搅拌该松散颗粒材料，并且在可转动元件的转动期间抑制材料向下穿过该转动元件的移动，同时允许容器中的材料在转动元件之上的自由运动。
该松散颗粒材料可被限制在一具有封闭底部的容器中，该可转动元件紧接地位于容器底部之上(位于容器底部的正上方)。
该可转动元件可限定出至少一个基本上面对着转动方向的切向的材料接触面，从而导致该颗粒材料至少在该颗粒材料与该材料接触面初始接触时基本上朝向或远离转轴的移动。该材料接触面的一径向外端可导向其一径向内端。
因此，该材料接触面典型地是倾斜的，即与转动方向非垂直或非径向，以使颗粒材料相对于转轴沿切向和/或径向移动。然而，并不从本发明的范围中排除一个或多个径向延伸的材料接触面或者可变取向的表面，例如由柔性构件所限定的表面。
在本发明的一实施例中，该可转动元件限定出多个沿周向间隔分布的材料接触面，每一接触面基本上面对转动方向的切向，并具有导向其径向内端的径向外端。每一材料接触面可由一倾斜叶片所限定。
因而，该可转动元件可包括多个沿周向间隔分布的从一圆盘状本体的顶面突出的叶片，该圆盘状本体与限制该松散颗粒材料的容器相配合，从而在可转动元件的转动中抑制搅拌的松散颗粒材料向下穿过该可转动元件的轴向移动。替代地，叶片可从圆盘状本体的周边或者从一轮毂切向或径向向外突出。
每一叶片可限定一平行于可转动元件的转轴向上延伸的平面状材料接触面。
该可转动元件可被转动，以使得浸没在该松散颗粒材料中的可转动元件的径向最外周边上的一点以介于约5m/s至约80m/s之间、典型地介于约21m/s至约23m/s之间的速度移动。
对该松散颗粒材料的限制可包括将该松散颗粒材料供给到一容器中。因而，该松散颗粒材料的整体可在该容器内被致密化，以在容器内部形成具有均匀容积密度的颗粒材料体。典型地，该容器具有一限定出一圆柱形内表面或一锥形内表面的壁。该容器可具有一与可转动元件的转轴同轴的中心纵轴。
该方法可包括振动该容器，以抑制颗粒材料在容器内表面上的成块、堆积或粘结。
该方法可包括将可流动的致密化的松散颗粒材料从该容器中排出。应当理解，该方法可连续或分批地进行，从而将致密化的松散颗粒材料从容器中排出以及将松散颗粒材料供入容器中的过程可分批或受控地进行。因此，松散颗粒材料可连续地供给到容器中，并且致密化的松散颗粒材料可连续地从容器中排出，处于稳定状态条件下的容器内的松散颗粒材料体基本上具有比所供给的松散颗粒材料较高的容积密度。
该方法可包括测量或确定致密化的松散颗粒材料从容器排出之前的容积密度。替代地，该方法可包括测量或确定致密化的松散颗粒材料从容器排出之后的容积密度。
该方法可包括控制致密化的松散颗粒材料的密度。致密化的松散颗粒材料的密度的控制可通过选自于一组方法中的一种、两种或更多种的方式进行，该组方法包括控制松散颗粒材料在容器中的停留时间，控制可转动元件的角速度、控制容器中松散颗粒材料的料位、控制松散颗粒材料中致密剂的浓度。然而，致密化的松散颗粒材料的密度的控制不限于这些方法。
可转动元件的转轴可以是基本上竖直的。在本发明的另一实施例中，该同心的转轴和容器的纵轴与水平线成约60°角。
可转动元件可以以介于100转/分至3500转/分之间的角速度转动。优选地，可转动元件以介于500转/分至1000转/分之间的角速度转动。典型地，可转动元件以介于700转/分至800转/分之间、例如约732转/分的角速度转动。
该松散颗粒材料可具有小于1mm的平均粒度。典型地，该松散颗粒材料具有小于0.5mm、甚至小于1μm，例如约0.15μm的平均粒度。
该方法可包括将粉尘从容器中抽出。
颗粒材料在致密化之前的容积密度与可流动的致密化的松散颗粒材料的容积密度的比率可以至少为2∶3。优选地，根据颗粒材料在致密化之前的容积密度和被致密化的颗粒材料，颗粒材料在致密化之前的容积密度与可流动的致密化的松散颗粒材料的容积密度的比率可以至少为1∶5。根据颗粒材料在致密化之前的容积密度和被致密化的颗粒材料该比率可大至1∶10或者更大，例如1∶12。
该方法可包括允许致密剂的浓度在该松散颗粒材料的搅拌期间降低。
因而，典型地，允许该松散颗粒材料在机械搅拌期间被加热。因此，致密剂的浓度可能由于至少一部分致密剂的蒸发而降低。
该松散颗粒材料中可包括的水或者被加入到该松散颗粒材料中的水的质量百分比浓度超过4％，致密化的松散颗粒材料包括质量百分比浓度低于3％的水。典型地，尤其当该松散颗粒材料是微硅以及当致密剂是含水液体时，该松散颗粒材料中包括的水或者被加入到该松散颗粒材料中的水的质量百分比浓度介于4％和8％之间，优选介于6％和8％之间，致密化松散颗粒材料包括质量百分比浓度低于1.5％、优选低于1％的水。
根据本发明的另一方面，提供一种松散颗粒材料的致密化设备，其包括
一用于至少部分地限制该松散颗粒材料体的容器；
一可转动元件，其这样布置，以使得在使用中其浸没在松散颗粒材料体中，以机械地剧烈搅拌该松散颗粒材料；
一通入该容器的致密剂入口；以及
驱动装置，其与该可转动元件相连，并在该可转动元件浸没在松散颗粒材料体中时可使该可转动元件绕着所述转轴转动。
该设备可包括一将蒸发的致密剂从该容器中去除的致密剂出口。替代地，该致密剂入口也可起着致密剂出口的作用。
根据本发明的另一方面，提供一种松散颗粒材料的致密化设备，其包括
一用于至少部分地限制该松散颗粒材料体的容器；
一可转动元件，其这样布置，以使得在使用中其浸没在松散颗粒材料体中，以机械地剧烈搅拌该松散颗粒材料；
一将蒸发的致密剂从该容器去除的致密剂出口；以及
驱动装置，其与该可转动元件相连，并在该可转动元件浸没在松散颗粒材料体中时可使该可转动元件绕着所述转轴转动。
该可转动元件可采取如下文所述的形式。
当该可转动元件包括多个叶片时，至少部分叶片的径向内端可被斜截，以使该叶片的径向内端与叶片平面中的转轴形成介于15°和60°之间的角度。优选地，该角度介于20°和60°之间，例如约为30°。
该容器可具有一位于较低高度处的致密化的松散颗粒材料的出口以及一位于高于该出口的较高高度处的松散颗粒材料的入口。优选地，该可转动元件位于该容器出口的高度处。
当可转动元件浸没在颗粒材料体中时，驱动装置可以介于100转/分至3500转/分之间的角速度转动该可转动元件。典型地，当可转动元件浸没在颗粒材料体中时，驱动装置可以介于500转/分至1000转/分之间、例如约为700转/分至800转/分之间的角速度转动该可转动元件。
该容器可具有一限定出一圆柱形内表面或一锥形内表面的壁以及一与可转动元件的转轴同轴的中心纵轴。可转动元件在转动时所形成的圆的直径与容器的直径的比率可介于0.25∶1和0.99∶1之间。优选地，该比率至少介于0.5∶1和0.99∶1之间。典型地，可转动元件在转动时所形成的圆的直径与容器的直径的比率至少介于0.9∶1和0.99∶1之间，例如约为0.95∶1。
该容器可具有介于0.1m3和200m3之间的容积。典型地，该容器具有介于0.1m3和0.5m3之间的容积。
该可转动元件的转轴可以是基本上竖直的。
该设备可包括传送装置和装袋装置，该传送装置布置为将致密化的松散颗粒材料从容器传送至用于将该致密化的松散颗粒材料装袋的装袋装置。
该设备可包括用于振动该容器的装置，以抑制颗粒材料在该容器的内表面上结块、粘结或堆积。
该设备可包括用于从该容器中抽出粉尘的粉尘抽出装置。
可转动元件和该容器的内表面可涂覆有一材料，该材料可抑制松散颗粒材料抵靠着可转动元件和该容器的内表面或在其上的粘结、结块或堆积。
该设备可包括密度测量装置和控制装置，以用于控制致密化的松散颗粒材料的容积密度。
附图说明
下面参考附图和实施例以举例方式对本发明进行说明。
在附图中：
图1示出了根据本发明用于致密化松散颗粒材料的致密化设备的一实施例的剖视图；
图2示出了图1所示致密化设备的一可转动元件的三维视图；
图3示出了根据本发明用于致密化松散颗粒材料的致密化设备的另一实施例的剖视图；
图4示出了图3所示致密化设备的一可转动元件的三维视图。
具体实施方式
参考附图中的图1，附图标记10总体上表示根据本发明用于致密化松散颗粒材料的致密化设备的一实施例。设备10包括一用于容纳和限制松散颗粒材料的容器12以及一可转动元件14，该可转动元件在使用时浸没于容纳于容器12中的松散颗粒材料之中，并可绕着一竖直转轴16转动。
容器12包括一圆柱状壁18，其形成容器12的圆柱状内表面20。因而，容器12具有一与转轴16对应或同轴的竖直中心纵轴。在本发明的另一实施例中，容器的轴线和该转轴可以相对于水平面成角度地布置，例如成大约60°的角度。
容器12包括一松散颗粒材料的入口22以及一致密化的松散颗粒材料的出口24。入口22位于容器12的顶部26中，出口24位于容器12的壁18中。
可转动元件14位于出口24的高度处。该可转动元件14机械连接至一传动轴30，该传动轴30又从动地连接至一电动机(未示出)。该电动机可以700转/分至800转/分之间的角速度可选择地转动该可转动元件14。
可转动元件14包括一圆盘状本体32，从该圆盘状本体32突出多个沿周向间隔分布的平面状叶片34(参见图2)。叶片32被定向或布置为用于当本体32缓慢转动时使容纳在容器中的松散颗粒材料朝着转轴16向内移动。叶片34从圆盘状本体32的表面36突出，该表面36为一工作上表面。
圆盘状本体32以及可转动元件14的直径为720mm。容器12的内径约为800mm。因而，可转动元件14的直径与容器12的直径的比率为0.9∶1。
传动轴30延伸穿过容器12的顶部26。在传动轴30和顶部26之间设置一密封件38。
在容器12之下设置一传送带40。设置一自动、受控的出口盖板60，以打开或关闭出口24。一斜槽62提供了出口24和传送带40之间的流体相通。
在壁18的一相对较高的位置上设置一致密剂入口64。入口64与一水供给管道66流体相通。在供给管道66中设置一流体控制器68。
容器12设置有一粉尘抽出口(未示出)，并且抵靠着壁18的外表面装配有一振动器(未示出)。
在使用中，在控制和测量的基础上向容器12供给松散颗粒材料44，如箭头42所示，以使容器12中松散颗粒材料的料位保持在足以盖住可转动元件14的程度。因而，在料位46之上存在一个即使在搅拌期间也空着的自由顶部空间。通过入口64以预定的受控比率将水加入至该松散颗粒材料中。当材料为硅粉时，该比率就质量而言约为6∶100。
通过电动机和传动轴30以大约732转/分的角速度沿箭头48方向使浸没的可转动元件14转动。叶片34剧烈地搅拌该松散颗粒材料并使之致密化。振动器用于抑制该松散颗粒材料在容器12的内表面上的成块，并且形成的粉尘通过粉尘出口与水蒸汽一起被抽出，该水蒸汽是由于颗粒材料的摩擦加热而产生的，这种加热可达到70℃至80℃的温度。
致密化的松散颗粒材料通过出口24和斜槽62被排放至沿箭头52方向移动的传送带40上。传送带40上的致密化的松散颗粒材料的密度由密度测量和控制装置(未示出)测量，其通过打开或关闭出口盖板60增大或降低致密化的松散颗粒材料从容器12的排放速度，从而增大或降低松散颗粒材料在容器12中的停留时间，以将松散颗粒材料致密至所需的容积密度。典型地，致密化的松散颗粒材料包括质量百分比小于1％的水。
参考附图中的图3，根据本发明用于致密化松散颗粒材料的致密化设备的另一实施例总体上由附图标记100表示。设备100与设备10类似，并且除非另作说明，所用的与设备10中相同的附图标记用于表示设备100中的相同或相似的部件或特征。
设备100包括一可转动元件102，其在附图的图4中更清楚地示出。如图4中所示，叶片34是竖直且平面状的，并且在图4中基本上与传动轴30(未示出)相切，该传动轴可操作地与可转动元件102相连。每一叶片3的一内端部分被斜截，以使每一叶片34的径向内端35在叶片34的平面中与可转动元件102的转轴形成约30°的角度。
可转动元件102位于容器12的出口24的高度处。出口24设置于容器12的壁18的较低部分中。设置有一手动操纵的出口盖板104，以打开或关闭出口24。
传动轴30通过两个止推轴承(轴架)33可转动地装配至一支承元件31上并且通过一传动带108和两滑轮110、112可操作地与一电动机106相连。电动机106和滑轮110、112的如此布置，以使得在使用中发动机106可以700转/分至800转/分之间的一平均速度转动该可转动元件102。
容器12和电动机106装配在一支承构件114上。
容器12具有约576mm的内径和约1500mm的高度。可转动元件102具有约550mm的直径。因而，可转动元件102的直径与容器12的直径之间的比率约为0.95∶1。
致密剂入口64与一漏斗120通过一鹅颈管122流体相通。
设备100以类似于设备10的方式用于致密化松散颗粒材料，只是分批地进行。因此，被测重量的松散颗粒材料通过入口22供给到容器12中，从而在容器12中形成一足以盖住可转动元件102的松散颗粒材料的料位。被测量的水作为致密剂倒入漏斗12并可以流入容器12中。通过电动机106和传动轴30使可转动元件102以约732转/分的角速度转动。叶片34剧烈地搅拌松散颗粒并且将其致密化。利用一斜槽116将致密化的松散颗粒材料通过出口24分批地排出到传送带40上。传送带40将致密化的松散颗粒材料传送至一将致密化的松散颗粒材料装袋的装袋车间(未示出)。在致密化期间，入口22起水汽出口的作用，以允许汽化水从容器12中逸出。
实例1
利用图3的设备100将容积密度为100kg/m3的硅粉(silica fume)致密化，其中没有将水作为致密剂加入容器12中的松散颗粒材料中。设备100将硅粉的容积密度增大至约450kg/m3。将重量比率约为3∶100的少量水加入到部分致密化的硅粉中，并再次以约732转/分的角速度转动可转动元件102一小段时间。在此期间，容器12内的硅粉的容积密度从约450kg/m3增大至约1200kg/m3。在这段时间结束时，硅粉仍表现为可流动粉末的形式。
实例2
与实例1所述相同的工艺用于致密化碳黑。最初，碳黑具有介于40kg/m3至80kg/m3之间的容积密度。在没有利用致密剂的情况下对碳黑进行部分致密化之后，碳黑的容积密度增大至约200kg/m3。将少量(重量比约为3％)水加入到碳黑中，此后通过利用可转动元件102剧烈地搅拌碳黑从而将碳黑进一步致密至约600kg/m3的容积密度。
本发明的一个优点是，如上所述，其提供了一种致密化松散颗粒材料例如硅粉的低成本的方法和设备。本发明的另一个优点是，如上所述，该方法和设备可将例如硅粉等材料致密化至相对于用于致密化硅粉等材料的常规方法和设备而言较高的容积密度。与现有技术中据申请人所知的气动致密化工艺相比，颗粒成块也更少，因而提供了更小的平均粒度和增大的BET表面积。
Claims (15)
1.一种致密化松散颗粒材料以提供致密化的可流动松散颗粒材料的方法，该方法包括：
在存在作为含水液体致密剂的水的情况下机械搅拌该松散颗粒材料；以及
在机械搅拌该松散颗粒材料期间，通过允许加热该松散颗粒材料以及由于机械搅拌和至少部分水蒸发的结果，允许水的浓度降低，从而提供具有增大容积密度的可流动松散颗粒材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该松散颗粒材料在致密化之前包括作为致密剂的水，其质量百分比浓度落入下限为0.4％和上限为20％的范围内。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该水存在于下限为0.45％和上限为15％的范围内。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该松散颗粒材料为微硅。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该松散颗粒材料选自于包括碳黑、粉煤灰、高岭土和偏高岭土的组。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该松散颗粒材料选自于包括Mn2O3、Mn3O4、V2O5和炉渣的组。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该微硅具有小于0.5μm的粒度。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在该松散颗粒材料的机械搅拌之前或期间将该致密剂加入到该松散颗粒材料中。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在存在致密剂的情况下机械搅拌该松散颗粒材料的步骤包括至少部分地限制该松散颗粒材料以及使浸没在该松散颗粒材料之下的一可转动元件绕着一转轴转动，从而导致该材料的剧烈搅拌。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在存在致密剂的情况下机械搅拌该松散颗粒材料的步骤包括用浸没在一容器中的该松散颗粒材料之下并绕着一向上延伸的转轴转动的一可转动元件剧烈地搅拌该松散颗粒材料，并且在该可转动元件的转动期间抑制材料穿过该转动元件向下移动，同时允许容器中的材料在转动元件上方的自由运动。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，该松散颗粒材料被限定在一具有封闭底部的容器中，该可转动元件紧接地位于该容器底部的上方。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该颗粒材料在致密化之前的容积密度与可流动的致密化的颗粒材料的容积密度之间的比率至少为2∶3。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该颗粒材料在致密化之前的容积密度与可流动的致密化的颗粒材料的容积密度之间的比率至少为1∶5。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该松散颗粒材料中包括的水或者被加入到该松散颗粒材料中的水的质量百分比浓度超过4％，该致密化的松散颗粒材料包括质量百分比浓度小于3％的水。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该松散颗粒材料中包括的水或者被加入到该松散颗粒材料中的水的质量百分比浓度介于4％和8％之间，该致密化的松散颗粒材料包括质量百分比浓度小于1.5％的水。
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