中国粉体网讯 近年来，通过对大量粉体的研究和应用表明，只有粉体粒径分布符合一定粒度需求，才能最大限度的发挥材料的最优性能。在此背景下，粉体分级技术应运而生，并逐步成为了粉体技术的核心。
具体来说，粉体分级是指根据固体颗粒在同一介质内，因颗粒粒度、颗粒密度、颗粒形状或颗粒表面物理化学特性不同而具有不同沉降速度，利用不同的沉降速度将颗粒群分为两种或多种粒度级别的过程。粉体分级技术的关键是分散和分离。分散是指进入分级机的物料要尽可能地分散开来，物料颗粒之间形成一定的空间距离。分离是指当物料在分级室停留的有限时间内，在气流作用下完成分级功能，并从不同的粒径出口流出。
1、精细分级分类和主要作用
根据分级介质的不同，精细分级机也可分为两大类：一是以空气为介质的干法分级机，主要是转子（涡轮）式气流分级机，如各类涡轮式气流分级机。二是以水、油为介质的湿式精细分级机，主要有超细水力旋流器、卧式螺旋沉降式离心机等。
各种分级机 图源：粉体网-粉体展栏目
精细分级作业主要有两个作用。一是确保产品的粒度分布满足应用的需要，二是提高超细粉碎作业的效率。例如，许多应用领域不仅对非金属矿超细粉体的粒度大小（平均粒度或中位粒径）有要求，而且对其粒度分布有一定要求。有些粉碎设备，特别是球磨机、振动磨、干式搅拌磨等，研磨产物的粒度分布往往较宽，如果不进行分级，难以满足用户的要求。
此外，在超细粉碎作业中，随着粉碎时间的延长，在合格细产物增加的同时，微细粒团聚也增加，到某一时间，粉体粒度减小的速度与微细颗粒团聚的速度达到平衡，这就是所谓的粉碎平衡。在达到粉碎平衡的情况下，继续延长粉碎时间，产物的粒度不再减小甚至增大。因此，要提高超细粉碎作业的效率，必须及时地将合格的超细粒级粉体分离，使其不因“过磨”而团聚。这就是一些超细粉碎工艺中设置精细分级作业的依据。
2、干式精细分级机概况与应用创新
（1）干式（空气）精细分级机概况
空气分级机结构种类繁多，按其是否具有转动部件可分为静态分级机和动态分级机两大类。静态分级机结构简单，造价低，维护方便，只依靠固定的内构件实现气流运动进行分级；动态分级机内部装有风扇或转笼，利用其形成的离心力场与气流相互配合进行分级。相比于静态分级机，动态分级机分级粒径更小，分级效率更高，但结构复杂，操作难度较大。
空气分级机的一般机制如下：待分级的粒料悬浮在气流中，颗粒受到气流曳力与重力、离心力、浮力、Magnus力、Basset力、Saffman剪切提升力等的相互作用。若颗粒很小，则气流曳力占主导地位，颗粒将跟随气流一起运动，并被分为细组分；其余颗粒将偏转到粗组分。
国内先进空气分级机 图源：粉体网-粉体展栏目
近年来，空气分级技术发展迅速，无论是重力分级、惯性分级、流化床分级或者动态分级都有丰硕的成果。重力分级和流化床分级主要用于分离粒径相差较大的混合颗粒，常规重力分级效率低，但通过增加内构件或优化分离过程可显著改善分级效率；流化床分级尚处于理论研究阶段，工业中应用较少；惯性分级和动态分级可用于超细粉体分级且分级效率较高，但流场结构较为复杂，部分机械问题又难以解决。就目前的研究状况来看，未来的研究方向主要包括调控分级流场、优化分离过程、混合流型耦合分级3个方面。总之，伴随着新工艺的应用和环保标准的提高，颗粒分级要求日益严格，开发简单、高效的新型分级机已成为亟待实现的目标。
（2）干式（空气）精细分级机应用与创新
涡流空气分级机在设计中采用了与以往离心式分级机、旋风式分级机完全不同的结构和分级原理，使其具有粉体处理量大、产粉效率高，能耗低、操作调节简单，粉体粒度可调控范围大、维护方便、节能等优点，一经投用便得到了迅猛发展。
涡流空气分级机分级室内物料受力示意图
涡轮式气流分级机也称为第三代分级机，一般包含蜗壳、转笼、锥桶、导风叶片、撒料盘等主要结构，其直径、叶片形状、叶片间隙等对分级机的分级性能有显著影响。但随着其应用范围的扩大，一些问题也逐渐暴露出来。如颗粒团聚现象、分级流场气流分布不均匀、分级精度不高（仍需开发超微细精密分级设备）、分级效率与分级精度不可兼得等，基于这些缺点进行的设备参数优化也一直是其重要的研发方向。
涡流空气分级机的分类及性能对比表
总体来说，目前工业上应用的主要涡流空气分级机是MS型、MSS型、O-Sepa型、ATP型或改进型以及LHB型、NEA型、TFS型等干式精细分级机。这些干式精细分级机可与超细粉碎机配套使用，其分级粒径可以在较大的范围内进行调节，其中TSP型、MS型及其类似的分级机的分级产品细度可达d97=10μm左右，MSS型和ATP型、NEA型、LHB型及其类似的分级机的分级产品细度可达d97=3～5μm，TTC型和TFS型分级机的产品细度可达d97=2μm。依分级机规格或尺寸的不同，单机处理能力从每小时几十千克到30t/h左右不等。
3、湿式精细分级机概况与应用创新
（1）湿式精细分级机概况
湿式精细分级机是以水为介质的湿法分级机，主要有超细水力旋流器、卧式螺旋沉降式离心机等。在湿法超细磨矿或黏土类矿物的湿法提纯工艺中，为了提高磨矿效率以及控制最终产品细度和粒度分布，有时要设置湿式精细分级设备。目前工业上常用的湿式精细分级设备主要有螺旋卸料沉降离心机和超细水力旋流器。
（2）湿式精细分级机应用与创新
1）螺旋分级机
螺旋分级机是借助固体粒子大小、密度不同，因而在矿浆中的沉降速度不同，达到基本按粗细粒分离的设备。进入螺旋分级机的物料颗粒，因自身重力和上升水流力的作用，粗粒可沉于槽底，被螺旋推向上部并最终返回磨机，细粒无法成功沉降至槽底而随矿浆从溢流口流出。
固相在离心机内的分布
螺旋分级机因具有结构和操作简单、运行可靠、处理量和分级效率稳定、传动功率较小、生产成本较低、返砂含水量小、无需辅助设备、配置容易等优点，被国内外众多选矿厂采用，尤其在一段球磨磨矿流程中被普遍采用。但是螺旋分级机也存在设备体积大、价格高、占地面积大、分级效率不高等缺点。而想要提高卧螺离心机的分离效果，大致要从优化液池的表面积以及离心机的分离因数这两个方面入手。如果分离因数不变，那么则可以通过增大离心机的长度来达到更好的分离效果。近几年，新式螺旋分级机不断发展，设备造型、性价比以及分级效率也有了显著的提升。
离心机组成
卧式螺旋卸料离心机：卧式螺旋卸料离心机主要由柱-锥形转鼓、螺旋推料器、行星差速器、挡料板、差速器、扭矩调节器、减振垫、布料器、外壳和机座等零件组成。转鼓通过主轴承水平安装在机座上，并通过连接盘与差速器外壳连接。螺旋推料器通过轴承同心安装在转鼓里，并通过外在键与差速器输出轴内在键相连。卧式螺旋卸料沉降离心机的主要技术参数为转鼓直径、长度、转速、分离因素、电机功率等。
复合式圆筛螺旋分级机：复合式圆筛螺旋分级机将传统螺旋分级机上部空间改造成内螺旋筛，当矿浆从给矿口给入复合式圆筛螺旋分级机后，矿浆按沉降速度差异首先进行分级（首次分级），细颗粒随溢流排出，首次分级后的粗砂通过螺旋输送到其上部带内螺旋的圆筒筛进行筛分分级（二次分级），筛上产品进入磨矿机，与磨矿机形成闭路磨矿。筛下物可以选择单独处理或会同分级机溢流产品给入下一流程。以传统螺旋分级机为基础，改造的新型高效复合分级设备综合了2种分级方法的特点，矿浆进入圆筒筛前先进行了水力分级，将矿泥、微细粒、木屑等杂质优先分出，有利于提高筛分分级效率。
斜窄流螺旋分级机：斜窄流螺旋分级机综合了斜浅层沉降原理和窄流分离原理，其主体功能结构包括斜窄流分级组合体和螺旋体。磨机排矿自流进入给矿槽，经斜窄流分级单元分级，形成溢流和沉砂，其中合格产品从溢流口进入下段作业，沉砂经螺旋提升从返砂口返回磨机。
多段圆锥螺旋分级机：多段圆锥螺旋分级机是在传统螺旋分级机的基础上，经过重大结构改进的一款新型螺旋分级机。它采用圆锥螺旋和圆锥面形槽体，在同一台螺旋分级机上构成多个分级室，产生多个分级面，相当于多台传统螺旋分级机在进行串联工作，对目标对象进行多次分级，从而提高分级效率。其各分级室的操作参数可以独立调节，这样可在控制各分级室分级粒度基本相同的情况下大幅度提高分级效率，也可在各分级室分级粒度不同的情况下在同一台分级机上获得不同分级粒度的溢流产品。
2）超细水力旋流器（组）
水力旋流器从20世纪50年代开始引进我国，到20世纪90年代对水力旋流器的研究和开发发展到热潮，于各行业中取得了显著的成果，尤其是可以得到品位较高的矿石。
立式搅拌磨机与旋流器磨矿分级流程
常规水力旋流器中流体运动形式大致分为四类：内旋流、外旋流、短路流和循环流。其中内外旋流是分级分选的必要条件，而消除短路流的影响是提高分级效率的手段，当来料打入旋流器时，提供分级必须的动能之外，有部分物料与贴近旋流器顶壁产生碰撞并沿着溢流管外壁向下运动，最后与内旋流汇聚由溢流管排出。这部分未经过分选分级的物料是造成溢流跑粗的主要原因。
水力分级旋流器主要结构
超细水力旋流器直径一般为10～50mm，这种小直径的水力旋流器通常制成带有长的圆筒部分和小锥角的锥形部分，内衬耐磨陶瓷、模铸塑料、人造橡胶或用聚氨酯材料制造。在工业生产中，为弥补小直径旋流器处理能力小的缺点，通常采用若干个小直径旋流器并联安装形成旋流器组，这种旋流器组可由几个或数十个小直径水力旋流器组成。目前，超细水力旋流器已经逐步发展出多种新结构，分级效果也在稳步提升。
变径水力旋流器：旋流器中流体运动规律及其力学特性与水力旋流器内截面的曲率半径密切相关，变径水力旋流器内部结构分为大小不同的二曲率半径，在曲率半径小的区域由于回转而形成小旋涡区，小旋涡区内有利于颗粒离心沉降和层流分层，有助于减少底流中的细粒含量，从而可提高分级效率。与传统水力旋流器相比，其分级效率高10～20个百分点，低压给矿节能30%。
新型异构水力旋流器：新型异构水力旋流器具有两大特点：溢流管下端外部安装圆盘状套环用以阻止进入溢流的短路流，以减少粗颗粒进入溢流；锥体部分设有2个向外的凹环，可对锥壁边界矿浆起松散、扰动作用，以减少底流中细粒含量。因此，与传统水力旋流器相比，分级量效率可提高7～11个百分点。
CZ系列高效旋流器：CZ系列高效旋流器的分级、磨损性优于传统水力旋流器，得益于双圆弧设计入矿口和模压整体烧结成CNU材料，其溢流粒度细，沉砂夹细少，分级效率较普通旋流器高10～20个百分点。双圆弧设计减轻了矿浆对筒体的磨损，采用CNU高级耐磨材料延长了使用寿命。
结语
分级机技术装备发展至今可谓各有长短，在实际应用中因需求各不相同而选择各异，设备选型的核心要素在于自己的粉体产品。不过对于设备研发而言，市场趋势、应用范围、分级效率、设备体积、价格等均是要考虑的因素，这些直接关乎企业发展。
参考来源：
郑水林孙志明主编非金属矿加工与应用（第四版）化学工业出版社
王德正，等：常用分级机及其优化改进研究现状，昆明理工大学国土资源工程学院
卢道铭，等：颗粒空气分级技术研究进展，中国石油大学（北京）
秦道鑫，等：涡轮式气流分级机分级性能研究，长江大学
周郑琪，等：新型水力分级旋流器大型化工业试验研究，中国矿业大学
粉体网等
(中国粉体网编辑整理/昧光)
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