粉末制造 是指用于生产粉末的工业流程，其应用领域涉及多个行业。本指南详细介绍了粉末制造，包括关键设备、工艺、应用以及选择供应商和系统时的注意事项。
粉末制造概述
粉末制造生产的固体材料微粒大小从亚微米到数千微米不等。粉末广泛应用于金属、陶瓷、塑料、颜料、药品和食品等产品中。
2022 年，全球粉末制造市场价值达 325 亿美元，预计 2023 年至 2030 年的复合年增长率为 7.2%。在全球粉末市场中，医药行业所占份额最大，超过 30%。不过，在汽车和航空航天应用的推动下，金属粉末领域的增长速度最快。
粉末的粒度分布、形态、密度和流动性等特性需要在生产过程中严格控制，以满足应用要求。粉末制造的四个主要步骤是
- 生产 通过机械粉碎或化学工艺加工粉末
- 分类 使用筛子、分级机或空气分离器根据颗粒大小进行筛选
- 修改 通过碾磨、造粒、干燥、混合和其他处理工艺改变粉末特性
- 配方 与其他粉末或添加剂混合
粉末制造技术的选择取决于材料、最终粒度和分布、粉末形态、纯度和预期用途。
粉末制造的主要优势
- 高表面积与体积比可提高反应活性、溶解性和性能
- 可定制颗粒大小和分布，以获得所需的性能
- 基于粉末的工艺可实现复杂形状的制造
- 与散装材料相比，加工温度更低，更节能
- 多孔粉末压制产品具有独特的强度和低密度组合
粉末制造面临的挑战
- 粉尘的产生和处理对健康和安全造成危害
- 如果可燃颗粒悬浮在空气中，粉末可能会爆炸
- 需要专门的设备来输送、混合和压实粉末
- 颗粒聚集会影响产品的流动性和均匀性
- 在商业规模上控制和保持一致的粉末特性
粉末制造设备
各种专用设备和机器用于生产具有所需特性的粉末，并将其加工成最终产品。以下是相关概述：
| 设备 | 说明 |
|---|---|
| 球磨机 | 旋转部分装有陶瓷球或金属球等研磨介质的圆筒，通过撞击和摩擦将物料破碎和研磨成细粉。 |
| 锤式粉碎机 | 使用摆动锤高速粉碎筛网上的物料。适用于粗磨。 |
| 胶体磨 | 采用具有高剪切力的转子-定子机制，将悬浮材料破碎成亚微米大小。 |
| 喷气式磨机 | 利用高压空气喷射，通过颗粒间的碰撞减小颗粒尺寸。可进行微米和亚微米研磨。 |
| 减员磨坊 | 用叶轮搅拌浆料，通过剪切和相互撞击来研磨颗粒。 |
| 喷雾干燥机 | 通过热空气雾化和蒸发水分，将液体混合物快速干燥成细粉。 |
| 空气分级机 | 根据颗粒在阻力作用下的不同沉降速度，利用受控气流按颗粒大小进行分离。 |
| 振动筛 | 使用振动筛和筛网按粒度分拣粉末颗粒。 |
| 制粒机 | 通过压实、压缩或粘合形成粉末粗集料，以改善流动性和操作性。 |
| 搅拌机 | 通过翻滚、搅拌或流化实现多种粉末的均匀化和混合。 |
| 压块机 | 使用高压将粉末压制成各种尺寸和形状的致密压块。 |
粉末制造的关键工艺
主要粉末生产工艺及其典型材料或工业用途：
| 过程 | 原材料/工业 |
|---|---|
| 机械粉碎 | 金属、合金、陶瓷、矿物、颜料、农用化学品 |
| 降水量 | 陶瓷、颜料、催化材料、特种化学品 |
| 电解 | 金属、合金、化合物 |
| 等离子体合成 | 陶瓷、金属陶瓷、超合金 |
| 固态反应 | 陶瓷、催化剂、荧光粉、电池材料 |
| 喷雾干燥 | 食品、药品、洗涤剂、颜料、陶瓷 |
| 溶胶-凝胶合成 | 陶瓷、催化剂、涂层、光学 |
| 低温铣削 | 聚合物、弹性体、药品、食品 |
机械粉碎和研磨等减小尺寸的方法是最广泛使用的粉末生产技术。但具有特定化学成分和晶体结构的材料是通过电解、喷雾干燥、沉淀、溶胶-凝胶合成等先进技术生产出来的。
粉末制造的应用和用途
通过专业制造工艺生产的粉末被广泛应用于各种行业和产品中。一些主要应用包括
| 行业/产品 | 应用 |
|---|---|
| 冶金和金属部件 | 用粉末冶金法生产烧结零件和用于快速成型制造的合金粉末 |
| 陶瓷和耐火材料 | 用于电子产品、隔热涂层的先进陶瓷粉 |
| 聚合物和塑料 | 粉末涂料、粉末成型化合物 |
| 油漆和涂料 | 颜料、扩展剂、分散剂 |
| 药品和保健品 | 活性药物成分、辅料、膳食补充剂 |
| 餐饮 | 调味剂、增稠剂、乳化剂、婴儿配方奶粉、混合饮料 |
| 化学品和催化剂 | 特种化学合成、催化材料 |
| 农业 | 微肥和释放肥料、粉末杀虫剂 |
| 化妆品和个人护理 | 颜料、滑石粉、改性剂、活性成分 |
| 储能 | 电池阴极和电解质、燃料电池材料 |
与散装材料相比，粉末材料在各个制造领域都具有高性能和灵活性，因此粉末材料市场正在迅速扩大。
设计考虑因素和标准
粉末制造系统的设计需要仔细考虑产能、材料特性、爆炸风险、处理效率和稳定的产品质量等参数。
设计安全有效的粉末加工设备的主要标准是
- NFPA 654 - 预防火灾和粉尘爆炸的标准
- ISO 12100 - 机械安全
- ASTM B215 - 测试用筛子标准
- ASTM B822--利用透气性检测颗粒大小的标准测试方法
- ISO 4497 - 流体化系统的安全要求
设备设计涉及机械方面，如研磨介质、叶轮速度、筛网尺寸、喷嘴大小，以及工艺因素，如批量操作与连续操作、温度、压力、流速和多种操作的整合。
自动监测和控制系统对于保持粉末质量和产量至关重要。通过惰性气体覆盖、防爆通风口和电气接地来防止爆炸至关重要。
选择粉末加工设备供应商
选择可靠的粉末设备制造商，以实现粉末生产线的最佳性能和效率，需要对各种参数进行评估：
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 经验丰富 | 为粉末工业供货的年数和经营规模 |
| 交钥匙能力 | 提供从原材料到最终产品的完整集成系统 |
| 定制工程 | 能够根据特定粉末特性和生产能力定制设备 |
| 设备范围 | 提供研磨机、空气分级机、混合和喂料系统、密封解决方案、自动化 |
| 安装和调试服务 | 现场安装、测试和优化支持能力 |
| 持续支持 | 维护合同和备件供应，最大限度地减少停机时间 |
| 遵守标准 | 通过相关安全和质量标准认证的产品 |
| 能源效率 | 低能耗设计，最大限度地降低运营成本 |
| 工艺优化 | 利用建模和模拟提高粉末系统性能 |
在投入大量资金购买粉末加工设备之前，对不同的供应商进行评估并获得推荐信至关重要。
粉末制造设备成本
粉末制造的设备成本因以下因素而有很大差异：
- 磨机类型 - 球磨机、气流分级机、喷射磨等。
- 能力 - 吨/小时吞吐量
- 结构材料 - 不锈钢、碳钢、铝
- 自动化和仪器水平
- 其他装卸配件 - 输送机、料斗、包装袋、旋风分离器
- 定制要求
- 售后服务合同
常见粉末加工设备的一些参考价格范围如下：
| 设备 | 输出能力 | 价格范围 |
|---|---|---|
| 球磨机 | 1 - 200 公斤/小时 | $10,000 – $500,000 |
| 喷气磨 | 10 - 2000 公斤/小时 | $50,000 – $1,000,000 |
| 空气分级机 | 500 - 10000 公斤/小时 | $40,000 – $700,000 |
| 混合器 | 5 - 500 公斤/批 | $5,000 – $250,000 |
| 流化床干燥器 | 10 - 5000 公斤/小时 | $30,000 – $1,000,000 |
用于大规模生产和全自动设备的大型系统将超过 100 万美元。建议咨询合格的粉末设备供应商，以获得准确的价格。
安装和操作粉末制造设备
正确的安装和操作程序是粉末加工设备以最佳效率安全运行的必要条件。以下是一些指导原则：
- 精心准备场地，将设备固定在平坦、无振动的地基上
- 按照制造商的说明组装设备模块
- 试运行前检查对准、泄漏和间隙
- 干湿测试调试运行，以确认设计性能
- 在热调试前验证防爆系统
- 逐步提高进料速率和参数，达到铭牌产能
- 持续监测所有过程变量 - 流量、压力、负载、功率、温度、振动
- 定期检查是否有材料堆积或堵塞
- 保持负压差以抑制粉尘
- 定期介质更换和预防性维护
- 只有经过认证的电工才能维修电气设备
- 对操作员进行适当的标准操作程序培训
- 记录操作手册、维护日志和安全程序
与设备供应商合作，利用他们的专业知识，可以简化安装，优化运行，从而延长设备的使用寿命。
粉末加工设备的维护实践
定期维护对粉末处理系统的稳定运行和安全至关重要。主要内容包括
检查
- 检查材料堆积、泄漏、腐蚀和堵塞情况
- 检查安全装置 - 接地、通风、阀门、紧急停止装置
- 验证集成控制系统和仪表
预防性维护
- 及时更换过滤器、滤网、密封件、垫圈和皮带
- 碾磨机中的介质更换 - 球、衬板
- 测试防爆口、警报器和惰性气体
- 校准称重床、温度和压力传感器
- 轴承、齿轮、电机的润滑
故障维修
- 通过振动分析、热成像等方法诊断问题。
- 修理/更换有缺陷的部件 - 叶轮、驱动装置、皮带
- 维护关键部件的备件库存
卫生与清洁
- 清洗前隔离设备，防止进水
- 定期用吸尘器和鼓风机清洁，防止灰尘积聚
- 清洁粉避免使用可燃溶剂
文件
- 更新所有检查和维护活动的设备日志
- 跟踪磨损率、更换频率以优化计划
- 报告重大维修、故障并记录解决方案
与原始设备制造商密切合作并签订服务合同，有助于排除故障并最大限度地减少停机时间。
粉末制造的主要考虑因素
选择粉末制造工艺时需要考虑的一些关键因素包括
产品质量
- 粒度分布影响粉末特性，如流动性、致密性和分散性
- 粉末形态和内部结构决定性能
- 尽量减少结块和污染至关重要
- 一致的体积密度、含水量和纯度
安全
- 通过工程和密封解决方案控制粉尘
- 防火防爆措施
- 高噪音可能需要隔音罩
- 必要时使用本质安全型电气设备
材料特性
- 磨蚀性影响设备磨损和介质选择
- 热稳定性和化学稳定性对工艺参数的影响
- 考虑易碎性、可压缩性、静电荷
容量
- 生产规模决定设备规模和自动化水平
- 批量与连续运行会影响灵活性和产量
能源消耗
- 最大限度地减少过度研磨和超出需要的大型设备
- 考虑各种制粉技术的能效
- 热回收、变频驱动和自动化降低了能源消耗
资本成本和运营成本
- 设备成本、维护、消耗品和能源消耗
- 劳动力、监测/控制系统和停机时间的影响
- 测试和验证要求
考虑到这些参数，精心设计工艺和选择设备是粉末制造厂取得成功的关键。
粉末制造的优势和局限性
优势
- 能够精确设计出所需粒度和分布的粉末
- 在受控过程中具有良好的再现性和产品一致性
- 与散装材料相比，可将组件加工成更复杂的形状
- 较低的加工温度可节约能源
- 高表面积可提高反应活性和性能
- 材料范围广泛，包括金属、陶瓷、聚合物、化学品、食品配料等。
局限性
- 粉末处理可能比较脏乱，容易溢出
- 粉尘暴露、火灾和爆炸等健康和安全隐患
- 输送、混合和加工所需的专用设备
- 粉末可能具有粘性、磨蚀性或反应性，需要采取缓解措施
- 在大范围内保持统一性具有挑战性
- 批量工艺不太适合大规模生产
通过合理的工程设计和安全实践，在许多应用中，先进粉末材料的优势超过了其局限性。
粉末制造 - 常见问题
问：粉末生产中最常用的碾磨机类型有哪些？
答：球磨机、锤磨机和喷射磨机是粉末生产中最常用的粉碎设备。不同的应用需要根据进料、所需最终粒度、产能、污染风险等因素选择最佳的研磨机。
问：在粉末处理过程中，采取了哪些预防措施来防止粉尘爆炸？
答： 主要的防爆方法包括避免火源、控制静电积聚、避免爆炸范围内的空气-粉末混合物、使用氮气/二氧化碳进行惰化、防爆通风以及使用本质安全型电气设备。良好的粉尘控制和密封也很重要。
问：如何降低工人接触细粉的风险？
答： 策略包括全封闭输送系统、局部排气通风、集尘器、隔离操作区、手套箱/袋进/袋出密封、呼吸器等个人防护设备、暴露时间的程序控制以及危险意识培训。
问：粉末生产过程中会进行哪些关键的质量控制测试？
答：重要的粉末特性测试包括：粒度分析、形态、流速、体积/真实密度分析、水分分析、可压缩性、分散性、混合均匀性、化学成分和稳定性。这些参数决定了加工性能和产品性能。
问：在选择粉末加工设备时有哪些专业建议？
答：尽早与合格的供应商接触，从可信的来源获得推荐信，要求提供演示和样品，通过测试验证索赔，从多个供应商处获得报价，评估 OEM 的能力和经验，优先考虑安全和支持服务，规划未来的扩展需求，并考虑整个生命周期的成本。