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粉体物料形状与干法造粒的关系研究
3 干法挤压造粒
一般地，造粒的最初原料是细粉粒子，而产品是团粒（块），在此团粒中，仍保持了原始细粉粒子的某些特性。所形成的产品应是坚固稳定的物质，但有些应用中，秩序十分微弱和瞬时的粘结性，团粒的强度仅满足后续工序的需要即可。为使粉体粒化，在细粉料之间必须产生链力。粉粒间的链接作用分为五类：1.固体链接：在一定的温度条件下，在分离的相互接触点上，由于分子的相互扩散而形成连接两个颗粒的固体链；2.毛细管作用：在液体链中，毛细管压力能够使颗粒与颗粒之间形成较强的结合力。这种力在液体被蒸发后就会消失。3.粘接力和粘附力：高粘度的结合介质，如沥青和其他高分子有机液体能够形成很类似固体链的连接；4.固体颗粒之间的吸附力：固体颗粒之间的吸引力有范德华力、静电力和磁场力，如果两个颗粒靠的足够近，这些力就能把颗粒牢固地结合在一起，颗粒越小，这种结合力越明显；5.颗粒表面凹凸交错的结合力：纤维状、薄片状或形状不规则的颗粒互相接触、碰撞、重叠在一起时，形成相互交错并结合在一起。干法强压造粒尤其适用于粉体物料的成型。该法是将要造粒的粉体物料限定在特定空间中，通过施加外力使粉体物料压紧为密实状态。
1．造粒过程
如图1所示机器中，粒状物料被带入两个以相反方向回转的辊子缝隙中，当给料进入对辊间的最小缝隙处时，料粒便被压成团块，在制团机中，团块的形状是由辊子上的窝坑或刻槽控制。在干法挤压造粒机机中，团聚产品呈薄片状，因为压辊表面为光滑或波纹形。压出的薄片在常规整粒设备中可粒化成所希望的颗粒尺寸。
从图1中可以看到干法挤压造粒机的压力增强作用出现在两个部位，在辊缝的上部区域，欲压制的物料由于压辊表面与物料间的滑动而被挤入辊缝中。辊子与物料间的滑动出现在咬入角以上，咬入角以下，物料不发生滑动而是被挤压成最终的团块。迫使物料进入咬入角的压辊的有效性及咬入角大小与压力增强的情况都取决于物料的流动性。
2．特性方程
1）压辊压强与压辊转速之间的关系
根据干法挤造粒压机特性方程得到如下方程：
（1）
式中：
D ——压辊直径；
W ——压辊宽度，in；
Pb ——产生优良团块最大压强，psi；
RP——压辊功率，W；
T ——舌板因子；
n ——压辊转度，转/分。
2）球粒由于范德华力形成的最大抗压强度方程
球粒由于范德华力形成的最大抗张强度（σT）方程
（2）
式中ε —粒料的空隙率；a —两颗粒间表面的距离；dP—球形、单一粒度颗粒的直径；C—比例系数。
3） 球粒的抗压强度（σC）与其抗张强度的关系
σT/σC≈ 0.50~0.77 （3）
取 σC=2σT
由式（2）和式（3）得球粒由于范德华力形成的最大抗压强度（σC）方程为：
（4）
由于球形粉体的表面粗糙度系数最小，表面最为光滑，均一尺寸球形粉体形成颗粒时，粉体间均是点接触，产生的颗粒强度相对较小，所以其它形状的粉体在没有添加粘结剂的情况下，成型后颗粒的抗压强度可能会高于均一尺寸球形粉体所制的颗粒的抗压强度。
4 干法挤压造粒实验参数
1．实验物料表观特征
以下是几种实验物料的表观特征，如表1所示： 表 1 物料表征
名 称 颜 色 形 状 其 他
滑 石 粉 白 色 正 圆 形 单一粒度，极细，干燥，面粉状
A 白 色 粒 状 单一粒度，略有发潮感
B 砖 红 粒 状 存在粒度分布，干燥，细沙状
白色粉末 白 色 近似圆盘体 单一粒度，略有团聚现象
MD-697 白 色 近似圆盘体 单一粒度，极细，干燥，面粉状
MD-1024 白 色 圆 柱 体 单一粒度，极细，干燥，面粉状 以上各种粉体物料的单个粉体颗粒具体形状如表2示：
2．由各种单一的实验物料所制颗粒的理论抗压强度
各参数取值如下
ε ： 单一粒径粒子ε = 0.5
a ： 设a = 1μm
则得出各种实验物料折合成单一球体后，制得的颗粒（相同压辊压强下）的抗压强度：
滑石粉 2C （C为比例系数）
白色KCl 10C
白色粉末 10C
MD-697 20C
MD-1024 2C
由理论值得到由几种实验粉体压制得到的颗粒的抗压强度大小关系为：
MD-697＞白色KCl＝白色粉末＞ MD-1024 =滑石粉
由于砖红色KCl粉体存在粒径分布，而具有粒径分布的粉体，趋于产生紧密堆积，实际上难以从理论上计算其空隙率，故不做计算。但由于存在粒径分布，成粒会出现异径颗粒填充，填充率会显著提高。
1）压辊压强与压辊转速间的理论曲线图，图2。
2）实验得出的颗粒抗压强度与压辊转速关系曲线图，图3。
从表中数据和曲线图可知，随着压辊速度改变，各种粉体物料经对辊造粒机造粒，制得的颗粒的抗压强度的变化规律是相同的。实验表明，辊子的转速越高，颗粒的抗压强度越低；辊子的转速越低，颗粒的抗压强度越高。
比较图2和图3可以发现，在不同压辊转速下，压辊压强与制得的颗粒的抗压强度在图线趋势上是相同的，即：压辊压强增大时，制得的颗粒的抗压强度也相应增大，但颗粒抗压强度曲线比压辊压强曲线平缓。这主要是粉体被挤压形成颗粒时，粉体间存在范德华力。当粉体成粒后，随着外界压力逐渐增大时，粉体间斥力也会增大，使粉体颗粒进一步压缩变得越来越困难，所以制得的颗粒的抗压强度曲线会随辊子压强的增加（辊子转速的减慢）而变得越来越平缓。
由表可见，同种粉体材料在添加粘结剂前后，其所得颗粒的抗压强度也有不同，但并不是加入粘结剂后所制得的颗粒在抗压强度上就一定会有所提高。这主要是由于实验中所加粘结剂占总量很小，分布上又不太均匀，在局部粉体间形成液体桥，液体桥的粘结作用不如范德华力，宏观上颗粒的抗压强度也就有所下降。当液体桥干燥而变成固体桥时，颗粒的抗压强度会增强。
从表中数据可以看出，不同种粉体在相同转速条件下抗压强度相差很大。有的粉体在较高转速下依然得到较高的颗粒抗压强度，如砖红色KCl；有的粉体即使转速调到最低依然不能得到符合要求的颗粒，如滑石粉。并且同为单一粒径、粉体颗粒形状也相同的白色粉末与抗氧剂MD-697，由于粒径不同（相差10倍），在相同压辊转速下制得颗粒的抗压强度也有差别。由实验数据、图表与理论分析对比，发现实验数据与理论分析基本吻合，只有颗粒的抗压强度的理论数值与实验得出的数值出入较大，但这都是意料之中的，正好说明了粉体物料颗粒形状对由挤压造粒机制得的颗粒的抗压强度有很大的影响。
之所以颗粒抗压强度的理论值与实验值存在偏差，主要是由于理论计算是在把粉体物料颗粒定为单一粒径的球形颗粒这一前提条件下进行的，而实际中的粉体物料颗粒几乎不可能是单一粒径的球形颗粒。在没有加入粘结剂的情况下，颗粒内部为干燥状态，不存在液体桥连接力，粉体间的连接力有范德华力、静电力、磁性力等作用力，其中范德华力起主导作用。当单一粒径的球形粉体被挤压成粒时，颗粒内部各粉体变形较小，各粉体之间仍可视为点接触。若粉体颗粒形状由球形变为其他形状，粉体颗粒的形状越复杂，压制成粒后粉体间接触面积越大，范德华力也越大，因而制得的颗粒抗压强度越大。并且形状复杂的粉体颗粒被挤压后，粉体与粉体之间会造成楔住和钩结，使粉体间产生机械啮合，强度也得到了提高。粉体颗粒的形状越复杂，其球形度数值越小。所以粉体颗粒的球形度与挤压制得的颗粒的抗压强度存在以下关系：粉体颗粒球形度越大，挤压制得的颗粒的抗压强度越小。
从表中可以看出，对于滑石粉无论压辊转速调为多少，成粒都十分困难；对于砖红色KCl压辊转速即使调到最高，所得颗粒抗压强度依然很好。其他几种粉体成粒抗压强度适中。这是因为砖红色KCl粉体中存在粒径分布，在大粒径颗粒受压紧密排列的同时，小粒径颗粒会填充到大粒径颗粒排列的空隙中，形成异径颗粒填充，提高填充率。这样不但可以提高颗粒的密度、减小了空隙率，而且颗粒中粉体间接触面积更大，粉体间范德华力更强，提高了颗粒的抗压强度
实验中发现，有些粉体在压制成粒状之后，所得颗粒颜色上会与原粉体有偏差。这主要是由于粉体压制成粒状后，粉体的密度发生变化，由表观密度变为振实密度，密度的改变导致光的反射、漫反射程度发生改变，所以宏观上颜色发生了变化。这属于物理变化，没有改变粉体的化学成分。
5 结论
粉体颗粒形状对由干法挤压造粒机制得的颗粒的抗压强度有很大影响：
1） 粉体颗粒球的形状越趋近于球体，即粉体颗粒的球形度越大，挤压制得的颗粒的抗压强度越小；粉体颗粒的形状越复杂，既粉体颗粒的球形度越小，挤压制得的颗粒的抗压强度越大。
2） 粉体颗粒为正球体时，挤压成粒效果不如其它形状的粉体。
3） 当粉体存在粒径分布时，其制得的颗粒的抗压强度要高于均一粒径粉体制得的颗粒。
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