微波辅助行星式球磨反应器的制作方法

464 编辑：中冶有色技术网来源：黄湛明

2023-09-13 16:05:37

本实用新型涉及化学工程技术、化学反应工程和粉体材料制备技术领域，具体涉及一种球磨反应器，尤其涉及一种微波辅助行星式球磨反应器。

背景技术：

球磨是利用研磨体的冲击作用以及研磨体与球磨内壁的研磨作用而将物料粉碎并混合的过程。当球磨反应器转动时，由于研磨体与球磨内壁之间的摩擦作用，将研磨体依旋转的方向带上后再落下，在冲击力和剪切力的作用下使物料连续不断地被粉碎。高能球磨是利用球磨的高速转动或振动，使硬球对原材料进行强烈的撞击、研磨、和搅拌，把粉末粉碎为纳米级微粒的方法。球磨技术除了粉碎物料、混合物料之外，还可以用于粉末的机械合金化，这是一种通过高能球磨使粉末经受反复的变形、冷焊、破碎，从而达到元素间原子水平合金化的复杂物理化学过程。可见，球磨技术在工业生产中的应用非常广泛。

球磨过程是一个动态过程，可以使液固、固固之间发生强烈的碰撞，从而产生局部高温，如果同时提供加热环境，可以产生高温高压环境，促进原子的扩散，有利于机械合金化，但是由于传统的加热过程是通过热传导和对流传热来传递能量的，机械合金化进程缓慢，通常需要几十个小时，甚至上百个小时，效率低,这种过程除了能量传递速率和能量利用率低之外，由于是接触式的传热，所以设计结构也会非常复杂。

行星式球磨机是针对粉碎、研磨、分散金属、非金属、有机、中草药等粉体进行设计的，特别适合实验室研究使用，其工作原理是利用磨料与试料在研磨罐内高速翻滚，对物料产生强力剪切、冲击、碾压达到粉碎、研磨、分散、乳化物料的目的。行星式球磨机在同一转盘上装有四个球磨罐，当转盘转动时，球磨罐在绕转盘轴公转的同时又围绕自身轴心自转，作行星式运动。罐中磨球在高速运动中相互碰撞，研磨和混合样品。该产品能用干、湿两种方法研磨和混合粒度不同、材料各异的产品，研磨产品最小粒度可至0.1微米。能很好的实现各种工艺参数要求，同时由于其小批量、低功耗、低价位的优点，是学校、研究单位、公司是进行粉碎工艺、新材料、涂料研究的首选设备。

众所周知，微波加热是利用微波的能量特征，对物体进行加热的过程。微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波。被加热介质物料中的水分子是极性分子，它在快速变化的高频电磁场作用下，其极性取向将随着外电场的变化而变化，造成分子的运动和相互摩擦效应。此时微波场的场能转化为介质内的热能，使物料温度升高，产生热化和膨化一系列物化过程而达到微波加热干燥的目的。微波对介质材料是瞬时加热升温，因此具有快速加热的特点。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。

然而目前还没有将微波应用到行星式球磨机的相关装置。因此，对于本领域技术人员而言，如何开发一种微波辅助行星式球磨反应器，这具有比较现实的意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种微波辅助行星式球磨反应器，以解决背景技术存在的至少一个技术问题。

为解决上述问题，本实用新型提供了一种微波辅助行星式球磨反应器，包括球磨系统，所述球磨系统包括驱动电机、转轴、转盘、球磨罐和置于球磨罐内的研磨球，所述球磨罐安装在所述转盘上，所述转盘的底部通过转轴与所述驱动电机连接，其特征在于：还包括微波辅助系统、控制系统和温度传感器，所述微波辅助系统包括微波加热筒、微波馈口和微波发生装置，所述微波馈口设置在微波加热筒的侧壁且与微波加热筒内腔封闭式紧固连接，所述微波馈口和微波发生装置连接，所述转盘和球磨罐设置在所述微波加热筒的内部，所述驱动电机设置在所述微波加热筒的外部，所述转轴的上端穿过微波加热筒的底壁与转盘连接，所述转轴的下端与驱动电机连接，所述温度传感器用于检测所述微波加热筒内部温度，所述微波发生装置和温度传感器均与所述控制系统连接。

作为上述微波辅助行星式球磨反应器的进一步改进，所述温度传感器为热电偶；或，所述温度传感器为红外在线温度探测器，所述微波加热筒的侧壁设有红外探测口，所述红外在线温度探测器通过所述红外探测口检测所述微波加热筒内部温度。

作为上述微波辅助行星式球磨反应器的进一步改进，所述微波加热筒材质为金属，所述微波加热筒的内壁为光滑面。

作为上述微波辅助行星式球磨反应器的进一步改进，所述球磨罐的数量为2个或4个或8个，多个球磨罐对称布置在所述转盘上。

作为上述微波辅助行星式球磨反应器的进一步改进，所述微波发生装置包括微波电源和微波发射源。

作为上述微波辅助行星式球磨反应器的进一步改进，所述球磨罐内设有用于检测所述球磨罐内部压力的压力传感器，所述球磨罐的顶壁设有泄压口和置于泄压口内的控制阀门，所述压力传感器和所述控制阀门分别与所述控制系统连接。

作为上述微波辅助行星式球磨反应器的进一步改进，所述微波馈口的数量为多个，多个微波馈口沿周向对称分布在所述微波加热筒的侧壁上。

作为上述微波辅助行星式球磨反应器的进一步改进，所述球磨罐材质为陶瓷或者透波树脂。

作为上述微波辅助行星式球磨反应器的进一步改进，所述球磨罐的壁为夹层结构，所述夹层结构内填充有石墨烯、碳纳米管和纳米炭黑中的一种或多种。

作为上述微波辅助行星式球磨反应器的进一步改进，所述研磨球材质为陶瓷或者金属或者玛瑙球；所述转轴与微波加热筒的接口处设有轴封装置；所述微波加热筒的顶部安装有保护罩。

本实用新型的微波辅助行星式球磨反应器，采用微波辅助，而微波加热是一种非接触式的冷加热源，它不需要与被加热体接触，而且也不需要大量的绝热材料和保温材料设计，且微波加热本身具有良好的非热效应，即能够促进原子之间的扩散，有利于合金化的进程和扩散程度，可以大幅提高生产效率，缩短生产时间，因此，利用微波进行高能球磨辅助，将两者之间的优势结合起来可以制备性能优异的合金粉体材料。

此外，本实用新型的微波辅助行星式球磨反应器，可以应用于所有固相参与的反应，如固液反应、气固反应和固固反应等，能够在实现温度的较为精确控制的前提下，让固相参与的反应更加充分和均匀，也适用于高质量粉末材料制备和特殊化学反应工程的应用。另外，本实用新型具有绿色环保，环境友好，以电能二次能源为动力，不存在污染和高能耗的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型第一实施例的微波辅助行星式球磨反应器的结构示意图；

图2为本实用新型第二实施例的微波辅助行星式球磨反应器的结构示意图。

附图中：

1-驱动电机2-转轴3-转盘

4-球磨罐5-研磨球6-控制系统

7-微波加热筒8-微波馈口9-微波发生装置

10-红外在线温度探测器11-红外探测口12-泄压口

13-轴封装置14-保护罩

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，出现的术语所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，否则对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1和图2所示，一种微波辅助行星式球磨反应器，包括球磨系统、微波辅助系统、控制系统6和温度传感器，球磨系统包括驱动电机1、转轴2、转盘3、球磨罐4和置于球磨罐4内的研磨球5，球磨罐4安装在转盘3上，转盘3的底部通过转轴2与驱动电机1连接，微波辅助系统包括微波加热筒7、微波馈口8和微波发生装置9，微波馈口8设置在微波加热筒7的侧壁且与微波加热筒7内腔封闭式紧固连接，微波馈口8和微波发生装置9连接，转盘3和球磨罐4设置在微波加热筒7的内部，驱动电机1设置在微波加热筒7的外部，转轴2的上端穿过微波加热筒7的底壁与转盘3连接，转轴2的下端与驱动电机1连接，温度传感器用于检测微波加热筒7内部温度，微波发生装置9和温度传感器均与控制系统6连接。

其中，驱动电机1、转轴2、转盘3、球磨罐4和置于球磨罐4内的研磨球5均可以参考现有结构进行设置，行星式球磨反应器在同一转盘3上装有多个球磨罐4，当转盘3转动时，球磨罐4在绕转轴2公转的同时又围绕自身轴心自转，作行星式运动。一般的，多个球磨罐4需要对称布置在转轴2上，其数量可以为2个，也可以为4个，还可以为8个，优选的，球磨罐4为夹层球磨罐。

在一种优选实施例中，球磨罐的材质为透波树脂或者陶瓷材料，球磨罐4的壁为夹层结构，所述夹层结构内填充有石墨烯、碳纳米管和纳米炭黑中的一种或多种强吸波材料，即球磨罐4具有密封的夹层结构或者球磨罐的壁设有夹层，球磨罐壁为透波树脂或者陶瓷材料，夹层结构填充石墨烯、碳纳米管和纳米炭黑等强吸波材料，这样的设置好处是球磨罐可以快速吸收微波能量，并将其转化为热能。

微波发生装置9包括微波电源和微波发射源，微波电源和微波发射源连接，微波发射源和微波馈口8连接，微波电源和控制系统6连接，微波发射源通过微波馈口8对球磨罐4内的物料进行加热，微波发射源的频率和功率可以调节，控制系统6通过微波电源控制微波发射源的输出功率。

控制系统6用于通过温度传感器和微波辅助系统控制球磨罐4内的反应温度，控制系统6根据温度传感器的检测信号，再通过控制微波发生装置9的输出功率，从而达到控制球磨罐4内的反应温度的目的。作为温度传感器的一种具体实现方式，温度传感器为热电偶。在一种等同的技术方案中，温度传感器为红外在线温度探测器10，微波加热筒7的侧壁设有红外探测口11，红外在线温度探测器10与红外探测口11的位置对应，红外在线温度探测器10通过红外探测口11检测微波加热筒7内部温度，红外探测口11通常可以由带金属网的微晶玻璃组成。可选的，控制系统6与驱动电机1连接，从而可以通过控制系统控制驱动电机1的转速。

本实用新型的微波辅助行星式球磨反应器，采用微波辅助，而微波加热是一种非接触式的冷加热源，它不需要与被加热体接触，而且也不需要大量的绝热材料和保温材料设计，且微波加热本身具有良好的非热效应，即能够促进原子之间的扩散，有利于合金化的进程和扩散程度，可以大幅提高生产效率，缩短生产时间，因此，利用微波进行高能球磨辅助，将两者之间的优势结合起来可以制备性能优异的合金粉体材料。

此外，本实用新型的微波辅助行星式球磨反应器，可以应用于所有固相参与的反应，如固液反应、气固反应和固固反应等，能够在实现温度的较为精确控制的前提下，让固相参与的反应更加充分和均匀，也适用于高质量粉末材料制备和特殊化学反应工程的应用。另外，本实用新型具有绿色环保，环境友好，以电能二次能源为动力，不存在污染和高能耗的问题。

在一种优选实施例中，为了避免微波泄漏，微波加热筒7采用金属外壳。即微波加热筒7材质为金属，微波加热筒7的内壁为光滑面，换言之，微波加热筒7腔体由光滑金属组成，可选的，微波加热筒7里衬的表面粗糙度小于3.0微米，这样设置，可以增加微波的反射率，即保证微波的加热效率。另外，研磨球5可以为金属、陶瓷或者玛瑙球材质。

为了避免球磨罐4内压力过大，球磨罐4内设有用于检测球磨罐4内部压力的压力传感器，球磨罐4的顶壁设有泄压口12和置于泄压口12内的控制阀门，压力传感器和控制阀门分别与控制系统6连接，控制系统6根据压力传感器的检测值控制控制阀门的开启，当然也可以在泄压口12处直接设置安全阀，当压力超过预设值时，安全阀自动开启。该实施例中，球磨罐4为压力容器，可以调节压力，上面有泄压口12，能够在同时实现温度和压强两个参数较为精确控制的前提下，让固相参与的反应更加充分和均匀，适用于高质量粉末材料制备和特殊化学反应工程的应用。本实用新型结合了微波加热的特点以及固相参与反应的特点，设计了一种不仅在常温常压下，也可以在高温高压环境下，较为精确的控制反应温度和压强等关键技术参数，又能保证密封良好前提下反应的充分进行，为生产过程的顺利进行和产品质量的稳定提高提供重要的硬件基础。

为了提高球磨罐4内微波场强的均匀性，如图2所示，微波馈口8的数量为多个，多个微波馈口8沿周向对称分布在微波加热筒7的侧壁上，相应的，微波发生装置9的数量也为多个，一个微波发生装置9连接一个微波馈口8，多个微波发生装置9均与控制系统6连接。

具体可选的，控制系统6包括控制柜和设置在控制柜表面的控制面板，控制面板上设有用于显示参数的显示屏和按键等，微波加热筒7侧壁的内表面沿周向包裹一层保温透波层，保温透波层位于微波加热筒7和球磨罐4之间。其中，利用微波对金属不起作用但容易通过陶瓷、塑料和纸制品的机理，球磨罐4、保温透波层材质可以为玻璃或者陶瓷或者树脂材料，在一种优选实施例中，保温透波层为透波陶瓷材料制成，优选为莫来石纤维复合材料或刚玉莫来石复合材料。在另外一种优选实施例中，保温透波层材质为二氧化硅粉、二氧化硅气凝胶粉末和水玻璃按质量比混合，其中二氧化硅粉占10-20份、二氧化硅气凝胶粉末占10-20份，水玻璃占60-80份，均匀混合后进行浇注成形，然后在1200-1500摄氏度进行烧结处理得到保温透波层，该实施例中，气凝胶巨大的孔隙率使得其具有很好的透波性的同时，又具有非常优异的保温性。

具体可选的，转轴2与微波加热筒7的接口处设有轴封装置13，轴封装置13用于起到密封作用，以密封转轴2与微波加热筒7的接口处，如可以为旋转密封装置，旋转密封装置属于现有技术。为了提高本微波辅助行星式球磨反应器的安全性能，微波加热筒7的顶部安装有保护罩14，保护罩14具有金属防爆功能，即保护罩14为防爆保护罩，其可以为阻隔防爆材料产品。

综上，本实用新型的微波辅助行星式球磨反应器，可以应用于所有固相参与的反应，如固液反应、气固反应和固固反应等，能够在实现温度的较为精确控制的前提下，让固相参与的反应更加充分和均匀，也适用于高质量粉末材料制备和特殊化学反应工程的应用。

本实用新型的微波辅助行星式球磨反应器，主要具有以下几方面的有益效果：

一、结构简单、使用方便，制造和维护成本低；

二、适用范围广，能够使用于所有具有固相参与的反应中；

三、使用条件广，既可以是常温常压下的反应，也可以是高温高压下的反应；

四、充分利用微波加热的特点，微波对介质材料是瞬时加热升温，微波加热具有加热均匀、加热速度快、热量损失小、操作方便、折叠控制及时、反应灵敏等特点，同时微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要，因而能够使得球磨罐内的温度更均匀，温度控制反应更灵敏；

五、本实用新型具有绿色环保，环境友好，以电能二次能源为动力，不存在污染和高能耗的问题。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

1.一种微波辅助行星式球磨反应器，包括球磨系统，所述球磨系统包括驱动电机(1)、转轴(2)、转盘(3)、球磨罐(4)和置于球磨罐(4)内的研磨球(5)，所述球磨罐(4)安装在所述转盘(3)上，所述转盘(3)的底部通过转轴(2)与所述驱动电机(1)连接，其特征在于：还包括微波辅助系统、控制系统(6)和温度传感器，所述微波辅助系统包括微波加热筒(7)、微波馈口(8)和微波发生装置(9)，所述微波馈口(8)设置在微波加热筒(7)的侧壁且与微波加热筒(7)内腔封闭式紧固连接，所述微波馈口(8)和微波发生装置(9)连接，所述转盘(3)和球磨罐(4)设置在所述微波加热筒(7)的内部，所述驱动电机(1)设置在所述微波加热筒(7)的外部，所述转轴(2)的上端穿过微波加热筒(7)的底壁与转盘(3)连接，所述转轴(2)的下端与驱动电机(1)连接，所述温度传感器用于检测所述微波加热筒(7)内部温度，所述微波发生装置(9)和温度传感器均与所述控制系统(6)连接。

2.根据权利要求1所述的微波辅助行星式球磨反应器，其特征在于：所述温度传感器为热电偶；或，所述温度传感器为红外在线温度探测器(10)，所述微波加热筒(7)的侧壁设有红外探测口(11)，所述红外在线温度探测器(10)通过所述红外探测口(11)检测所述微波加热筒(7)内部温度。

3.根据权利要求1所述的微波辅助行星式球磨反应器，其特征在于：所述微波加热筒(7)材质为金属，所述微波加热筒(7)的内壁为光滑面。

4.根据权利要求1所述的微波辅助行星式球磨反应器，其特征在于：所述球磨罐(4)的数量为2个或4个或8个，多个球磨罐(4)对称布置在所述转盘(3)上。

5.根据权利要求1所述的微波辅助行星式球磨反应器，其特征在于：所述微波发生装置(9)包括微波电源和微波发射源。

6.根据权利要求1所述的微波辅助行星式球磨反应器，其特征在于：所述球磨罐(4)内设有用于检测所述球磨罐(4)内部压力的压力传感器，所述球磨罐(4)的顶壁设有泄压口(12)和置于泄压口(12)内的控制阀门，所述压力传感器和所述控制阀门分别与所述控制系统(6)连接。

7.根据权利要求1所述的微波辅助行星式球磨反应器，其特征在于：所述微波馈口(8)的数量为多个，多个微波馈口(8)沿周向对称分布在所述微波加热筒(7)的侧壁上。

8.根据权利要求1-7任一项所述的微波辅助行星式球磨反应器，其特征在于：所述球磨罐(4)材质为陶瓷或者透波树脂。

9.根据权利要求8所述的微波辅助行星式球磨反应器，其特征在于：所述球磨罐(4)的壁为夹层结构，所述夹层结构内填充有石墨烯、碳纳米管和纳米炭黑中的一种或多种透波树脂。

10.根据权利要求1-7任一项所述的微波辅助行星式球磨反应器，其特征在于：所述研磨球(5)材质为陶瓷或者金属或者玛瑙球；所述转轴(2)与微波加热筒(7)的接口处设有轴封装置(13)；所述微波加热筒(7)的顶部安装有保护罩(14)。

技术总结

本实用新型提供了一种微波辅助行星式球磨反应器，包括球磨系统、微波辅助系统、控制系统和温度传感器，球磨系统包括驱动电机、转轴、转盘、球磨罐和置于球磨罐内的研磨球，球磨罐安装在转盘上，转盘的底部通过转轴与驱动电机连接，微波辅助系统包括微波加热筒、微波馈口和微波发生装置，微波馈口设置在微波加热筒的侧壁且与微波加热筒内腔封闭式紧固连接，微波馈口和微波发生装置连接，转盘和球磨罐设置在微波加热筒的内部，驱动电机设置在微波加热筒的外部，转轴的上端穿过微波加热筒的底壁与转盘连接，转轴的下端与驱动电机连接，温度传感器用于检测微波加热筒内部温度，微波发生装置和温度传感器均与控制系统连接。

技术研发人员：黄湛明;鲍瑞

受保护的技术使用者：黄湛明

技术研发日：2019.07.25

技术公布日：2020.05.01

声明：

“微波辅助行星式球磨反应器的制作方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。

我是此专利(论文)的发明人(作者)