激光法测量矿粉粒径分布试验

粒度是衡量物质外观尺度的重要物理量,多种方法可用于颗粒物粒度分析,如筛析法、沉降法、直接测量法、图像分析法、X射线衰减法、光散射法、库尔特法和激光法等[1]。比较而言,激光法具有分析速度快、重现性好等优点,近年来的应用领域不断扩大,在粉体加工、海洋矿产、环境学、石油开采等方面得到了广泛的应用[2,3,4,5]。

激光粒度分析法的原理是,在一定波长的激光照射下,颗粒在各个方向产生的散射图样与颗粒粒径大小、颗粒形状和颗粒材料的光学特性有关。当颗粒样品以合适的浓度分散于适宜的液体或气体中,使其通过单色光束(如激光),当光遇到颗粒后以不同角度散射,由多元探测器测量散射光,存储这些与散射图样有关的数值并用于随后的分析。通过适当的光学模型和数学过程,转换这些量化的散射数据,得到一系列离散的粒径段上的颗粒体积相对于颗粒总体积的百分比,从而得出颗粒粒度体积分布。分析步骤包括:

选择合适的粒径范围,在光学部件正确对焦后,测量无颗粒的分散介质背景,背景测量应与样品测量采用相同的仪器条件,背景测量完成后应马上测量样品。

目视或者借助显微镜检查所要分析的样品,估计粒径范围和颗粒形状,并检查颗粒是否已被充分分散。选择一个合适的分样技术来获取适当体积的样品,如果颗粒最大粒径超过了测量范围,可采用预筛分以去除过粗的颗粒,并测量和记录去除颗粒的量或百分比。

干粉可以分散在空气或液体中,分散过程应当根据测量目的进行调整,例如是测量团聚颗粒还是测量不团聚的原始颗粒。许多液体都可以作为分散介质,通常将样品制成膏剂,搅拌和超声波都很容易使液体中的颗粒良好分散。理想的分散条件应使样品完全分散,同时不造成颗粒的破碎,并达到足够低的浓度以确保颗粒的单散射。

将分散良好的悬浮液或气体通过激光照射池,检测悬浮物的粒径分布。确保有足够的测量时间采集到足够的信号,并检查测量时间长短对粒度分布结果的影响。

试验在JL-1177型激光粒度分布测试仪(成都精新粉体测试设备有限公司生产)上进行。对调节方便且影响大的参数进行了试验,该试验中样品粒径分布以X50(体积中位径,即小于该粒径的颗粒占体积的50%,大于的占50%)来衡量。试验样品为矿物粉末,编号为01和02。

矿粉的粒度分布范围一般较宽,在考虑样品的代表性时要求样品量尽可能多,但激光粒度仪分析样品用量通常很少。测量区域内颗粒的浓度应适量,以便产生足够的信号,或达到测量精度下可接受的信噪比,并避免多重散射对粒度结果的影响。中小颗粒在粒径分布中的比例确定了样品用量的上限,如果所有颗粒都大于100 μm,则较高的样品量也不会引发多重散射。

JL-1177型激光粒度分布测试仪没有“遮光率”这一参数(GB/T 19077-2016 粒度分析激光衍射法中使用“遮光率”衡量颗粒物浓度的大小),与加样量相关的参数为“浓度”,反映的是单次测试所需样品量的多少。为确保适当的测试精度,要求其值为50%～85%。在其它条件相同时,试验了样品用量对X50相对误差的影响,结果如图1所示。

通常样品加多了会导致颗粒多重散射,会增大散射角,从而使粒度分布的结果向较小的粒度偏移。由于样品“浓度”是测量区域内颗粒大小、粒度分布宽度、激光束宽度以及测量区厚度的函数,因此无法给出它的确切质量浓度范围。由图1可知,当样品用量“浓度”值显示为52～88时,这两样品体积中位径的相对误差较小,小于±5%。而且,从曲线看出,在体积中位径相对误差一致的条件下,这两个样品的用量是有差异的,粒度小的样品用量也相应少。样品用量与仪器类型相关,Micro S3500激光粒度仪的大致样品用量约0.2 g,JL-1177型仪器的样品用量较少,约0.1 g。

该仪器通过“浓度”来判断是否需要稀释样品。当加入样品量过多,即“浓度”超过了85%,可加水稀释。将平行样直接测量与稀释后测量的数据比对,结果如图2所示,发现稀释后测量结果中粗粒部分的粒径减小,X50减小,平均粒径减少。通过多次稀释,部分样品的X50可能相差25%。说明稀释对测试结果影响较大,一般情形下不采用。

每个样品分出6份平行样,分别以分散时间30 s、60 s、90 s、120 s、150 s,测定这6个平行样的粒径分布,每个样在有效信号时间范围内依序记录5次粒径分布。表1为不同分散时间和记录数据次序的统计结果。随着分散时间延长,各次记录数据的标准偏差及变异系数先减小,后增大。当处理时间为90 s时,平行样的X50标准偏差及变异系数最小;并且这5次X50粒径记录中的第3次记录的标准偏差及变异系数最小。说明分散时间以90 s为宜,但01号样品的变异系数大于5%,以单次记录作为结果误差较大。图3为分散时间90 s测量记录次序-粒径的关系图,随着测试记录次数增加,样品在仪器中滞留的时间延长,固体颗粒相互碰撞破碎的几率升高,相应测试结果的粒径值趋于减小。

(续表1)

JL-1177型激光粒度分布测试仪,按使用说明是直接加入固体粉末样,为达到适宜的样品添加量,需先以不同的加样量尝试几次。为简化样品分取方式,可将待测样品均分出适量制成稠厚浆料,用勺子分取加入仪器样品池测试。另一法是将样品制成悬浮液,用吸管边搅拌边吸取样品悬浮液上机测试。用这两种分取方式测试50组样品,发现采用浆料法的平行样粒度均值超差率为12%,标准偏差为3.5%;采用悬浮液吸取法平行样的均值超差率为25%,标准偏差为7.5%。浆料法分析结果中粗粒级(砂)所占的比例大部分低于悬浮液吸取法,平均偏低4.5%;浆料法细粒级的均值则大部分高于悬浮液吸取法,平均偏高2.3%。因此,这两种方法都给测试带来了随机误差,悬浮液吸取法的误差更大。

为检验测试结果的精密度,取分散时间为90 s,对上述两个样品分别作6份平行样测试,每个平行样依序记录5次粒度分布测试数据,并分别取数据记录的前1次、前2次、前3次、前4次和5次结果取平均值。表2为平行样不同记录次数的数据处理结果。

由表2可知,将单次测试的前2～4次记录数据结果取平均值,这两个样品粒径分布的标准偏差和变异系数都较小,数据较稳定。该试验条件下,推荐取单个样品粒度测试的前3次记录平均值作为粒径测试结果。

采用玻璃微珠标准样品SB040102进行仪器精密度的检验,该仪器重复测量5次,其体积中位径标准偏差为0.18,相对标准偏差为0.35%。但重复测量试验矿粉,其平均粒径的标准偏差为0.34,相对标准偏差1.6%～4.2%。玻璃微珠粒度的分布范围为37～148 μm,X90/X10的比值为4;01号样粒度的分布范围为0.06～54.27 μm,X90/X10的比值为55;02号样粒度的分布范围为0.05～92.57 μm,X90/X10的比值为39,说明X90/X10比值小,颗粒粒径分布范围窄的样品结果精密度较高。

沉降法原理是依据Stokes定律,在一定条件下,颗粒在液体中的沉降速度与粒径的平方成正比,与液体的粘度成反比。由于实际颗粒的形状大部分非球形,因此这类粒度仪所测得的粒径被称为“Stokes直径”或等效沉降速度粒径。代表仪器为离心粒度仪,采用重力沉降、离心沉降以及二者结合等多种沉降方式与测量装置有机结合,以BT-1500型(四川科仪诚科技有限公司制)为例,其可测量0.1 ～150 μm的颗粒,范围较激光法的小,其测量重复性和精度相对较差,其标样体积中位径的相对误差小于4%。将激光法6次平行样结果的平均值(粒径-体积浓度分布)换算成粒径-质量浓度分布(设定试验样品粉末的密度为2.48 g/cm3,且不随颗粒粒径改变),结果如图4所示。粒径<2 μm段,激光法结果比沉降法低15.4%～21.7%,2～50μm区间激光法结果比沉降法高9.2%～17.2%,>50 μm段,激光法结果比沉降法低21.9%～27.0%。说明激光法测定这些矿粉粒径分布的结果与沉降法的基本一致[6,7,8,9]。

筛分法适用于胶结程度中等以下的样品粒度分析[10]。通过不同孔径的标准筛来将颗粒物分成筛上和筛下两部分,分别称重,进而得出不同粒级的颗粒粒径分布,是最为通用和直观的方法。但受筛网层数的限制,对粒径分布的测量较粗糙。对相互吸引易粘合成团的和易碎的颗粒准确性不高。对于粒径较小的颗粒,如小于45 μm,筛分法的可靠性较低,而激光粒度仪的测试范围一般可达0.02～2 000 μm。

库尔特法原理是悬浮在电解液中的颗粒随电解液通过小孔管时会产生一个电脉冲,脉冲的的峰值与颗粒的体积成正比,脉冲个数与颗粒的数量成正比,借此能统计出流过孔口的颗粒个数和各颗粒的体积,再按等效球体积换算成粒径。该仪器对SB040102玻璃微珠样品的粒度分布标准曲线重复性较好,粒径值也符合标准值。但测某些特殊粉末时的结果重复性稍逊于激光粒度仪。例如,Multisizer系列颗粒计数级粒度分析仪可分析粒径0.4～1 600 μm的颗粒,比激光粒度仪的范围窄。

是用计算机处理样品的显微图像,统计颗粒物的相对面积,进而计算出不同粒径区间的颗粒分布。但图像法忽略了8 μm以下的颗粒,测量结果比激光法粒径偏大,实际工作中也无法对这两种方法的数据比对。

实测数据均取5次平行样的平均值。某粘土样品,按沉降法(LY/T 1225-1999)测定,该样品粒度分布见表3(样品过0.25 mm筛后再测试)。

分别用0.25 mm、0.045 mm和0.025 mm孔径筛子筛分该样品,粒径分布见表4。小孔径的筛子(如孔径25 μm)筛分样品困难,孔径更小的筛子筛分效率极低,因此,25 μm以下的颗粒没有进行筛分,没有分级数据。

激光粒度仪测试的结果见表5(样品过0.25 mm和0.045 mm筛后再测试)。

直观来看,45 μm以上颗粒的筛分数据是可靠的。在50～250 μm粒径范围,沉降法粒度测试结果偏低,比激光法约低11.9%;在20～50 μm粒径范围,沉降法粒度测试结果偏低,比激光法约低18.1%;在2～20 μm粒径范围,沉降法粒度测试结果比激光法约低18.5%;在<2 μm粒径范围,沉降法粒度测试结果比激光法约高27.9%。可能原因是激光法测粒径时,样品颗粒没有完全解离,造成激光法的结果粗粒级数值相对偏高,而细粒级数据相对偏低。

1.在合适的仪器运行参数、样品分散时间等条件下,在可以获得足够分析信号的测量周期内,连续记录2～4次粒度分布测试数据,其粒径平均值的标准偏差和变异系数都较小。01#样品前三次粒径平均值的标准偏差分别为0.25、0.30和0.34,变异系数3.42%、4.20%和4.84%,02#样品粒径平均值的标准偏差分别为0.36、0.34和0.33,变异系数为1.75%、1.62%和1.62%。01#样品的测量误差比02#样品的大,主要是因为01# 的X90/X10比值大于02#样品。

2.在测试过程中,发现随着样品分散方式对测试结果的精度影响较大。随着分散时间延长,颗粒物粒径的测试结果趋于减小,这是因为被测颗粒物在测试过程中相互间或与器壁间发生了碰撞、或颗粒物自身发生了解离,导致颗粒物粒径减小。

3.由于检测粒径的原理不同,颗粒的形状多种多样,对于非球形的、形状复杂的颗粒来说,用不同方法测得的粒径分布略有不同。激光粒度法,因测试速度较快,精度和准确度较好,可满足一般的粒度测试要求。