Оборудование для измельчения

Подготовка материалов и смесей. Измельчение материалов. Оборудование

Требования к порошкам для получения керамики в зависимости от ее целевых свойств могут быть различными, с другой стороны к наиболее общим из них относятся следующие:

- химический состав;

- фазовый состав;

-гранулометрический состав;

-химическая активность

Влияние параметров материала на свойства керамики

Наиболее важными параметром является гранулометрический состав (дисперсность) исходного порошка.

Уменьшение размера частицы-увеличение числа контактов-увеличение дефектности-повышение реакционной способности

Методы анализа

Дисперсность (гранулометрический состав) это степень измельчённости вещества. Чем меньше размер частицы в порошке, тем выше его дисперсность. Керамические порошки, как правило, являются полидисперсными системами. Взаимосвязь суммарной массы частиц в порошке с их размером представляет собой характеристику, называемую гранулометрическим или фракционным составом порошка. Этот состав может быть выражен различными способами: в виде графиков, таблиц или формул. Фракционный состав порошка представляет собой более развернутую характеристику, чем средний размер его частиц. Методы анализа дисперсности керамических частиц: ситовой, седиментационный, микроскопический, лазерный.

В настоящее время для быстрого, автоматического анализа размера частиц твердого ма­териала от 1 до 500 мкм применяется специальный прибор, лазерный измеритель частиц. Принцип работы прибора состоит в том, что лазерный луч образует при просвечивании пробы дифракционную картину, в которой лазерный свет, в зависимости от величины зёрен отдельных частиц, отклоняется под разным углом рассеивания. Специальный многоэлементный детектор измеряет угловое распределение интенсивности, которое с помощью компьютерной программы пересчитывается в распределение частиц по размерам. Результаты могут быть представлены на дисплее или отпечатаны на печатающем устройстве. Лазерный дифракционный микроанализатор используется также для автоматического гранулометрического экспресс-анализа порошков с размером частиц в диапазоне 0,16-1250 мкм. Определение занимает не более двух минут, и поэтому этот метод пригоден для непрерывного процесса измерения как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Для автоматического гранулометрического анализа седиментированных в суспензии зерен размером от 2 до 200 мкм применяется фотоседиментограф со сканированием, с помощью которого измеряется по принципу фотометра скорость осаждения седиментационной пробы в седиментационной колонне, и, на основе результатов измерений ЭВМ, вычисляется по закону Стокса гранулометрический состав, который печатается самописцем.

Дисперсность частиц может быть охарактеризована их удельной поверхностью, т.е. суммарной поверхностью всех частиц, составляющих единицу массы или объёма порошка. Характерные значения величины удельной поверхности керамических порошков составляют от 0,01 до 100-200 м²/г. Удельная поверхность – одна из важнейших характеристик керамических порошков, поскольку все процессы с участием твёрдых фаз начинаются на их поверхности и активируются с её развитием в соответствии с законом действующих масс. Методы определения удельной поверхности: газопроницаемость, адсорбционные статические методы, динамические методы.

Оборудование для измельчения

В практике производства выбор метода измельчения и соответствующего помольного агрегата связан с рядом техноло­гических и экономических соображений, а именно:

1) с необходимой степенью дисперсности измельчаемого ма­териала;

2) с требуемой по технологическим соображениям степенью чистоты измельчаемого материала;

3) с масштабом производства.

Агрегатами, используемыми с этой целью, являются наиболее часто применяемые шаровые или роликовые барабанные и вибрационные мельницы. В чистом виде (без измельчения) операция смешивания осуществляется во вращающихся смесителях разных типов: биконических, V-образных смесителях. Помол осуществляется в шаровых, роликовых и барабанных мельницах. При реализации процессов измельчения, например, после предварительного обжига шихты применяют помимо названных выше мельниц также планетарные (с воздействием на мелющие тела и частицы центробежной силы), струйные и вихревые. Последний тип интересен тем, что соударяются разогнанные до высоких скоростей потоки частиц одного и того же материала. При этом отсутствует намол посторонних примесей, наличие которых приходится учитывать при использовании более традиционных агрегатов. Например, при измельчении ферритовой шихты в стальных шаровых барабанных мельницах дополнительный намол железа составляет до 1-1,5% от общего количества взятого для синтеза, для корректировки состава исходно берут некоторый недостаток оксида железа. Измельчение порошков других составов в аппаратах данного типа требует по возможности использования соответствующих материалов, футеровки мельниц и таких же мелющих тел и т.д.

Иногда используются также аттриторы, представляющие собой барабан, в котором при помощи лопастей приводится во вращение поступающая смесь пульпы измельчаемого материала с мелющими шарами. После прохождения камеры измельчения шары отделяются от суспензии на решетках.

Вибрационная мельница представляет собой помольную камеру, внутри которой расположен вибратор. Камера установлена на упругой опоре из цилиндрических пружин. При работе мельницы двигатель через эластичную муфту приводит дебалансный вал вибратора во вращение, в результате чего возникает переменная сила. Под воздействием этой силы камера поступательно перемещается по траектории, близкой к круговой. При этом внутренняя поверхность корпуса камеры и внешняя поверхность корпуса вибратора передают движение загрузке, в результате чего возникает относительное движение ее частиц. В зонах соударения частиц создаются механические напряжения, приводящие к изменению их структуры (разрушению, агрегированию, деструкции, синтезу и т.п.), а также к взаимодействию между материалом частиц и средой, заполняющей пространство между ними.

Шаровая мельница. Принцип измельчающего действия шаровой мельницы состоит в том, что при вращении барабана мельницы мелющие тела приводятся в непрерывное движение, вследствие которого достигается ударно-истирающее действие на измельчаемый материал, находящийся между их поверхностями. Применяют в основном шаро­вые мельницы периодического действия, так как они просты в обращении, в них можно регулировать степень помола путем изменения продолжительности помола, соотношения веса загру­жаемого материала и мелющих тел. Производительность этих мельниц находится в широких пределах. Кроме того, в них мож­но измельчать материалы сухим и мокрым способом.

Исследования процесса помола непластичных материалов показывают, что мокрый помол является более эффективным, так как за одинаковое время при мокром помоле достигается большая дисперсность материала.

Эффективным приемом улучшения качества измельчения материалов выступает использование жидких сред помола, а также добавок поверхностно активных веществ (ПАВ). Это позволяет избежать явления самозалечивания трещин в частицах за счет адсорбции на вновь возникающих поверхностях молекул жидкостей и ПАВ и их расклинивающего действия. Наличие адсорбирующихся веществ вносит дополнительный вклад с точки зрения энергетики разрушающих сил. В качестве среды помола берут обычно воду, в тех случаях, когда её присутствие нежелательно из-за гидролитического действия на порошки, используют спирты, кетоны и пр., которые удобны тем, что затем легко удаляются при сушке шихты. Как ПАВ применяют добавки жирных кислот, спиртов, триэтаноламин, растворимые полимеры и др.

Сухой помол, как правило, ограничивает предел измельче­ния материала. Вследствие сильного увеличения удельной по­верхности измельчаемого материала и возрастания в связи с этим адгезионных сил наступает период, когда измельчение практически заканчивается и материал начинает комковаться и прибиваться к стенкам мельницы.

Для помола материалов используют шаровые мельницы с кремневой, фарфоровой, корундовой, стеатитовой, резиновой или другой футеровкой. Футеровка необходима для предотвращения появления в измельчаемом керамическом порошке металлических включений.

Скорость вращения барабана выбирается в пределах 0,78-0,8nкр(обычно 60-100 об/мин).

При значениях 0,4-0,6nкрпроисходит скольжение и перекатывание шаров, основная сила, воздействующая на частицы - трение. При 0,78 - 0,8 шары захватываются стенкой, а затем падают, к силам трения добавляется ударное действие на материал. Значения nкр.более 0,8 приводят к прилипанию массы шаров и шихты к стенке.

Помол материалов в шаровых мельницах и кинетика их измельчения до высокой степени дисперсности (d_сp = l - 2 мкм)зависят от многих факторов и главным образом от:

1) типа и размера мельницы;

2) формы, размеров и плотности мелющих тел;

3) соотношения веса мелющих тел и размалываемого материала;

4) влажности суспензии (при мокром помоле);

5) твердости и хрупкости материалов и ряда других факторов.

На помол порошков в шаровых мельницах влияют форма, размер и плотность мелющих тел. При мокром помоле в шаро­вых мельницах основным видом разрушения является истира­ние. Помол будет наиболее интенсивен, если при равном весе истирающая поверхность мелющих тел более развита. Поэтому целесообразно применять мелющие тела цилиндрической фор­мы, у которых площадь истирания по образующей цилиндра во много раз больше, чем при истирании шарами, у которых воз­можно только точечное соприкосновение. Эффективность помо­ла также возрастает при использовании мелких шаров, площадь соприкосновения которых по сравнению с крупными шарами возрастает пропорционально кубу уменьшения диаметра. Помолу способствует повышение плотности мелющих тел.

Эффективность помола, т. е. время, необходимое для достижения заданной дисперсности, например 1мкм, повышает­ся при увеличении весовой доли шаров в загрузке, или, что то же самое, при из­менении весового соотношения шаров и размалываемого порошка. Так, если из­мельчать глинозем стальными шарами, то при изменении соотношения от 1:1,5 до 1:4 скорость помола глинозема до среднеповерхностного диаметра 1мкмвозрастает примерно в 2—3 раза.

При мокром помоле порошков надо соблюдать определен­ную влажность суспензии. Для разных по своей природе порош­ков эта влажность будет различна, она колеблется в пределах: 40—60°/о, но при этом суспензия должна быть подвижной и дви­жение мелющих тел в ней не должно быть резко замедленным. Если суспензия густая и вязкая, то измельчение практически прекратится.

Планетарная мельница. В планетарных мельницах обычно имеются 2 или 4 барабана, вращающиеся вокруг центральной оси и одновременно вокруг собственных осей в противоположном направлении (подобно движению планет вокруг Солнца). В барабаны загружают измельчаемый материал и мелющие тела (обычно шары диаметром 5-10 мм). Частицы измельчаемого материала претерпевают множество соударений с мелющими телами и стенками барабана. Мелющие шары в размольных стаканах подвергаются наложенным друг на друга вращательным движениям. Разница в скоростях между шарами и размольными стаканами приводит к взаимодействию сил трения и удара, при этом освобождается значительная динамическая энергия. Взаимодействие между этими силами приводит к высокой и очень эффективной степени измельчения порошков в планетарной шаровой мельнице. Эффективность планетарных мельниц обусловлена высокой кинетической энергией мелющих тел, благодаря большой скорости их движения создающих высокие напряжения в активируемом веществе. Мельницы большой производительности используют ускорения 20 G. Главная задача планетарных мельниц - выполнять малые производственные программы в промышленных условиях.

Достоинства: планетарные мельницы имеют высокую удельную производительность, низкую металлоемкость и высокую энергоемкость, интенсификация процесса измельчения приводит к большему КПД по сравнению с шаровыми мельницами. Планетарные мельницы могут работать также в режиме самоизмельчения, без загрузки мелющих тел. При этом измельчение происходит главным образом истиранием.

Недостатки: большие проблемы с масштабированием планетарных мельниц связаны со знакопеременными нагрузками, которым подвергаются подшипники. Теоретически можно создать мельницу с потребляемой мощностью несколько сотен киловатт при барабанах диаметром 500 мм. Как и у всех шаровых мельниц, у планетарных очень высок намол шаров, который с интенсификацией процесса только увеличивается. Поэтому их предпочтительнее использовать, если намол не критичен.