Технология измельчения и перемешивания порошков

В зависимости от конструкции измельчителей оптимальная степень дисперсности исходного и конечного продуктов помола различны.

Ориентировочно зону дисперсности измельчения деляг на крупную, среднюю, мелкую, тонкую и сверхтонкую. Обычно максимальная производительность помольной установки тем выше, чем выше крупность продуктов помола.

В табл. 3.7 приведены основные принципы работы и характеристики помольных агрегатов, которые разделены на группы по принципу механического воздействия на измельчаемый материал.

I группа. Измельчители с самоустанавливающимися или с шестью закрепленными непосредственно соприкасающимися мелющими телами. Измельчение производится раздавливанием и истиранием с малыми скоростями движений мелющих тел. Такие измельчители применяются для измельчения и перемешивания вязких смесей с твердыми компонентами. Крупность продукта измельчения колеблется от 0,2 — 0,5 мм до 3 — 5 мм. Типичные представители этой группы: бегуны с массой катков от 2 кг и более. Производительность меняется в зависимости от сухого (0,3 — 10 т/ч) или мокрого (до 30 т/ч) измельчения. Удельный расход энергии от 10 до 16 МДж на 1 м³ материала. К этому же классу относятся измельчители грубого помола: щековые, конусные и валковые дробилки с регулируемым зазором между мелющими поверхностями.

II группа. Измельчители с незакрепленными мелющими телами, перемещающимися в помольной камере под действием сил тяжести или центробежных сил. Применяются для среднего и тонкого измельчения. Чем выше скорость движения мелющих тел, тем меньше размер измельченных частиц и гем больше удельный расход энергии. К этому типу измельчителей относятся барабанные, трубные, конусные и гравитационные мельницы. Оптимальный размер продуктов измельчения 0,5 — 0,6 мм. В последнее время за счет увеличения частоты вращения до 2500 об/мин, уменьшения размера мелющих тел (шаров) до 1 — 2 мм и перемещения мелющих тел специальной мешалкой (как это осуществляется в аттриторах и планетарных мельницах) удалось снизить средний размер частиц измельченного материала до 2,0 — 0,6 мкм.

Таблица 3.7.

Области наиболее эффективного применении различных типов измельчении

III группа. Измельчители с жестко или шарнирно закрепленными или незакрепленными мелющими телами, между которыми может быть регулируемый зазор. Эта группа измельчителей характеризуется высокими скоростями движения мелющих тел. Измельчение производится ударом или раздавливанием. В зависимости от конструкции они могут применяться для грубого и тонкого измельчения не очень твердых материалов. Типы измельчителей: среднеходовые шаровые и роликовые мельницы, отражательные дробилки, а также вращающиеся отражательные мельницы, молотковые дробилки и дезинтеграторы.

IV группа. Вибрационные измельчители, применяются только для тонкого и сверхтонкого измельчения твердых и очень твердых материалов. Измельчение происходит в основном при усталостном разрушении.

V группа. Измельчители с одним неподвижным мелющим телом. Измельчение производится путем удара частиц движущихся с большими скоростями (200 — 250 м/с) о жесткое препятствие.

Это пневматические отражательные мельницы. Применяются для тонкого измельчения мягких материалов.

VI группа. Измельчители мокрого помола без мелющих тел. Измельчение происходит при виброкавитационном воздействии на частицы, находящиеся в жидкости. Применяются для сверхтонкого измельчения. К таким измельчителям относятся: виброколлоидные мельницы, в которых при помощи вращающихся дисков, валков, зубчатых колес и других механических приспособлений, движущихся в жидкости, возбуждаются виброкавитационные гидравлические удары. Эти высокочастотные колебания давлений приводят к разрушению измельчаемых материалов. Отличаются низкой производительностью и небольшой энергоиапряженностыо.

VII группа. Измельчители сухого помола без мелющих тел. Измельчение происходит в процессе ударного разрушения измельчаемых частиц друг о друга. К этому типу измельчителей относятся струйные мельницы, в которых через тангенциально расположенные сопла вводится измельчаемый материал вместе с газом или воздухом иод давлением 0,6 — 1,0 МПа. Применяются для сверхтонкого измельчения (продукты имеют размеры не более 60 мкм, как правило, менее 5 мкм).

VIII группа. Измельчители, работающие по принципу распыления измельчаемого материала в жидком состоянии. Для этой цели используются пламя горелок и форсунок, плазменные и электродуговые горелки. В процессе измельчения материал расплавляется и разбрызгивается либо центробежной силой, либо давлением горячей газовой струи, скорость которой часто превышает звуковую, либо испаряется и конденсируется на холодной поверхности.

IX группа. Электрогидравлические измельчители. В них используется тепловое воздействие искрового разряда, который на микроучастках испаряет материал, осаждающийся на дно сосуда. Измельчение производится в непроводящих ток жидкостях.

X группа. Ультразвуковые измельчители и смесители. Измельчение и перемешивание производится при генерировании в жидкости импульсных ультразвуковых колебаний. Вследствие невысоких мощностей ультразвуковых вибраторов применяются в основном для измельчения и перемешивания небольших количеств материалов.

Рассматривая классификацию измельчителей, отметим некоторые особенности технологии измельчения керамических материалов. В производстве тонкой технической керамики не обязательно иметь весь набор перечисленных выше типов измельчителей. Достаточно двух или трех типов измельчителей: для грубого измельчения брикетов используется валковая или щековая дробилка с регулируемым зазором, тонкого — шаровая барабанная мельница и сверхтонкого — вибрационная мельница или аттритор. Вследствие того, что при изготовлении такой керамики приходится иметь дело с весьма твердыми материалами и часто повышенной чистоты, рабочие поверхности валков или щековых дробилок рекомендуется футеровать твердыми сплавами типа ВК или ТК, в вибрационных и шаровых мельницах — резиной, а измельчающие тела изготовлять из измельчаемого материала или твердого сплава, который (помимо высокой твердости) обладает большой плотностью и, следовательно, большой измельчающей способностью, так как энергия измельчающего тела пропорциональна его массе. Наиболее ответственной является операция сверхтонкого измельчения, которая часто сочетается с перемешиванием. При этом в качестве дисперсионной среды в большинстве случаев рекомендуется использовать безводные спирты, жидкие алканы, а также сжиженные газы или газы высшей очистки.

Производственные испытания показали, что размол, например, вольфрама и карбида вольфрама в вибромельнице протекает намного интенсивнее, чем в шаровой мельнице. Так, в шаровой мельнице удельная поверхность вольфрама после грех часов помола увеличивается от 0,1 до 0,12 м²/г, а в вибрационной за это же время — с 0,1 до 0,42 м²/г.

Для сверхтонкого помола, имеющего наиболее важное значение при получении однородных смесей и интенсификации процессов спекания, наиболее перспективны вибрационные мельницы или аттриторы, поэтому целесообразно установить оптимальные условия их использования. Эффективность применения вибрационных мельниц определяется соотношением между диаметром барабана мелющих тел, амплитудой колебаний и крупностью исходного материала. Практика показала, что степень дисперсности продуктов измельчения в вибрационных мельницах снижается при увеличении размеров частиц исходного материала, поэтому размер частиц исходного материала не должен превышать 0,1−1 мм. Прирост удельной поверхности измельчаемых материалов линейно увеличивается с увеличением частоты колебаний (до 1300−1400 оборотов в минуту):

где а и b — постоянные коэффициенты, п — частота колебаний, и логарифма амплитуды:

где end — также постоянные коэффициенты, а А — амплитуда колебаний. Следовательно, при больших частотах и меньших амплитудах интенсивность измельчения выше, чем при больших амплитудах и малых частотах. Это связано с тем, что измельчение в вибромельницах происходит путем усталостного разрушения и, как указывалось выше, чем меньше промежуток между воздействием измельчающих тел на материал, тем меньше возможность релаксации напряжений в нем. Таким образом, частота колебаний имеет первостепенное значение для получения сверхтонких порошков. Дальнейшее совершенствование вибромельниц (с целью повышения удельной поверхности продукта до 8 — 15 м²/г) связано с применением двух и даже трех двигателей, а также с введением большой дополнительно колеблющейся массы, предупреждающей агрегацию частиц.

Путем систематических исследований было показано, что наиболее подходящей формой мелющих тел являются шары (диаметром от 6 до 20 мм), набор которых загружается в вибромельницу в количестве до 0,5 — 0,7 частей от ее объема; 0,3−0,4 части объема мельницы занимает материал с дисперсионной средой, поэтому общий объем загрузки в вибромельнице составляет 0,75 — 0,8. Отношение по массе: шары — материал — дисперсионная среда составляет (5 — 7): 1:1.

Если необходимо иметь средний размер продуктов измельчения больше 10−15 мкм, то следует применять сухой помол, так как в этом случае производительность вибромельниц выше, чем при мокром измельчении. В случае сверхтонкого измельчения средний размер продуктов измельчения 1−0,1 мкм можно получить, применяя только жидкие дисперсионные среды. Это можно объяснить тем, что применение поверхностно-активных жидких сред особенно эффективно лишь при сравнительно высоких значениях удельной поверхности измельчаемого материала, поскольку при сухом помоле может происходить значительная агрегация мелких частиц.

Мокрый помол применяют также для предохранения тонкоизмельченных материалов (металлов, карбидов, боридов, нитридов и силицидов) от окисления.

В качестве поверхностно-активных добавок в каждом отдельном случае необходимо выбирать такую, которая хорошо смачивает измельчаемый материал и способствует стабилизации суспензии измельчаемого материала в дисперсионной среде. К таким добавкам относятся: сульфитно-спиртовая барда, лейконол, непаль, олеиновая кислота, а также натриевые или алюминиевые соли органических и фосфорной кислот. Поверхностно-активные вещества следует добавлять в очень ограниченных количествах, обычно до 0,1 -0,5%; при этом лучше добавлять их понемногу, например, по одной трети вводимого количества в начале, середине и конце помола. Снижение температуры помола путем охлаждения корпуса мельницы жидким азотом или сухим льдом, с одной стороны, увеличивает интенсивность размола, а с другой, — делает возможным измельчение и перемешивание материала с термопластичными связками. В большинстве случаев к охлаждению корпуса не прибегают, так как выделяющаяся при измельчении теплота непрерывно отводится потоком воздуха.

Перемешивание материала с пластификатором или связкой в небольших количествах (до 1 кг) целесообразно производить при двухили трехкратном пропускании через сито.

Для приготовления большего количества масс можно рекомендовать либо бегуны, либо мешалки типа Вернера. Шликеры или суспензии готовят в шаровых барабанных или вибромельницах, совмещая процессы измельчения и перемешивания.

Перспективным методом измельчения керамических материалов является их помол в среде жидкого азота (например, в атритторах). В этом варианте помола низкие температуры повышают хрупкость измельчаемых материалов и, соответственно, их измельчаемость. Кроме того, жидкий азот предотвращает окисление порошков.