Разместить на сайте в разделе «Технологии

Усовершенствование помола и классификации
с использованием работы замкнутой системы кругооборота
Авторство статьи: статья из рекламного проспекта японской фирмы «Nisshin»
(перевод с английского).
Содержание:
1.Резюме
2.Спецификация
3.Требование тонкого помола и классификации
4.Устройство классификаторов и измельчителей
5.Замкнутый кругооборот системы измельчителя и классификатора
6.Сравнение струйной (реактивной) и механической (роторно-вихревой) мельницы
7.Температурный режим для механической мельницы
8.Потребление энергии
9.Форма частиц порошка для красок
10.Сверхтонкий классификатор
11.Нахождение оптимального соотношения мельница + классификатор
12.Залючение
1.Резюме
В процессе получения порошкообразных продуктов важно управлять
распределением размера частицы. Особенно для сухого процесса. Из-за
агломерации и залегания частиц порошка в зонах мельницы, где малые скорости
движения, становится более трудоемко классифицировать и/или размолоть
порошок с более тонким распределением размера частицы.Используя
современные представления о технологиях классификации и помола, мы
получаем модернизацию работы, как собственно измельчения материалов, так
и классификации получаемых порошков.
2.Спецификация
Р: периметр частицы готового продукта
А: площадь поверхностной области частицы
Поскольку в последнее время чрезвычайно повышается интерес к тонким
частицам
(при
производстве керамики, пластмасс, минеральной и
металлической порошковой промышленности), необходимые размеры частиц уже
приближаются к первым микронам.
В этом случае, классификаторы также важны для порошкового процесса, как и
мельницы. Это означает, что крупные частицы в процессе помола должны быть
четко отделены от тонких частиц, чтобы выделить готовый продукт
(необходимую минимальную крупность) и вывести его из процесса
измельчения. Цель: улучшить работу мельницы, не возвращая готовый тонкий
продукт обратно в нее и не перегружая мельницу. Эта статья иллюстрирует такой
процесс организации классификации. При этом помол является основной
технологией при производстве тонкого продукта, оптимизируя при этом
экономику процесса. В статье показано несколько современных примеров.
3.Требование тонкого помола и классификации
Есть два типичных метода регулировать размер тонких частиц:
-один - путем регулировки процесса помола
-другой - путем регулировки процесса классификации.
В производстве частиц с субмикронными размерами специальная техника
требуется для каждого метода.
В мельницах важно произвести как можно больше тонких и сверхтонких
частиц в короткий период времени и с эффективными по стоимости
энергозатратами.
В классификаторах важно удалить крупные частицы, которые остаются после
помола, с большой точностью и вернуть их в процесс измельчения.
Центральной темой настоящей статьи будет как раз проблема закрытой
(замкнутой) системы кругооборота размола и классификации.
4.Устройство современных классификаторов и измельчителей
Динамический воздушный классификатор типа «вентилятора» имеет широкий
диапазон регулировки точности классификации, вплоть до 1 микрона.
Существуют классификаторы даже до 0,1мкм. Точная классификация может
быть достигнута путем активизации и упорядочивания потоков частиц
вентиляционными струями. Камера классификации с вращающимся ротором
может классифицировать частицы до 0,5 микрон и ниже. Сила и направление
вентиляционных струй в классификаторе определяет точность механизма
классификации.
Струйные мельницы нуждаются в сжатом воздухе и не имеют вращающихся
частей. В отличие от них роторно-вихревые мельницы РВМ имеют ротор внутри и
обеспечивают скорости соударения частиц, приближающихся к скоростям
струйных мельницам, но при значительно меньших расходах воздуха.
5.Замкнутый кругооборот системы измельчителя и классификатора
Пример процесса производства порошка для красок показан на Рисунке 1. В
этом процессе используется закрытая система кругооборота классификатора и
роторно-вихревой мельницы (дезинтегратора или дисмембратора). Эффективная
классификация возможна в этой системе потому, что рассеянные в воздухе
частицы могут постоянно выводиться из процесса классификатором.
Процесс тонкого измельчения
Процесс тонкой классификации
Рисунок 1. Схема технологического процесса размола и классификации порошка
для красок
Как правило, измельченные частицы имеют широкое распределение по
крупности, описывающееся кривой Гаусса. Для того, чтобы достигнуть узкого
диапазона распределения размера частиц с помощью мельницы, было бы
необходимо использовать ее в течение чрезвычайно длительного периода
времени. Однако даже в этом случае некоторые грубые частицы могут все еще
оставаться в камере измельчения и попасть в готовый продукт. То есть готовый
продукт может содержать слишком много крупных (некондиционных) частиц.
Чтобы избежать этой ситуации, классификаторы должны быть включены после
мельницы. Закрытая система кругооборота мельницы с классификатором
может уменьшить нагрузку на мельницу (которая имеет прямую зависимость с
потреблением энергии) по сравнению с системой, построенной только на
мельнице.
Современные требования к качеству тонера для копировальных машин связаны
исключительно с тониной помола, которая определяет качество
изображения. Данное требование напрямую связано с серьезными
ограничениями на крупность готового продукта и распределение в нем по
крупности частицы порошка для красок. Большинство порошков для красок, в
настоящее время доступных на рынке, изготовлено методом измельчения. Много
усилий было затрачено на увеличение эффективности помола в изготовлении
порошка для красок. Более высокая эффективность необходима вследствие
увеличения энергии в помоле и классификации с целью уменьшения размеров
частиц и более узкого распределения их по классам крупности.
В прошлом струйные мельницы широко использовались для помола порошка для
красок. Однако, в последнее время на рынок измельчения вышли
модернизированные механические (в основном, роторные и роторно-вихревые)
мельницы с более высокой эффективностью энергии, чем струйные. Эти
мельницы могут предотвратить переизмельчение и стать широко доступными.
Как по себестоимости помола (в первую очередь, по энергозатратам), так и по
стоимости самого помольного оборудования.
В последние годы была создана и существенно усовершенствована замкнута
система, которая позволяет получить очень эффективную систему
механической мельницы и точного воздушного классификатора следующим
образом. В качестве мельницы используется высокоскоростная роторно-вихревая
мельница. А микронный классификатор выделяет готовый продукт и возвращает
грубые частицы обратно в мельницу.
6.Сравнение струйной (реактивной) и механической (роторно-вихревой)
мельницы
Для получения сравнительных результатов были проделаны следующие опыты.
Магнитные порошки для красок на основе связки с акрилстироловой смолой были
получены с помощью двух видов мельниц , работающих в замкнутой системе
с классификаторами: с помощью механической (роторно-вихревой) мельницы и
обычной струйной мельницы. Крупность питания мельниц составляла 500 микрон.
Готовый порошок был получен в роторно-вихревой мельнице с воздухом,
охлажденным до 5 градусов С, что препятствовало плавлению порошка в
процессе размола.
Рисунок 2. Сравнение мельницы и системы (мельница + классификатор) на
примере соотношения среднего диаметра частиц готового продукта к объему
частиц меньше 5 мкм
Комментарий к рисунку 2. Он сравнивает механическую систему размола с
системой размола струйной мельницы в рамках эффективности их работы для
сверхтонкого измельчения (для получения частиц меньше, чем 5 мкм).
Производительность по классу минус 5 мкм была меньше при измельчении в
механической системе, чем в системе размола струйной мельницы.
Mono-Component Toner
Рисунок 3. Средний диаметр готового продукта, полученного на одиночной
мельнице (верхний график), уступает системе мельница + классификатор
(нижний график)
Комментарий у рисунку 3.
Тонкие частицы меньше чем 5 мкм технической основы порошка для красок, были
выделены центробежным воздушным классификатором. Рисунок показывает
результат работы каждой системы: мельница и мельница + классификатор.
M
6
7
8
9
10 11 12 13
Median Diameter [мкм]
Рисунок 4.
Отношения между средним диаметром частиц и общим потреблением энергии
мельницей замкнутого цикла. Верхний график – струйная мельница, нижний –
РВМ.
Комментарий к рисунку 4.
Рисунок показывает отношение между средним диаметром частицы готового
продукта и потребления энергии системой помола. Воздушный компрессор в
системе размола струйной мельницы потребляет более 70 % общего ее
потребления. Энергия, использованная воздушным холодильником
(охладителем подаваемого в мельницу воздуха), включена в значения,
показанные для механической системы помола. С уменьшением крупности
помола (при получении готового продукта средней крупностью меньше 8 мкм)
в случае использования механической системы помола электропотребление
возрастает вследствие требуемого для меньшей крупности увеличения
скорости обечайки ротора. Но все - равно оно остается на 40 % меньше, чем в
струйной мельнице.
7.Температурный режим для механической мельницы
Как уже было сказано выше, цветные копировальные устройства и принтеры
требуют цветных порошков для красок, которые в большинстве случаев
являются немагнитными производными смолы полиэстера. Вообще, смола
полиэстера имеет более низкую температуру плавления по сравнению с акрилостирольной смолой.
Магнитные порошки для красок с акрило -стирольной смолой и
немагнитными порошками для красок со смолой полиэстера были основными
продуктами, для которых использовались механические мельницы без
классификатора. Рисунок 7 (см.ниже) показывает отношения между скоростью
вращения обечайки ротора мельницы (абсцисса) и средним диаметром частицы
изделия (ордината).
Немагнитные порошки для красок со смолой полиэстера оказались менее
удобны в использовании, чем магнитные порошки для красок с акрило стирольной смолой. Изготовление тонких порошков для красок требует ротора,
вращающегося с очень высокой скоростью. Это напрямую приводит к увеличению
тонкого материала в готовом продукте. Одновременно это означает, что при той
же потребляемой мощности количество подачи сырья должно быть уменьшено.
Рисунок 7. Отношение между скоростью вращения обечайки ротора РВМ
(абсцисса) и средним диаметром готового продукта, полученного на
механических мельницах (ордината).
Немагнитные порошки для красок со смолой полиэстера служили исходным
сырьем для получения готового продукта с средним диаметром 8 мкм. Сырье
охлаждалось воздухом при различных температурах. Эксплуатационные режимы
были отрегулированы для воздушной температуры 50 градусов С на выходе
мельницы.
Рисунок 8. Отношение между температурой охлаждаемого воздуха (ордината) и
максимальной производительностью РВМ (абсцисса)
Комментарии к рисунку 8. Рисунок показывает эффект влияния
температуры охлаждающего воздуха на максимальную производительность
роторно-вихревой мельницы РВМ. Понижая температуру охлаждающегося
воздуха от +5 до -40 градусов С, можно было увеличить производительность
помола в 2,5 раза.
8.Потребление энергии
Рисунок 9. Соотношение между температурой охлаждающего воздуха (абсцисса) и
удельного потребления энергии мельницей замкнутого цикла (ордината).
Комментарии к рисунку 9. Рисунок показывает отношения между температурой
охлаждающего воздуха и определенного потребления энергии системой помола.
Общее потребление энергии в системе увеличилось при уменьшении
температуры охлаждающегося воздуха (часть энергии ушло на охлаждение
воздуха). Однако, начиная с определенной крупности готового продукта,
удельное потребление энергии (на единицу готового продукта), требуемое для
измельчения, уменьшается с понижением температуры.
9.Форма частиц порошка для красок
Текучесть и электрические характеристики порошка для красок изменяются с
изменениями формы частиц порошка. Частицы сферической формы имеют много
преимуществ. Контрастность печати, например, является более глубокой.
Рисунок 10 (см.ниже) показывает фотографии порошка для красок, полученного с
помощью струйной (а), дисковой струйной (b) и роторно-вихревой (c) системами
мельниц.
1см -10мкм
1см - 10мкм
1см - 10мкм
(а) струйная мельница
(b) дисковая струйная
мельница
(с) роторно-вихревая
мельница
Поверхностный фактор формы частиц порошка для красок был определен по
формуле (1):
Поверхностный фактор =Р2/4 • А, где
Р - периметр проектируемой частицы,
А- проектируемая область.
(1)
Если частица является сферической, ее поверхностный фактор формы = 1.
Поверхностный фактор формы был рассчитан на анализаторе изображения
(сканирующий микроскоп) с помощью специальных программ распознавания
образов. По сравнению с другими системами, роторно-вихревая мельница
имеет фактор формы поверхности частицы близкий к 1, то есть механическая
мельница придает частице самую гладкую и округленную поверхностную форму.
10.Сверхтонкий классификатор
Существует классификатор, который может классифицировать продукты с
крупностью меньшей 0.5 мкм в области производства керамики, до 6.5 мкм - в
области производства порошка для красок. На качество классификации
существенное влияние имеет форма разделяемых частиц. Наилучшее качество
получается при разделении частиц ч поверхностным фактором формы, близким к
1.
11.Нахождение оптимального соотношения мельница+классификатор
В продвинутых замкнутых системах кругооборота есть мельницы со встроенными
точными классификаторами, на которых (по сообщениям в печати) можно
получить D=0.5 мкм (средний диаметр частицы). При этом минимальный размер,
получаемый в открытой системе, составляет 1 - 3 мкм.
Большие роторно-вихревые мельницы часто используются для того, чтобы
размолоть полезные ископаемые (типа карбоната кальция, талька и песка кварца)
вплоть до 1 мкм или порядка доли мкм с высокой производительностью при
минимальной стоимости.
Струйная мельницы может также использоваться для тонкого помола. Однако
струйная мельницы имеет более высокую стоимость энергии помола, что не
экономично для больших производительностей.
Необходимо также отметить следующее. Чтобы увеличивать эффективность и
производительность классификации, очень важно, чтобы порошок, подаваемый
в классификатор, был дезинтегрирован (рассеян, деагломерирован) на отдельные
частицы настолько хорошо, насколько это возможно. Когда классификатор
используется вместе с мельницей, функция мельницы кроме измельчения,
также должна состоять в рассеивании (дезинтеграции)
слипшихся
(агломерированных) частиц.
Полученные таким образом и рассеянные в мельнице частицы могут эффективно
классифицироваться (разделяться друг от друга) классификаторами. Вообще,
если классификатор используется в системе измельчения сразу после
мельницы, то результат получения тонкого порошка может быть улучшен
примерно до 5 % на примере тонкого измельчения карбоната кальция.
Важным также является расстояние, проходимое частицей от мельницы до
классификатора, так как на длинном пути с существенно сниженным (по сравнению
с мельницей) динамическим воздействием на сверхтонкую частицу, последняя
склонна образовывать слипание (агломераты) с другими частицами. Именно
поэтому нашли большое распространение мельницы со встроенными
классификаторами. Классифицировать измельченный продукт на фракции по
крупности в воздушном классификаторе, установленном на вершине мельницы,
желательно в доли секунды после измельчения.
Вследствие результатов экспериментов, описанных выше, можно рассчитывать,
что приведенная
в данной статье система «измельчения в цикле с
классификацией» станет более популярной в области сверхтонкого измельчения,
особенно среди потребителей оборудования.
12.Залючение
1) В процессе размола порошка для красок, роторно-вихревая мельница РВМ
(дисмембратор или дезинтегратор) производит более тонкие частицы (ниже 5
мкм), с более округлой формой, чем струйные мельницы.
2) В процессе размола порошка для красок, РВМ могут обеспечить крупность
готового продукта ниже 6.5 мкм. (среднее число).
3)В процессе размола порошка для красок, замкнутая система
кругооборота «классификатор + РВМ», потребляет меньшее количество
энергии, чем струйная мельницы при измельчении до крупности меньше 6.5
мкм (на примере магнитных порошков для красок).
4) В процессе размола порошка для красок, охлаждение воздуха (ниже -40
градусов С) увеличивает эффективность измельчительного процесса в 2.5 раза
по сравнению с + 5 градусами С.
5)Мельница
со
встроенным
классификатором
значительно
увеличивает производительность в производстве порошка для красок, а
также в производстве металлического порошка.