Con la creciente aplicación de los recursos minerales no metálicos en diversos sectores de la economía y la sociedad, su explotación se ha intensificado significativamente. Dado que muchos de estos minerales no metálicos se utilizan en forma de polvo, la industria exige tecnologías de procesamiento más avanzadas, sobre todo para obtener granulometrías ultrafinas. En este artículo, analizaremos varios tipos de molinos para la preparación de polvos ultrafinos.
1. Polvos minerales no metálicos ultrafinos
polvos ultrafinos Se refieren a una serie de materiales ultrafinos con tamaños de partícula que varían desde la escala micrométrica hasta la nanométrica. La amplia aplicación de polvos minerales no metálicos en los nuevos materiales de alta tecnología modernos se basa en sus funcionalidades únicas. El rendimiento de la mayoría de las funciones de los minerales no metálicos depende del tamaño, la distribución de tamaño y la forma de las partículas.
Los polvos ultrafinos poseen excelentes propiedades físicas y químicas. Entre ellas se incluyen una gran superficie específica, alta actividad superficial, rápida velocidad de reacción química, baja temperatura de sinterización con alta resistencia del cuerpo sinterizado, buen rendimiento de relleno y refuerzo, y alto poder cubriente. En consecuencia, muchos campos de aplicación requieren materias primas minerales no metálicas con tamaños de partícula muy finos (micras o submicras).
Actualmente, según el consenso en la industria china de procesamiento de minerales, el polvo ultrafino se define como aquel con partículas menores de 30 μm. En función del tamaño de partícula, los polvos ultrafinos se clasifican en: grado micrométrico (1-30 μm), grado submicrométrico (0,1-1 μm) y grado nanométrico (0,001-0,1 μm). Los polvos minerales ultrafinos no metálicos presentan importantes ventajas en sus propiedades ópticas, magnéticas, acústicas, eléctricas y mecánicas, y se utilizan ampliamente en medicina, química, electrónica, energía y otros campos.
2. Procesamiento de polvos minerales no metálicos ultrafinos
Existen numerosos métodos para preparar polvos ultrafinos. Según el medio de formación, se pueden clasificar en tres categorías: métodos en fase gaseosa, fase líquida y fase sólidaLos métodos en fase gaseosa incluyen el calentamiento por inducción de alta frecuencia y las técnicas de preparación por plasma, adecuados para producir polvos ultrafinos de alta pureza, con una distribución granulométrica estrecha, tamaño reducido y distribución uniforme. Los métodos en fase líquida incluyen principalmente la reducción química en fase líquida, el proceso sol-gel, la atomización ultrasónica y los métodos hidrotermales. Los métodos en fase sólida emplean principalmente la trituración mecánica.
Según el principio de preparación, los métodos se pueden dividir en métodos químicos y físicos.
Métodos químicos
Los métodos químicos implican reacciones químicas que forman el polvo ultrafino deseado a partir de iones o átomos mediante nucleación y crecimiento. Sus ventajas son la capacidad de producir polvos con alta pureza, tamaño de partícula pequeño, distribución de tamaño estrecha y buena morfología. Entre sus desventajas se encuentran el bajo rendimiento, el alto costo y la complejidad del proceso.
Métodos físicos
Los métodos físicos consisten en triturar los materiales mediante fuerza mecánica. Sus ventajas son un menor coste, procesos relativamente sencillos, alto rendimiento e idoneidad para la producción industrial a gran escala. Además, los efectos mecanoquímicos generados durante la trituración pueden aumentar la actividad del polvo.
Actualmente, en el procesamiento de polvos minerales no metálicos ultrafinos, los métodos físicos constituyen la principal técnica de preparación. Generalmente, el proceso de conversión de materias primas en polvo ultrafino comprende principalmente dos etapas: trituración y pulverización. clasificaciónEl material ingresa primero a un molino ultrafino para su trituración. Debido a las variaciones en la estructura de las partículas, la energía requerida para la trituración difiere y las fuerzas que se experimentan dentro del equipo son desiguales. Por lo tanto, las partículas finas resultantes varían en forma y tamaño, y solo una parte cumple con los requisitos de tamaño. En la producción práctica, se suele prolongar el tiempo de trituración para asegurar una reducción completa del tamaño de partícula y cumplir con los estándares. Sin embargo, esto no solo aumenta el consumo de energía, sino que también puede provocar una molienda excesiva. Por consiguiente, es crucial separar rápidamente las partículas que cumplen con la especificación de tamaño, lo que hace que la tecnología de clasificación ultrafina sea de suma importancia en el proceso de preparación de polvo ultrafino.
3. Estado de la investigación sobre equipos de molienda ultrafina
Actualmente, los equipos de molienda ultrafina de uso común incluyen molinos de impacto, molinos agitados, molinos de chorro y molinos de vibración.
3.1 Molino de impacto
Los molinos de impacto son dispositivos de molienda ultrafina que utilizan un rotor giratorio de alta velocidad (con varillas, martillos, cuchillas, etc.) alrededor de un eje horizontal o vertical para generar intensas fuerzas de impacto y cizallamiento sobre el material. Esto provoca fuertes colisiones entre el material y la pared del molino o las partes fijas. También puede causar colisión entre partículas, lo que conlleva su rotura. Son adecuados para materiales de dureza media como el talco, el mármol y la calcita. El tamaño de alimentación suele ser inferior a 8 mm y la finura del producto puede alcanzar entre 3 y 74 μm.
Las principales ventajas de los molinos de impacto incluyen la finura ajustable, la estructura simple, la instalación compacta, la facilidad de operación, el tamaño reducido y la alta eficiencia. Una desventaja es el potencial de sobrecalentamiento durante el funcionamiento a alta velocidad. Por lo tanto, las mejoras en el equipo podrían considerar métodos de refrigeración. Además, se recomienda utilizar materiales con buenas propiedades de compresión y resistencia al desgaste para evitar un desgaste significativo de las piezas.
3.2 Molino agitado
Los molinos agitados son uno de los tipos de equipos de molienda ultrafina más prometedores, disponibles en diversas configuraciones. Según su instalación, pueden ser verticales, horizontales o de discos. Según el proceso, incluyen molinos agitados espirales, discontinuos, de circulación y continuos.
En general, los molinos agitados funcionan principalmente mediante la rotación de un eje agitador que remueve el medio de molienda (bolas de acero, circonio, cerámica, corindón, grava, etc.) y el material que se encuentra dentro de la cámara, provocando su movimiento. Se utilizan frecuentemente para el procesamiento profundo de minerales no metálicos y la preparación de pigmentos. El tamaño de alimentación suele ser inferior a 3 mm y la finura del producto oscila entre 0,1 y 45 μm. Los parámetros clave del proceso que afectan a la eficiencia de la molienda incluyen la velocidad del agitador, la concentración de la suspensión, la relación material/bolas, las propiedades del medio y el tiempo de retención.
En comparación con los molinos de bolas tradicionales, los molinos agitados ofrecen ventajas significativas: ① La cámara del molino permanece estacionaria mientras que el agitador gira, lo que resuelve el problema de la elevada pérdida de energía asociada al tambor giratorio de un molino de bolas. Molino de bolas2. A diferencia de los molinos de bolas, que combinan impacto y molienda, los molinos de agitación se basan principalmente en la molienda, complementada con un impacto mínimo. Esto reduce el consumo de energía derivado del ruido, el calor y la vibración, mejorando así la eficiencia de la molienda fina. 2. Los molinos de agitación suelen ocupar poco espacio, tener una estructura sencilla y ser fáciles de instalar.
3.3 Molino de vibración
Los molinos vibratorios utilizan bolas o barras como medio de molienda y pueden procesar productos hasta unos pocos micrones. Funcionan mediante la utilización del medio de molienda dentro de una cámara vibratoria de alta frecuencia para impartir fuerzas de impacto, molienda y cizallamiento al material, logrando una rápida reducción del tamaño de partícula. Se utilizan ampliamente en la industria química, metalúrgica, de materiales de construcción, cerámica, refractarios y minerales no metálicos para el procesamiento de polvos ultrafinos. El tamaño de alimentación suele ser inferior a 6 mm y la finura del producto oscila entre 1 y 74 μm. Los molinos vibratorios ofrecen ventajas como tamaño reducido, bajo consumo energético, alto rendimiento, estructura compacta, funcionamiento sencillo y fácil manejo. mantenimientoy tamaño uniforme del producto. Entre sus desventajas se incluyen altos niveles de ruido y exigentes requisitos para las piezas.
3.4 Molino de chorro
Los molinos de chorro funcionan acelerando aire comprimido a través de boquillas; los chorros resultantes impulsan las partículas a alta velocidad, provocando que colisionen, interactúen por fricción y se desgarren, lo que da lugar a la trituración. Se utilizan principalmente para la molienda ultrafina de minerales no metálicos de dureza media o inferior, como el mármol, el caolín y el talco, así como en la industria de alimentos funcionales, tierras raras y materias primas químicas. El tamaño de alimentación se controla generalmente por debajo de 1 mm, y la finura del producto oscila entre 1 y 30 μm, pero la capacidad de producción es relativamente pequeña.
Los molinos de chorro ofrecen ventajas como alta automatización y gran capacidad. Entre sus desventajas se incluyen el elevado coste del equipo, el gran espacio que ocupan, el alto consumo energético, la disponibilidad limitada de productos de muy alta finura, el desgaste significativo de las piezas y la falta de modelos innovadores independientes. Dado que los molinos de chorro son el tipo de molino más investigado en China, con la gama de modelos más completa y una tecnología relativamente madura, gozan de gran popularidad en el mercado. Actualmente, se pueden clasificar según su estructura u operación en: molinos de chorro de disco horizontal (plano), molinos de chorro de tubo circulante, molinos de chorro opuestos, molinos de chorro de objetivo y molinos de chorro de lecho fluidizado.
3.5 Otros equipos
Planetario Molino de bolasLas estructuras son principalmente verticales y horizontales. Los recipientes de molienda individuales son geométricamente similares a los de los molinos de bolas convencionales, pero la diferencia clave radica en que cada recipiente de un molino planetario gira sobre su propio eje mientras rota simultáneamente alrededor de un eje central. La alta capacidad de molienda y la eficiencia energética de los molinos de bolas planetarios los hacen ampliamente utilizados en la preparación de polvos ultrafinos, la mecanoquímica y la aleación mecánica. Son adecuados para materiales de alta dureza, con una finura que puede alcanzar los 0,1 μm. Entre sus características destacan el desgaste de los medios de molienda y su idoneidad para la producción de lotes pequeños.
- Anillo-Molino de rodillosSe trata esencialmente de un equipo de molienda ultrafina de tamaño pequeño a mediano. Tras años de desarrollo, su ámbito de aplicación se ha ampliado gradualmente, demostrando ventajas cada vez más evidentes. En cuanto a sus efectos específicos, el proceso es relativamente sencillo, la relación de trituración es relativamente alta y el consumo energético por unidad durante el procesamiento es bajo, cumpliendo así con los requisitos de ahorro energético y protección ambiental. Para las aplicaciones actuales en el procesamiento de minerales no metálicos, el tamaño de alimentación no debe superar los 20 mm. Los dispositivos de clasificación internos permiten un ajuste eficaz de la finura del producto según los estándares durante el procesamiento.
Independientemente de los avances en la industria de polvos, la principal forma de obtener polvos minerales no metálicos ultrafinos sigue siendo la trituración mecánica. «Un artesano debe afilar sus herramientas para hacer bien su trabajo». En el futuro, será fundamental fortalecer la investigación teórica básica, aumentar la inversión en tecnología, optimizar los flujos de proceso con los equipos existentes, mejorar continuamente la capacidad de innovación y desarrollar equipos de molienda ultrafina de alta tecnología, ecológicos, económicos, de bajo consumo energético y bajas emisiones, con un alto valor añadido.
4. Estado de la investigación sobre equipos de clasificación ultrafina
La clasificación de polvos ultrafinos separa las partículas en función de las diferentes trayectorias de movimiento inducidas por fuerzas como la fuerza centrífuga, la gravedad y la fuerza inercial que actúan sobre partículas de diferentes tamaños en un medio, dirigiéndolas hacia los dispositivos de recolección respectivos.
Según el medio empleado, la clasificación ultrafina se divide generalmente en métodos secos y húmedos. La clasificación húmeda utiliza un líquido como medio de dispersión, lo que ofrece una alta precisión y buena uniformidad. Sin embargo, las etapas posteriores, como el secado y el tratamiento de aguas residuales, limitan su desarrollo.
Tres tipos de clasificadores de aire
Según diferentes principios de clasificación, los equipos de clasificación en seco se pueden dividir en tres tipos: inerciales, de chorro y centrífugos.
- Clasificadores inerciales separan las partículas utilizando su diferente inercia bajo una fuerza aplicada, lo que provoca que se muevan en diferentes direcciones.
Clasificadores de aire Aplicar de forma integral el efecto Coanda, la clasificación inercial y los principios de clasificación rápida.
fuerza centrífuga La fuerza centrífuga es mayor que la gravedad, lo que convierte a los clasificadores centrífugos en un tipo ampliamente desarrollado. Estos se pueden subdividir en tipos de vórtice forzado y de vórtice libre según el campo de flujo dentro del campo de fuerza centrífuga.
A pesar de algunos inconvenientes, la rentabilidad y la simplicidad de la clasificación en seco propician su uso generalizado en la preparación de polvos.
Actualmente, el equipo de clasificación más utilizado en la producción industrial es el turbocompresor. clasificador de aireSegún la forma de instalación de la rueda de clasificación, pueden ser tipo de rueda vertical y tipo de rueda horizontal.
En clasificadores de ruedas verticalesLa rueda de clasificación suele estar montada en voladizo. Su funcionamiento puede presentar problemas como desequilibrio con ruedas de mayor tamaño, susceptibilidad del eje principal y los cojinetes a la fractura bajo carga excesiva y un sellado deficiente. clasificadores de ruedas horizontalesLa rueda de clasificación está instalada horizontalmente, lo que permite un funcionamiento estable incluso a altas velocidades, con una estanqueidad significativamente mejorada. Para la misma capacidad de procesamiento, los clasificadores horizontales son más compactos y ofrecen ventajas como bajas vibraciones y una larga vida útil.
Con el desarrollo de los clasificadores de aire de vórtice, los investigadores han logrado mejoras mediante una extensa investigación teórica y práctica, optimizando así la precisión y la eficiencia de la clasificación. Por ejemplo, la adición de corrientes de aire terciarias para elutriar las partículas gruesas que descienden por el cono mejora la eficiencia de la separación.
Además de optimizar las dimensiones estructurales y los parámetros operativos basándose en los clasificadores de rotores existentes, algunos investigadores también han desarrollado nuevos clasificadores dinámicos añadiendo componentes internos o cambiando la dirección de las entradas y salidas del flujo de aire.
Según las investigaciones actuales, las líneas de investigación futuras se centrarán en tres áreas: la clasificación de la regulación del campo de flujo, la optimización del proceso de separación y el acoplamiento de flujos híbridos. Con la creciente disponibilidad de tecnologías y equipos avanzados, las empresas deben seleccionar y optimizar cuidadosamente estas soluciones. La prioridad reside en controlar los parámetros del proceso y ajustar los flujos de trabajo para aumentar la capacidad y la rentabilidad.
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— Jason Wang, Ingeniero sénior
