С расширением применения неметаллических минеральных ресурсов в различных секторах экономики и общества их эксплуатация значительно активизировалась. Поскольку многие из этих минералов используются в виде порошка, промышленность требует более совершенных технологий переработки, особенно для получения ультратонких сортов. В данной статье мы рассмотрим несколько типов мельниц для получения ультратонких порошков.
1. Ультратонкие неметаллические минеральные порошки
Ультратонкие порошки Относятся к серии сверхтонких материалов с размером частиц от микрометров до нанометров. Широкое применение неметаллических минеральных порошков в современных высокотехнологичных материалах обусловлено их уникальными функциональными возможностями. Эффективность большинства функций неметаллических минералов зависит от размера частиц, их распределения по размерам и формы.
Ультрадисперсные порошки обладают превосходными физико-химическими свойствами. К ним относятся большая удельная поверхность, высокая поверхностная активность, высокая скорость химических реакций, низкая температура спекания при высокой прочности спеченного материала, хорошие заполняющие и армирующие свойства, а также высокая укрывистость. Поэтому во многих областях применения требуется неметаллическое минеральное сырье с очень малым размером частиц (микронным или субмикронным).
В настоящее время, согласно общему мнению представителей китайской горнодобывающей промышленности, ультрадисперсный порошок определяется как порошок с размером частиц менее 30 мкм (100%). В зависимости от размера частиц ультрадисперсные порошки подразделяются на микронные (1–30 мкм), субмикронные (0,1–1 мкм) и нанопорошки (0,001–0,1 мкм). Ультрадисперсные неметаллические минеральные порошки обладают значительными преимуществами в оптических, магнитных, акустических, электрических и механических свойствах и широко используются в медицине, химической промышленности, электронике, энергетике и других областях.
2. Переработка ультрадисперсных неметаллических минеральных порошков
Существует множество методов получения ультрадисперсных порошков. В зависимости от среды их формирования их можно разделить на три категории: газофазные, жидкофазные и твердофазные методыГазофазные методы включают высокочастотный индукционный нагрев и плазменную обработку, подходящую для получения ультрадисперсных порошков высокой чистоты, с узким распределением размеров частиц, малым размером и равномерным распределением. Жидкофазные методы включают в себя, главным образом, химическое восстановление жидкости, золь-гель, ультразвуковое распыление и гидротермальные методы. Твердофазные методы преимущественно используют механическое измельчение.
По принципу приготовления методы можно разделить на химические и физические.
Химические методы
Химические методы включают химические реакции, в результате которых из ионов или атомов посредством зародышеобразования и роста образуется желаемый ультрадисперсный порошок. Преимуществами являются возможность получения порошков высокой чистоты, малого размера частиц, узкого распределения по размерам и хорошей морфологии. Недостатками являются низкий выход, высокая стоимость и сложность процесса.
Физические методы
Физические методы предполагают измельчение материалов под действием механического воздействия. Преимуществами являются низкая стоимость, относительная простота процесса, высокая производительность и возможность крупномасштабного промышленного производства. Кроме того, механохимические эффекты, возникающие при измельчении, могут повышать активность порошка.
В настоящее время при переработке ультрадисперсных неметаллических минеральных порошков основным методом подготовки являются физические методы. Как правило, процесс преобразования сырья в ультрадисперсный порошок включает два основных этапа: измельчение и классификацию. Сначала материал поступает в оборудование для ультратонкого измельчения. Из-за различий в структуре частиц энергия, необходимая для измельчения, различается, а силы, действующие внутри оборудования, неодинаковы. Таким образом, получаемые мелкие частицы различаются по форме и размеру, и лишь часть из них соответствует требованиям к размеру. На практике часто используется увеличение времени измельчения для обеспечения полного измельчения частиц в соответствии со стандартами. Однако это не только увеличивает энергопотребление, но и может привести к переизмельчению. Поэтому крайне важно оперативно отделять частицы, соответствующие заданным параметрам размера, что делает технологию ультратонкой классификации чрезвычайно важной в процессе получения ультрадисперсного порошка.
3. Состояние исследований оборудования для сверхтонкого измельчения
В настоящее время к наиболее часто используемому оборудованию для сверхтонкого измельчения относятся ударные мельницы, мельницы с перемешиванием, струйные мельницы и вибрационные мельницы.
3.1 Ударная мельница
Ударные мельницы – это устройства для сверхтонкого измельчения, в которых ротор (со стержнями, молотками, лезвиями и т.д.) вращается с высокой скоростью вокруг горизонтальной или вертикальной оси, создавая интенсивные ударные и сдвигающие усилия на материал. Это приводит к сильному соударению материала со стенками мельницы/неподвижными частями. Также может происходить столкновение частиц, приводящее к их разрушению. Они подходят для материалов средней твёрдости, таких как тальк, мрамор и кальцит. Исходный размер частиц обычно составляет 8 мм, а тонкость готового продукта может достигать 3–74 мкм.
Основные преимущества ударных мельниц включают регулируемую тонкость помола, простоту конструкции, компактность установки, простоту эксплуатации, малые габариты и высокую эффективность. Недостатком является вероятность перегрева при работе на высоких скоростях. Поэтому при усовершенствовании оборудования следует рассмотреть возможность применения методов охлаждения. Кроме того, рекомендуется использовать материалы с хорошими компрессионными и износостойкими свойствами, чтобы избежать значительного износа деталей.
3.2 Мельница с перемешиванием
Мельницы с перемешиванием — один из перспективных типов оборудования для сверхтонкого измельчения, доступный в различных исполнениях. В зависимости от конструкции они могут быть вертикальными, горизонтальными или дисковыми. В зависимости от технологического процесса они делятся на спиральные, периодические, циркуляционные и непрерывного действия.
В целом, принцип работы мельниц с перемешиванием основан на вращении вала мешалки для перемешивания измельчающих тел (стальных, циркониевых, керамических, корундовых шаров, гравия и т. д.) и материала, находящегося в камере, что приводит их в движение. Они часто используются для глубокой переработки неметаллических минералов и получения пигментов. Исходный размер частиц обычно составляет менее 3 мм, а тонкость готового продукта — от 0,1 до 45 мкм. Ключевыми параметрами процесса, влияющими на эффективность измельчения, являются скорость вращения мешалки, концентрация пульпы, соотношение материала и шаров, свойства измельчающих тел и время удерживания.
По сравнению с традиционными шаровыми мельницами, мельницы с мешалкой обладают значительными преимуществами: ① Камера мельницы неподвижна, в то время как мешалка вращается, что решает проблему высоких потерь энергии, связанных с вращающимся барабаном шаровой мельницы. ② В отличие от шаровых мельниц, которые сочетают ударное измельчение и помол, мельницы с мешалкой в основном полагаются на помол, дополненный минимальным ударным воздействием, что снижает энергопотребление за счет шума, тепла и вибрации, тем самым повышая эффективность тонкого помола. ③ Оборудование для мельниц с мешалкой, как правило, имеет относительно небольшие габариты, простую конструкцию и удобную установку.
3.3 Вибрационная мельница
Вибрационные мельницы используют шары или стержни в качестве мелющих тел и могут перерабатывать продукты размером до нескольких микрон. Принцип их работы основан на использовании мелющих тел внутри высокочастотной вибрационной камеры для создания ударных, измельчающих и сдвиговых сил, что обеспечивает быстрое уменьшение размера частиц. Они широко используются в химической, металлургической, строительной, керамической, огнеупорной и неметаллической промышленности для обработки ультратонких порошков. Размер исходного материала обычно составляет до 6 мм, а тонкость помола продукта варьируется от 1 до 74 мкм. Вибрационные мельницы обладают такими преимуществами, как малый размер, низкое энергопотребление, высокая производительность, компактная конструкция, простота эксплуатации, легкость обслуживания и равномерный размер продукта. Недостатками являются высокий уровень шума и высокие требования к деталям.
3.4 Струйная мельница
Струйные мельницы работают за счёт ускорения сжатого воздуха через сопла; образующиеся струи разгоняют частицы с высокой скоростью, вызывая их столкновение, трение и сдвиг, что приводит к их измельчению. Они в основном используются для сверхтонкого измельчения неметаллических минералов средней твёрдости и ниже, таких как мрамор, каолин и тальк, а также в производстве продуктов здорового питания, редкоземельных металлов и химического сырья. Исходный размер частиц обычно составляет менее 1 мм, а тонкость готового продукта — от 1 до 30 мкм, но производительность относительно невелика.
Струйные мельницы обладают такими преимуществами, как высокая автоматизация и большая производительность. К недостаткам относятся высокая стоимость оборудования, большая занимаемая площадь, высокое энергопотребление, ограниченная доступность продуктов очень высокой тонкости, значительный износ деталей и отсутствие независимых инновационных моделей. Поскольку струйные мельницы являются наиболее изученным типом мельниц в Китае, с наиболее полным модельным рядом и относительно отработанной технологией, они пользуются большой популярностью на рынке. В настоящее время их можно классифицировать по конструкции или принципу действия на: горизонтальные дисковые (плоские) струйные мельницы, циркуляционные трубчатые струйные мельницы, встречно-струйные мельницы, целевые струйные мельницы и струйные мельницы с псевдоожиженным слоем.
3.5 Другое оборудование
Планетарная шаровая мельница: Конструкция в основном вертикальная и горизонтальная. Отдельные измельчающие емкости геометрически похожи на емкости обычных шаровых мельниц, но ключевое отличие заключается в том, что каждая емкость в планетарной мельнице вращается вокруг своей оси, одновременно вращаясь вокруг центральной оси. Высокая измельчительная способность и эффективность использования энергии планетарных шаровых мельниц делают их широко используемыми в получении ультратонких порошков, механохимии и механическом легировании. Подходит для материалов высокой твердости, тонкость помола может достигать 0,1 мкм. Характеристики включают склонность к износу измельчающих тел и пригодность для мелкосерийного производства.
- Кольцевая валковая мельница: по сути, это оборудование для сверхтонкого измельчения малого и среднего размера. За годы развития сфера ее применения постепенно расширялась, демонстрируя все более очевидные преимущества. С точки зрения конкретных применений, технологический процесс относительно прост, степень измельчения достаточно высока, а удельное энергопотребление в процессе обработки низкое, что отвечает требованиям энергосбережения и охраны окружающей среды. Исходя из современных методов переработки неметаллических минералов, размер частиц на входе не должен превышать 20 мм. Внутренние классификационные устройства позволяют эффективно регулировать тонкость помола продукта в соответствии со стандартами в процессе обработки.
Несмотря на развитие порошковой промышленности, основным способом получения ультратонких неметаллических минеральных порошков остаётся механическое измельчение. «Мастер должен оттачивать свои инструменты, чтобы хорошо выполнять свою работу». В будущем необходимо укреплять фундаментальные теоретические исследования, увеличивать инвестиции в технологии, оптимизировать технологические процессы на базе существующего оборудования, постоянно повышать инновационный потенциал и разрабатывать высокотехнологичное, экологичное, экономичное, энергосберегающее и малоэмиссионное оборудование для ультратонкого измельчения с высокой добавленной стоимостью.
4. Состояние исследований оборудования для сверхтонкой классификации
Классификация ультратонких порошков разделяет частицы на основе различных траекторий движения, вызванных такими силами, как центробежная сила, сила тяжести и сила инерции, действующими на частицы разных размеров в среде, направляя их в соответствующие устройства для сбора.
В зависимости от используемой среды ультратонкую классификацию обычно подразделяют на сухую и мокрую. Мокрая классификация использует жидкость в качестве дисперсионной среды, что обеспечивает высокую точность и однородность. Однако последующие этапы, такие как сушка и очистка сточных вод, ограничивают её развитие.
Три типа воздушных классификаторов
Оборудование для сухой классификации по различным принципам можно разделить на три типа: инерционное, струйное и центробежное.
- Инерционные классификаторы разделять частицы, используя их различную инерцию под действием приложенной силы, заставляя их двигаться в разных направлениях.
Воздушные классификаторы всесторонне применять принципы эффекта Коанда, инерционной классификации и быстрой классификации.
Центробежная сила Сила центробежного вихря сильнее силы тяжести, что делает центробежные классификаторы широко распространённым типом. В зависимости от поля течения в поле центробежной силы их можно разделить на классификаторы с принудительным и свободным вихрем.
Несмотря на некоторые недостатки, экономичность и простота сухой классификации обусловили ее широкое применение при приготовлении порошков.
В настоящее время наиболее широко используемым в промышленном производстве классификационным оборудованием является турбовоздушный классификатор. В зависимости от формы установки классификационного колеса, они могут быть вертикальный тип колеса и горизонтальный тип колеса.
В вертикальные колесные классификаторыКлассификационное колесо обычно устанавливается консольно. Эксплуатация может сопровождаться такими проблемами, как дисбаланс при увеличении размера колеса, подверженность главного вала и подшипников разрушению под действием чрезмерной нагрузки, а также плохая герметизация. горизонтальные колесные классификаторыКлассификационное колесо установлено горизонтально, что обеспечивает стабильную работу даже на высоких скоростях и значительно улучшенную герметизацию. При той же производительности горизонтальные классификаторы более компактны, что обеспечивает такие преимущества, как низкий уровень вибрации и длительный срок службы.
С разработкой вихревых воздушных классификаторов учёные, проведя обширные теоретические и практические исследования, внесли существенные улучшения, существенно повысив точность и эффективность классификации. Например, добавление третичных потоков воздуха для отмучивания крупных частиц, опускающихся вдоль конуса, повышает эффективность разделения.
Помимо оптимизации конструктивных размеров и эксплуатационных параметров на основе существующих роторных классификаторов, некоторые ученые также разработали новые динамические классификаторы путем добавления внутренних компонентов или изменения направления входных и выходных отверстий воздушного потока.
Основываясь на текущих исследованиях, будущие направления будут сосредоточены на трёх областях: классификация регулирования поля течения, оптимизация процесса сепарации и гибридное сопряжение потоков. В связи с появлением всё более совершенных технологий и оборудования, компаниям необходимо тщательно выбирать и оптимизировать эти решения. Приоритетной задачей является контроль параметров процесса и корректировка рабочих процессов для повышения производительности и рентабельности.
Эпический порошок
Эпический порошок Мы предлагаем полный комплекс услуг послепродажного обслуживания, охватывающий все этапы: от установки и ввода оборудования в эксплуатацию до обучения персонала, технического обслуживания и поддержки. Epic Powder Machinery, как признанный бренд в отрасли, стремится к клиентоориентированности, качеству и инновациям. Мы — ваш надежный партнер, способный обеспечить долгосрочный успех.
Выбирайте Epic Powder для эффективных, энергосберегающих и экологически чистых решений по обработке порошков! Свяжитесь с нами, чтобы узнать больше о нашей продукции!
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с онлайн-представителем EPIC Powder. Зельда для любых дальнейших запросов».
— Джейсон Ван, Старший инженер
