В процессе тонкого измельчения катодных материалов литиевых батарей обычно используются струйные и механические мельницы. Они значительно различаются по принципам измельчения и эффективности. Выбор подходящего измельчительного оборудования и оптимизация параметров процесса на основе характеристик материала имеют решающее значение для соответствия техническим характеристикам продукции, требованиям к качеству и целевым показателям энергопотребления.
Эта статья, озаглавленная “Оборудование: Сравнительная оценка производительности струйной и механической мельниц для тонкого помола”, Данный документ охватывает следующие разделы:
1. Струйная мельница
Рассматриваемая здесь струйная мельница представляет собой струйную мельницу с псевдоожиженным слоем. Схема работы оборудования системы показана на рисунке 1.
1 – Воздушный компрессор, 2 – Воздушный резервуар, 3 – Система охлаждения и очистки, 4 – Система подачи, 5 – Механизм измельчения, 6 – Механизм горизонтальной классификации, 7 – Циклонная классификационная система, 8 – Фильтрационная система, 9 – Всасывающий вентилятор
Рисунок 1: Схема технологического процесса оборудования системы струйной мельницы.
Сжатый воздух, после охлаждения, фильтрации и осушения, подается в камеру измельчения через несколько сопел, расположенных в двух- или трехмерном пространстве, образуя сверхзвуковой воздушный поток. Кинетическая энергия этой струи разжижает материал. Ускоренные частицы сходятся в точке пересечения сопел, подвергаясь интенсивным столкновениям, трению и сдвиговым силам, что приводит к сверхтонкому измельчению. Затем измельченный материал поднимающимся воздушным потоком транспортируется в зону классификации. Под действием центробежной силы классификационного колеса и силы всасывания вентилятора происходит разделение крупных и мелких частиц. Крупные частицы под действием силы тяжести возвращаются в камеру измельчения для дальнейшего измельчения. Мелкие частицы, соответствующие требуемому размеру, поступают в циклонный сепаратор с воздушным потоком для дальнейшего разделения и сбора, в то время как мелкие частицы материала направляются в систему пылеудаления.
Ключевые параметры оборудования, используемые в процессе струйной обработки, включают: диаметр сопла, скорость подачи, давление шлифования, линейная скорость вращения классификационного колеса и объем всасываемого воздуха.. Эти факторы в совокупности влияют на технические характеристики продукции, качество и объемы производства.
(1) Сопло
Сопло, используемое в струйных мельницах, было изобретено шведским инженером Густафом де Лавалем и поэтому называется “Насадка Лаваля”. Передняя часть сопла сужается от большого к узкому горловине, а затем расширяется от малого к большому. Такая структура приводит к изменению скорости воздушного потока (v) в зависимости от площади поперечного сечения сопла, ускоряя поток от дозвуковой скорости до звуковой и, наконец, до сверхзвуковой.
Рисунок 2: Схема сопла Лаваля
После прохождения через сопло сжатый воздух становится сверхзвуковым и поступает в камеру измельчения. Учитывая воздействие воздушного потока и материала, сопло должно обладать высокой механической прочностью и износостойкостью. Как показано на рисунке 3а, сопло из нержавеющей стали демонстрирует сильный износ после месяца эксплуатации. Этот износ нарушает поле воздушного потока, влияя на размер частиц и удельную площадь поверхности измельченного продукта, а также приводит к загрязнению металлом, что влияет на качество продукта. Чтобы избежать этих проблем, в настоящее время широко используются керамические сопла, как показано на рисунке 3б.
Рисунок 3. а) Сопло из нержавеющей стали б) Керамическое сопло
(2) Колесо классификации
Классификационное колесо состоит из переднего фланца, заднего фланца, нескольких лопастей и герметизирующего диска. Зазоры между соседними лопастями служат каналами подачи, а внутренние стороны лопастей образуют полость. Более высокая линейная скорость вращения классификационного колеса приводит к уменьшению размера частиц продукта. Линейная скорость положительно коррелирует как с диаметром классификационного колеса, так и с частотой его вращения. Количество материала в камере измельчения можно контролировать по току двигателя классификационного колеса; более высокий ток указывает на большее количество материала в камере.
Материал сталкивается с классификационным колесом и ударяется о него. Классификационные колеса из нержавеющей стали изнашиваются после длительного использования, как показано на рисунках 4a/b. Для предотвращения этого в настоящее время широко используются керамические классификационные колеса, как показано на рисунке 4c.
а. Материал из нержавеющей стали (изношенный), б. Материал из нержавеющей стали (нормальный), в. Керамический материал
Рисунок 4. Классификационное колесо
(3) Технические характеристики изделия
Зависимость между параметрами струйной мельницы и размером частиц/выходным продуктом выглядит следующим образом:
- “—” указывает на отсутствие прямой корреляции между диаметром сопла и размером частиц.
- “↗” указывает на то, что технические характеристики продукта улучшаются по мере увеличения параметра.
- “↘” Это означает, что характеристики продукта ухудшаются по мере увеличения параметра.
Примечание: Весовой коэффициент влияния каждого параметра различается.
| Индикатор/Параметр | Диаметр сопла | Скорость подачи | Линейная скорость шлифовального диска | Линейная скорость колеса классификации | Уровень всасывания |
| Размер частиц | — | ↘ | ↘ | ↘ | ↗ |
| Производственная мощность | ↗ | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
Процесс настройки параметров:
- Выберите размер форсунки заранее, исходя из модели оборудования и предполагаемой производительности.
- Определите соответствующий диапазон линейной скорости (обороты классификационного колеса в минуту) в зависимости от целевого размера частиц материала.
- Определите подходящий диапазон давления измельчения, исходя из характеристик материала (например, монокристаллический, поликристаллический, твердоагломерированный, мягкоагломерированный). Чрезмерное давление приводит к образованию избыточного количества мелких частиц, которые трудно удалить.
- Оптимизируйте скорость подачи и объем всасываемого воздуха в зависимости от требуемой производительности.
- Необходимо пересмотреть целесообразность оптимизации диаметра сопла с учетом конечной производительности и энергопотребления.
2. Механическая мельница
Рассматриваемая здесь механическая мельница представляет собой ударную механическую мельницу. Схема работы оборудования системы показана на рисунке 5.
1. Электрический шкаф управления, 2. Система подачи, 3. Шлифовальный механизм.,
4. Механизм классификации, 5. Циклонная система разделения, 6. Фильтрационная система.
Рисунок 5. Схема технологического процесса работы оборудования механической мельницы.
Материал равномерно подается в камеру измельчения с помощью системы подачи, где он подвергается сильному ударному воздействию высокоскоростного вращающегося шлифовального диска. Одновременно центробежная сила заставляет материал сталкиваться со шлифовальным кольцом, подвергаясь комбинированному воздействию сил сдвига, трения и удара для измельчения. Измельченный материал транспортируется потоком воздуха в зону классификации для разделения крупных и мелких частиц. Крупные частицы возвращаются в камеру измельчения для дальнейшего измельчения. Отборные мелкие частицы поступают в циклонный сепаратор с потоком воздуха для дальнейшего разделения и сбора, а мелкие частицы направляются в систему пылеудаления.
Ключевые параметры оборудования для механической мельницы включают в себя: скорость подачи, линейная скорость шлифовального диска, линейная скорость классификационного колеса и объем всасываемого воздуха., которые в совокупности влияют на технические характеристики, качество и объемы производства продукции.
(1) Шлифовальный диск
Шлифовальный диск оснащен шлифовальными штифтами. Материал в камере подвергается воздействию этих высокоскоростных вращающихся штифтов. На рисунке 6а показан металлический шлифовальный диск, который подвержен износу при длительной эксплуатации, что приводит к загрязнению металлом. В настоящее время широко используются керамические шлифовальные диски. Хотя они тверже и более износостойки, их хрупкая природа обычно требует меньшей линейной скорости вращения по сравнению с металлическими дисками, что снижает силу удара. Более высокая линейная скорость вращения шлифовального диска приводит к уменьшению размера частиц продукта. Линейная скорость положительно коррелирует как с диаметром диска, так и с его скоростью вращения.
Рисунок 6. а. Металлический шлифовальный диск б. Керамический шлифовальный диск
(2) Технические характеристики изделия
Взаимосвязь между параметрами механической мельницы и размером частиц/выходом продукта выглядит следующим образом:
- “—” указывает на отсутствие прямой корреляции между скоростью подачи и размером частиц.
- “↗” указывает на то, что технические характеристики продукта улучшаются по мере увеличения параметра.
- “↘” Это означает, что характеристики продукта ухудшаются по мере увеличения параметра.
Примечание: Весовой коэффициент влияния каждого параметра различается.
| Индикатор/Параметр | Скорость подачи | Линейная скорость шлифовального диска | Линейная скорость колеса классификации | Уровень всасывания |
| Размер частиц | — | ↘ | ↘ | ↗ |
| Производственная мощность | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
Процесс регулировки классификационного колеса и других параметров в механической мельнице аналогичен процессу регулировки в струйной мельнице.
(3) Сравнение производительности
Различия в принципах измельчения в струйных и механических мельницах определяют их применимость, производительность и энергопотребление. В основе своей:
- Струйные мельницы Использование сверхзвукового воздушного потока для вызывания столкновений между частицами с целью уменьшения их размера.
- Механические мельницы Для измельчения материала используется вращающийся диск, который отбрасывает материал к неподвижным штифтам и стенке камеры, как показано на рисунке 7.
Рисунок 7: Схема процесса измельчения частиц в камерах струйной/механической мельницы.
| Реактивная мельница | Механическая мельница | |
| Принцип | Сверхзвуковая скорость вызывает столкновения между материалами. | Сдвиг и столкновение между материалами и оборудованием |
| Интенсивность шлифовки | Большой: сверхзвуковая скорость | Небольшой размер: Линейная скорость шлифовального диска ограничена. |
| Потребление энергии | Высокий уровень: требуется сжатый воздух. | Низкий уровень: для охлаждения используется циркулирующая вода. |
| Расходы | Высокий | Низкий |
| Площадь, занимаемая оборудованием | Большой | Маленький |
В таблице выше приведено подробное сравнение характеристик. Механические мельницы больше подходят для измельчения мягких агломерированных частиц (например, поликристаллических материалов). Для некоторых твердых агломерированных монокристаллических частиц даже при максимальной скорости вращения диска эффективное измельчение может быть не достигнуто. Струйные мельницы могут измельчать как мягкие, так и твердые агломерированные частицы (например, монокристаллические материалы), но имеют недостатки в энергопотреблении и стоимости. Для некоторых поликристаллических материалов с рыхлой структурой струйное измельчение может привести к чрезмерному разрушению частиц.
Рисунок 8. Струйное и механическое измельчение.
На рисунке 8 показаны изображения монокристаллического тройного материала NCM, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), измельченного струйной мельницей и механической мельницей соответственно. Струйная мельница демонстрирует значительно более высокую силу измельчения, эффективно разрушая твердые агломераты между частицами.
Эпический порошок
Эпический порошок Наша компания специализируется на технологиях обработки мелкодисперсных порошков для горнодобывающей, химической, пищевой, фармацевтической промышленности и т.д. Наша команда имеет более чем 20-летний опыт в обработке различных порошков и разработала и установила крупнейшую в Китае линию по производству ультратонкого баритового порошка с помощью струйной мельницы.
Мы являемся профессиональным поставщиком оборудования для обработки порошков, в частности, для измельчения, классификации, диспергирования, обработки поверхности порошков и переработки отходов. Мы предоставляем консультационные услуги, проводим испытания, разрабатываем проекты, поставляем оборудование, осуществляем ввод в эксплуатацию и обучение.
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
