Планетарная мельница для порошков

Диспергирование твердых тел, т.е. их измельчение до частиц малых размеров – осуществляется с целью повышения скорости гетерогенных процессов. В большинстве случаев практическое применение и лабораторное исследование многих твердых материалов невозможно без предварительной подготовки материала. Придание необходимой повышенной удельной поверхности твердых материалов можно добиться многими физико – механическими и химическими процессами. Однако, на практике уже стало ясно, что наиболее простыми в исполнении, экономически выгодными и не требующие повышенной квалификации обслуживающего персонала, являются процессы механического измельчения. Как в производственных масштабах, так и в лабораторных условиях широкое применение получили процессы дробления и помола. На практике, данным процессам практически всегда сопутствуют процессы грохочения или сепарации твердых веществ – основанные на сортировке дробленных или помольных материалов.

Процесс механического измельчения имеет огромный практический интерес в следствии ряда причин:

1) обширная номенклатура процессов, требующих стадию изменения фракционного состава материала в современной промышленности и научной отрасли;

2) данные процессы нашли свое применение в современных многотонажных производствах, таких как цементная, горнорудная, пищевая промышленность, процессы изготовления строительных и композиционных материалов;

3) простота использования и эксплуатации оборудования;

4) высокий экономический эффект, как резюмирующая составляющая предыдущих пунктов и высокой энергоемкости современного оборудования.

Все вышеперечисленные пункты подтверждают представления о высокой актуальности и потребности процессов механического измельчения материалов. Об этом свидетельствуют и данные энергопотребления на эти процессы. В данный момент в современной России такого учета не ведется, однако, для промышленности периода Советского Союза известна цифра – порядка 10% всех мировой электроэнергии тратилось именно на процессы производства порошков.

Отсюда вытекает первоочередная задача – выбора наиболее оптимальной технологии и оборудования для процессов диспергирования твердых тел. В современной промышленности и лабораторном исследовании известно два типа измельчения кускового материала – это дробление и помол. Для этих процессов используются соответственно два принципиальных типов оборудования — дробилки и мельницы. Каждый из этих видов оборудования делится на типы. Данные типы отличаются между собой по различным конструкционным особенностям, областям применения и масштабам использования. В настоящей работе мы изучаем процесс помола твердого материала в лабораторных условиях мельницей АГО – 2У планетарной конструкции.

Выбор данного оборудования, как объекта исследования не случаен. В настоящее время стоит вопрос о получении порошков тонкого помола при условии ограниченных затрат времени и энергии. В зависимости от требований, предъявляемых к тем или иным продуктам анализа, которые базируются как на свойствах изучаемого материала, так и областях применения данных материалов, различаются процессы, а следовательно и выбор оборудования для данных процессов. Известны следующие критерии выбора оборудования: твердость перерабатываемого материала, тонина необходимого помола, дисперсность, поступающих на анализ образцов исследования, точность и чистота эксперимента, удобность и простата обслуживания, эффективность работы оборудования – как результат показателя: количество и качество анализа проб за единицу времени и количества энергии при данном процессе затраченной.

На современном этапе развития лабораторного оборудования

представлены различные модели мельниц. Данные устройства, главным образом приобретаются и используются для экспресс – анализов твердых веществ и научно-исследовательской деятельности. Как правило, эти мельницы являются универсальными устройствами, обеспечивающими способность к измельчению широкого спектр органических и неорганических веществ. Высокотехнологичная лабораторная мельница, к которой относится планетарная мельница АГО – 2У способна решить целый комплекс задач. Она может быть использована в широком диапазоне исследований для быстрого (в течение несколько минут) сверхтонкого измельчения различных (в том числе сверхтвердых) порошковых материалов:

1. провести подготовку дисперсной смеси;

2. диспергировать исходный материал пробы, чтобы осуществить спектральный, рентгеноструктурный и рентгенфлуоресцентный анализ, а также ряд других физико-химических исследований, например, для сравнительного анализа оборудование, выполняющих функцию диспергирования материалов в промышленности [1];

3. изучение механизма активации порошков и установление закономерностей реакций в которые данные порошки вступают, а также изучение вопросов касательно внутренней энергии молотых частиц [2,3];

4. ситовой анализ в разнообразных сферах научно-исследовательской деятельности, а именно в фармацевтике, медицине, аналитическая и физическая химия; биология; физика, экология;

5. изучение дефектов материалов как рудных, так и нерудных месторождений, а также изучение возможности успешного механического диспергирования порошков тугоплавкого соединения, их прочности влияние различных факторов на данные показатели в том числе количественный и качественный состав примесей, сопутствующих технологии изготовления сплавов и керамических изделий [4];

6. получение дисперсионных неорганических и органических

веществ с высоким внутренним и поверхностным потенциалом;

7. создание и получение стабильных форм композиционных материалов;

8. инновационные исследования, включающие нанотехнологии различных отраслей науки и промышленности, получение ультратонких порошков и изучение их свойств, рассмотрение вопроса применения полученных материалов различных материалов в нанотехнологиях [5,6];

9. изучение процесса помола и происходящие изменения с оборудованием в результате этого процесса. Разработка на этих данных комплексных мер по предотвращению преждевременного износа оборудования мелющих тел, предупреждение разрушения отдельных агрегатов и предотвращении. Попадания частиц металла в последующие операции технологического процесса;

10. получения определенной суспензии, для создания условий влажной грануляция, которую в дальнейшем можно использовать для научно-исследовательской деятельности;

11. лабораторное измельчение хрупких, твердых и неэластичных материалов, а также мягких пористых материалов;

12. влияние поверхностно – активных веществ на процесс разрушения, его интенсификацию, природу и параметры;

13. Изучение вопросов касаемо синтеза различных соединений, в том числе и возможность проведения твердофазного синтеза, выявление оптимальных параметров для проведения данного синтеза [7];

14. Изучение возможности получения различных модификации веществ, основанных на атомных перегруппировках изучаемого материала [8].

Процесс измельчения в планетарной мельнице можно представить как совокупность основных двух процессов, следующих последовательно друг за другом. Первый процесс – разрушение исследуемого материала. Вследствие приложенной механической силы. Второй процесс, или точнее сказать этап заключается в противоположных процессах первого этапа, а именно агрегация полотых частиц как под воздействием внутренней энергии данных частиц, т.е. самопроизвольно, так и под внешней силой, вызывающих давление и заставляющих данную дисперсную фазу становиться монолитной. Из данного утверждения вытекает концептуальный вывод о работе оборудования, основанного на процессах помола. Необходимо знать не только явление помола и разрабатывать механизмы управления данными процессами, но и возникает не менее важная задача – изучение процессов, препятствующих процессом агломерации молотого материала. Так как наша работа посвящается мельнице, в результате воздействия которой получается материал тонкого и ультратонкого помола, данные вопросы становятся особенно актуальны. Это связано с тем, что, в данном вопросе существует постулат, который гласит: чем тоньше производится помол исследуемого твердого тела, тем большую энергию необходимо применить на единицу поверхности или единицу массы данного материала, и, следовательно, тем легче данной молотый материал переходит в свое исходное состояние – подвергается процессу агломерации.

Кроме того, наряду с упомянутыми нами процессами диспергирования и агрегации твердого материала в результате происходящих процессов в планетарной мельнице происходит также процессы внутри частичек материала – изменение кристаллической решетки, так и на поверхности частиц материала – изменение поверхностной энергии. Именно эти характеристики имеют огромный практический интерес, так как они лежат в основе энергетических процессов дальнейшего образования твердой фазы, ведь, как правило, сыпучие материалы или порошки используются в дальнейшем для создания широкой номенклатуры продукции. И насколько они будут легко вступать в гетерогенные реакции зависти энергетический эффект данных реакций, т.е. определять экономику предприятия, себестоимость конечного продукта, и как следствие, конкурентоспособность данной продукции, т.е. прибыль и жизнеспособность предприятия. Эффективность диспергирования любого твердого материала и количество энергии затраченное на данное измельчение, а следовательно, и расход электроэнергии зависит от режима движения помольной среды в мельнице. В любой планетарной мельнице, также как и в обычной шаровой, возможны следующие режимы помола: каскадный — без подбрасывания мелющих тел; смешанный — частично перекатывание мелющих тел, частично подбрасывание; водопадный — с подбрасыванием, но с частотой вращения барабана меньше критической; режим со сверхкритической скоростью — частично подбрасывание и частично центрифугирование и режим махового колеса — только с центрифугированием.

Режим движения помольной среды существенно зависит от кинематических параметров привода и прежде всего от безразмерной частоты вращения рабочего барабан, а также от степени заполнения шарами [9]. Лабораторная мельница АГО – 2У спроектирована таким образом, чтобы соотношение (по массе) мелющих тел к обрабатываемого материалу было оптимальным для эффективного помола. Данное соотношение составляет приблизительно 1:4, т.е. на одну часть массы обрабатываемого материала приходится 4 массы мелющих тел. Кроме всего прочего, данная мельница с характерными для изучаемых явлений и процессов, исходными параметрами:

1. небольшой объем барабана и его оптимальная загрузка, необходимый фактор для работы с небольшим количеством исследуемого материала;

2. относительно высокое ускорение мелющих тел, достигающее своих значений благодаря интенсивной частоты вращения барабанов при относительно экономичном электродвигателе, данные параметры оборудования способно вызвать процесс интенсивного и эффективного помола;

3. компактные размеры и малая масса, позволяющие работать на данном оборудовании в малогаборитнвых строительных и химических лабораториях;

4. пульт управления с регулировкой частоты вращения и времени – позволяет корректировать режимы с высокой точностью.

В настоящее время уже достаточны, изучены вопросы, касающиеся теории измельчения и удара. Уже точно установлено, что процесс разрушения любого твердого тела в независимости от своей природы определяется появлением новых поверхностей внутри объема тела, а также увеличения площади уже существующих поверхностей. В конечном итоге наступает момент, когда первоначальны элемент исследования разделяется на множество частей. Эмпирически установлено, что процесс диспергирования является совокупностью разрушений, происходящих на самых разных уровнях структурных элементов вещества, т.е. разрушение затрагивает практически все уровни размеров дефектов, т.е. микродефекты кристаллических решеток, дефекты средних размеров, макродефекты, видимые невооруженным глазом.

Изучение реакции различных веществ, в основном горных пород и минеральных сред на динамические нагрузки представляет собой сложную задачу, обусловленную специфическими особенностями их поведения при таких воздействиях. Специфика ударных воздействий на данные материалы таковы, что в них образуются конечные области возмущений с отличающимся друг от друга напряженно-деформированным состоянием. Т.е. при нагрузке, которая носит динамический характер в твердом материале создаются деформационные напряжения, характер и размер которых будет зависить от физико – механических свойств исследуемого материала (которые, в свою очередь определяются химическим строением данных веществ), и характером и интенсивностью воздействия (т.е. импульсом) на это вещество. В результате воздействия помольного оборудования в твердом теле возникает высокая интенсивность напряжений, которая довольно специфична и принципиально отличается от напряжений, возникающих в образце при использовании статической нагрузки.

Как мы уже отмечали ранее, выбор способа разрушения, а следовательно и оборудование для данного разрушения делается исходя из физико – механических свойств исследуемого материала, начальной величины разрушаемых кусков, требуемой степени измельчения, простоты и надежности оборудования и, кроме того в настоящее время выбор данных машин ведется в первую очередь в направлении снижения энергоемкости процесса измельчения. Это может быть достигнуто использованием таких механизмов разрушения, при которых в измельчаемом материале формируется сложное напряженное состояние с упругими деформациями сжатия, растяжения, изгиба и сдвига [10].

В настоящее время существует огромное количестве различных видов мельниц это шаровые, криогенные, вибрационные, режущие, роторные, ударные мельницы. Однако наибольшее распространение получили именно планетарные мельницы и это не случайно. Так как именно данный тип мельниц обладает оптимальными значениями энергоемкости. Остановимся на обсуждении данного вопроса более подробно.

Как уже автором отмечалось ранее, вопрос энергоемкости, в настоящее время становится особенно актуальным, особенно при таких затратных процессах как разрушение твердого вещества. Причина кроется в самом механизме данного разрушения. Итак, на процесс диспергирования затрачивается энергия, которая определяет данную работу. Значение данного параметра будет тем выше, чем тоньше необходимо фракционировать материал. Однако, как мы уже отмечали выше, наряду с процессом диспергирования идет и обратный процесс – коагуляция, которая также зависит от тонины полола. Отсюда возникает принципиальный вопрос – как выполнить высокоэффективный помол, затрачивая при этом небольшое количество энергии? Причем, данный помол необходимо довести до тонких и ультратонких фракций, т.о. чтобы данные частицы не коагулировали в дальнейшем, т.е. задать данным частицам высокую внутреннею энергию при их разрушении на молекулярном уровне.

На практике данная теория вылилась в создание машин очень сложной конструкции, многие из которых показали хорошие результаты, другие – неудовлетворительные. Мы в данной работе не имеем возможности рассмотреть их подробно. Одним из самых удачным решением данного вопроса стало создание планетарной мельницы. Данное оборудование во много раз превосходило по показателям энергонапряженности своих конкурентов.

Работа по созданию высокоэффективного помольного оборудования, которая получило название «планетарная мельница» началось более века назад в промышленно развитых странах мира. Однако совершенствование данного оборудования происходило достаточно медленно из – за сложности решения множества технических вопросов. Только в конце 60–х годов лидеры на рынке подобного оборудования, а именно некоторые немецкие компании, заявили о создании эффективных планетарных мельниц. Мельницы данного типа, с высоким показателями энергонапряженности, промышленного масштаба непрерывного действия пришли на рынок еще спустя десять лет [11].

Итак, что же собою представляет показатель энергнапряженности? Почему планетарного типа мельницы настолько эффективны из – за высокого значения данной фундаментальной характеристики? В самом общем смысле энергонаряженность мельницы – это величина мощности, приведенной к единице объема рабочей камеры. В барабанах планетарных мельницах, вращающихся вокруг центральной и собственных осей, достигаются огромные значения ускорения центробежного поля, которое может в десятки и даже сотни раз может превышать ускорение гравитационного поля. Кроме того, уникален и очень эффективен характер движения вещества, подвергающегося помолу, и мелющих тел. Благодаря чему, достигается эффективный механизм воздействия мелющих тел — ударный, истирающий, смешанный. Благодаря данным особенностям планетарной мельницы именно на разрушение обрабатываемого материала уходит значительная часть энергии от общей, которая потребляется мельницей, в виде тепла теряется незначительная доля энергии. Кроме того, во время эксплуатации планетарной мельницы решается вопрос об увеличении прочность тонких частиц, обладающих высокой твердостью и малым количеством микротрещин и дефектов – энергии, подводимых к материалу хватает для их разрушения, за счет увеличение частоты воздействия сил на измельчаемую частицу. Количество таких воздействий велико за счет использования большого количества мелющих тел и высокой скорости вращения.

Удельная производительность планетарных мельниц в 10-30 раз превышает удельную производительность традиционных шаровых мельниц. Кроме того, планетарные мельницы не требуют массивного дорогостоящего фундамента, а их эксплуатационные расходы в несколько раз меньше, чем для обычного измельчительного оборудования. Однако, не следует забывать, что необходимой предпосылкой проведения исследований диспергирования твердых веществ на планетарной мельнице является грамотное владения данными методами анализа. В области такой высокой дисперсности, которую создает изучаемая нами мельница, практически все методы анализа основаны на измерение какого – либо параметра полученных частиц, которые меняются в результате механического воздействия их размера.

Указанные особенности планетарных мельниц позволяют достигать высокой эффективности процесса измельчения и получения сверхтонких порошков любых по твердости минеральных материалов, а также тех, которые традиционно не являются объектом тонкого измельчения в силу своих физико-химических характеристик.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 — В. И. Романовский, О. А. Петров // Сравнительная характеристика способов диспергирования отработанных синтетических ионитов // Труды Белорусского государственного технологического университета, Выпуск № 4 / том 1 / 2011

2 — А.В. Страхов, Н.А. Иващенко, О.А. Кончакова // Способы получения функциональных добавок – модификаторов направленного действия для модифицирования силикат – натриевых композиций // Вестник Саратовского государственного технического университета, Выпуск № 1 (68) / том 4 / 2012

3 – Пилюгин В.С., Чикишева Г.Е.,Сапожников Ю.Е., Павлова О.В. // Кинетика внутримолекулярной перегруппировки 1-бензоил-2-аминобензимидазола в 2-бензоиламинобензимидазол // Башкирский химический журнал, Выпуск № 1 / том 15 / 2008

4 – Хасанов О.Л., Шулепов И.А., Полисадова В.В. // Оже – спектроскапия механоактивированных порошков диборида циркония // Известия Томского политехнического университета, Выпуск № 2 / том 318 / 2011

5 – Найден Е.П., Журавлев В.А., Политов М.В. // Магнитные свойства наноразмерных порошков гексаферритов // Вестник Томского государственного университета, Выпуск № 278 / 2003

6 – Перевозчиков П.А., Карбань О.В., Самарцев В.С. // Механоактивация как метод получения наномодифицированных биологических материалов // Журнал Фундаментальные исследования, Выпуск № 9-3 / 2013

7 — Сапожников Ю.Е., Масленникова В.В., Буслаева Л.И., Галиева З.Б., Сапожникова Н.А., Валитов Р.Б. // Твердофазный синтез феноксиуксусной кислоты в условиях механохимической активации // Башкирский химический журнал, Выпуск № 1 / том 15 / 2008

8 – Каннуникова О.М., Шаков А.А., Михайлова С.С. // Физико – химические и биологические свойства водных растворов критсаллических модификаций I, II, (II + Fе) 2-оксо-1-пирролидин-ацетамида // Вестник Удмуртского университета, Выпуск № 4-4 / 2012

9 — Терлецкая А.М., Райц Н.Р., Лимарева И.Г., Апачиди К.Н. // Расчет энергетических и силовых параметров планетарной мельницы с двумя степенями свободы // Современные наукоемкие технологии, Выпуск № 3, 2012

10 — В.П. Баскаков, Ф.А. Мешков // Исследования динамических параметров шаровой загрузки // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), Выпуск № 9, 2002

11 — Мельницы непрерывного действия // режим доступа:

12 — Ударно-шаровые мельницы – новый шаг к энергоэффективности // режим доступа: