Просеивающая шаровая мельница: лабораторный контроль размера помола

Почему лабораторное барабанное измельчение теряет контроль над размером частиц

Кампания по измельчению, которая длится достаточно долго, почти всегда достигает хорошего медианного размера. Проблема в том, что еще с этим связано. В простом вращающемся барабане без какого-либо классифицирующего элемента на выходе каждая частица остается в камере до тех пор, пока партия не будет остановлена, а это означает, что материал, который раньше достиг заданного размера, продолжает подвергаться воздействию мелющих тел до конца цикла. В результате получается продукт, медиана которого может выглядеть приемлемой, хотя его распространение намного шире, чем указано в спецификации, с длинным шлейфом мелких частиц, которые ведут себя по-разному на последующих этапах прессования, литья, нанесения покрытия или спекания.

Распределение частиц по размерам, а не только медиана, определяет большую часть поведения на выходе: текучесть, плотность упаковки, реология суспензии, скорость реакции и прочность прессованной детали в сыром состоянии - все это реагирует на грубые и тонкие концы кривой. Цель с одним числом скрывает это. Инженеры, определяющие сортировочную шаровую мельницу, обычно пытаются преобразовать неконтролируемый периодический процесс в процесс, в котором верхний предел распределения устанавливается физическими особенностями машины, а не решением оператора о том, когда следует выключить привод.

Распределение времени пребывания объясняет большую часть различий. В барабане периодического действия время пребывания практически одинаково для каждой частицы, поскольку весь заряд останавливается вместе. В барабане непрерывного действия распределение времени пребывания широкое, и частицы, которые выходят раньше, являются крупными, а те, которые остаются позже, остаются над землей. Просеивающий выпуск сужает это окно, удаляя частицы, как только они смогут пройти через отверстие, что сокращает среднее время пребывания готовой фракции и уменьшает количество повторных процессов ее разрушения.

Есть и второй, менее очевидный эффект. Когда мелкие частицы удаляются по мере их образования, камера измельчения удерживает в среднем более крупную загрузку. Грубые среды и крупные частицы взаимодействуют иначе, чем слой, смягченный мелкими частицами, поэтому энергия, передаваемая за удар, может использоваться более эффективно, и мельница иногда может достичь заданного размера за меньшее время. В зависимости от свойств материала и условий процесса этот эффект может быть заметен при сухом измельчении хрупких минералов, керамики и шлаков и гораздо менее заметен у пластичных, волокнистых или липких материалов, которые не разрушаются полностью.

Прежде чем выбирать любую конфигурацию, уточните четыре цифры: размер верхней части подачи, целевую медиану, допустимый грубый срез и требуемый размер партии или пропускную способность. Все остальное — диаметр и длина барабана, скорость вращения, размер и материал носителя, апертура экрана, футеровка и мощность привода — существует для удовлетворения этих четырех ограничений. Та же логика применима независимо от того, является ли машина небольшой лабораторной установкой или барабаном пилотного масштаба: порошок определяет машину, а не наоборот.

Как сортировочная шаровая мельница классифицирует материал на выходе

A сортировочная шаровая мельница сочетает в себе две функции в одном барабане: измельчение с помощью галтовочного материала и классификацию по размеру с помощью просеивающей поверхности на разгрузочном конце. Материал и носитель оплачиваются вместе. По мере вращения барабана носитель скатывается каскадом и разрушает корм; измельченный материал мигрирует к разгрузочному концу и проходит через отверстия сита, в то время как мелющие тела и негабаритные частицы задерживаются и возвращаются в зону измельчения. По сравнению с барабаном с открытым концом, машина определяет размер, при котором материал может выходить, а не полагается на оператора, который решит, когда партия будет завершена.

Где находится просеивающий элемент на пути измельчения

Просеивающая поверхность расположена поперек пути разгрузки, поэтому она определяет границу между зоной измельчения и точкой сбора, а не действует как высокоточный классификатор. Частицы либо проходят через отверстия и уходят, либо задерживаются и вновь попадают в кувыркающийся заряд. Такое расположение означает, что поведение выброса определяется двумя независимыми переменными: кинетикой уменьшения размера внутри барабана, которая определяет, как быстро частицы достигают размера отверстия, и самой апертурой, которая определяет, что выпускается наружу. Разделение этих двух переменных делает конструкцию предсказуемой в рутинной лабораторной работе, поскольку смена сита меняет нарезку продукта без изменения механики измельчения.

Чем на самом деле управляет диафрагма экрана

Отверстие устанавливает верхний предел того, что выходит из барабана, а не медиану продукта. Все частицы, проходящие через экран, меньше размера апертуры, но распределение этого проходящего потока по-прежнему определяется тем, как был измельчен заряд. Крупная апертура дает грубый продукт с широким разбросом; более мелкое отверстие дает более мелкий продукт и обычно требует более длительного измельчения, поскольку материал необходимо еще больше измельчить, прежде чем он сможет выйти. Апертуру следует выбирать в соответствии с грубым пределом спецификации, с запасом на тот факт, что частицы неправильной или удлиненной формы проходят через отверстия иначе, чем компактные, изометричные.

Существуют два практических ограничения. Во-первых, отверстие должно быть меньше самого мелкого мелющего тела в шихте; в противном случае среда может попасть в емкость для сбора и загрязнить продукт. Во-вторых, размер отверстий должен соответствовать достижимому уровню измельчения: если отверстие намного ниже того, что носитель может произвести за разумное время, барабан заполняется рециркулирующим грубым материалом, и пропускная способность падает. Оба предела устанавливаются в результате короткой тестовой кампании, а не только путем расчета.

Как селективная разгрузка по размеру меняет характеристики шлифования

Когда разгрузка становится селективной по размеру, мельница движется к внутреннему равновесию. Грубые частицы задерживаются и разбиваются; мелкие частицы уходят и перестают разрушаться. При непрерывной работе барабан достигает устойчивого состояния, в котором скорость образования мелких частиц равна скорости выгрузки, а размер продукта стабилизируется вокруг разреза с контролируемым отверстием. Периодический режим ведет себя по-другому: загрузка удерживается до окончания цикла, поэтому сито в основном предотвращает преждевременный сбор негабаритного материала, а окончательное распределение зависит от общего времени измельчения. Знание того, какой режим используется, важно при интерпретации тестовых данных.

Практическая выгода заключается в более узком распределении и более низкой фракции мелочи, чем в барабане без ограничений при том же среднем размере. Практическим ограничением является пропускная способность: поскольку разгрузка ограничена, сортировочный стан обычно перерабатывает меньше материала в единицу времени, чем эквивалентный барабан с открытой разгрузкой. Этот компромисс между качеством распределения и производительностью является центральным проектным решением для большинства лабораторных и пилотных приложений.

Переменные, определяющие производительность сортировочной шаровой мельницы

Скорость барабана и соотношение критической скорости

Скорость вращения барабана определяет, как носитель поднимается и как возвращается. Ориентиром является критическая скорость, скорость, с которой заряд будет центрифугироваться и оставаться прижатым к оболочке. На практике барабанные мельницы работают на некоторой части критической скорости, и полезный диапазон довольно узок. Ниже примерно половины критического значения носитель скользит и катится без достаточной энергии удара, поэтому разрушение происходит медленно и в значительной степени приводит к истощению. По мере увеличения скорости в области каскадирования и катаракты среда поднимается выше и падает дальше, увеличивая энергию удара и скорость разрушения, но также увеличивая износ корпуса, среды и фильтрующего элемента. Приближаясь к критической скорости, шихта вращается вместе с барабаном и измельчение практически полностью прекращается.

Для просеивающей шаровой мельницы скорость также влияет на то, насколько быстро материал достигает сита. Более быстрое вращение способствует перемешиванию и транспортировке по барабану, но также увеличивает механическое напряжение на просеивающей поверхности. Поэтому большинство операторов настраивают скорость в соответствии с необходимой им скоростью разрушения и управляют транспортировкой за счет скорости подачи и геометрии разгрузочного конца, а не за счет увеличения скорости.

Размер мелющих тел, плотность и уровень заряда

Выбор носителя напрямую зависит от размера канала. Крупные и плотные материалы обеспечивают высокую энергию удара и эффективно измельчают грубый материал, но они оставляют большие пустоты и имеют тенденцию вызывать более грубый помол с большим повреждением поверхности продукта. Мелкие среды создают больше точек контакта и более тонкое измельчение, но не могут разрушить грубую подачу: если среда слишком мала по отношению к размеру верхней части подачи, шихта просто перекатывается через частицы. Обычной отправной точкой является выбор материала, который в несколько раз больше, чем самая крупная частица корма, а затем корректировка в сторону уменьшения по мере уменьшения подачи на последующих этапах.

Плотность имеет такое же значение, как и диаметр. Среды из стали и карбида вольфрама плотны и обеспечивают высокую удельную энергию; диоксид циркония умеренно плотный и износостойкий; глинозем, агат и полимерные среды легче и мягче, производят меньше загрязнений, но требуют более длительной обработки. Выбор обычно обусловлен допустимым уровнем загрязнения конечного продукта, поскольку износ носителя напрямую влияет на порошок. Для сортировочного завода дополнительным ограничением является размер: носитель должен быть равномерно больше апертуры, что ограничивает возможность использования сита с заданным размером материала.

Уровень заряда — доля объема барабана, занимаемая средой, — контролирует как количество контактов, так и свободный объем, доступный для материала. Слишком низкий заряд снижает частоту поломок; слишком высокий заряд перегружает барабан, ограничивает движение носителя и увеличивает нагрузку на привод. Заполнение барабана до умеренной доли его объема, с достаточным пространством для циркуляции материала, является обычным компромиссом, и его оптимальный вариант зависит от материала.

Размер корма, скорость подачи и открытая площадь сита

Размер верхней части подачи определяет диаметр среды и необходимое количество стадий измельчения. Уменьшение подачи с 10 мм до продукта с размером частиц 50 мкм за один проход требует очень широкого диапазона случаев разрушения и обычно непрактично в одном барабане; два этапа с различными размерами сред или грубое предварительное измельчение с последующим тонким измельчением обычно обеспечивают лучший контроль конечного распределения. Скорость подачи при непрерывной работе должна соответствовать разрушающей способности барабана. Подача слишком быстрая, и грубый материал скапливается перед ситом, увеличивая внутреннюю задержку и увеличивая размер нарезанного продукта; подача слишком медленная, и носители ударяются друг о друга, а не о материал, что ускоряет износ без увеличения производительности.

Открытая площадь — доля экранирующей поверхности, которая фактически открыта, — определяет пропускную способность нагнетания. Сито с небольшим отверстием и толстым профилем имеет меньшую открытую площадь и пропускает меньше материала, поэтому барабан может двигаться назад даже при достаточном измельчении. Геометрия экрана, форма апертуры и способ поддержки поверхности — все это влияет на открытую площадь и, следовательно, на практический потолок пропускной способности.

Состояние экрана, ослепление и температурные воздействия

Просеивающие поверхности меняются в процессе использования. Абразивные порошки при износе открывают отверстия; пластичные, влажные или электростатически заряженные порошки ослепляют их. Любой дрейф меняет срез продукта без какой-либо корректировки настроек мельницы, поэтому периодические проверки сита относятся к регламентной работе, а не к устранению неисправностей. Частично затененный экран уменьшает эффективную открытую площадь и увеличивает внутреннюю задержку; Изношенное сито пропускает крупные частицы, и их распределение смещается вверх. Стабильные результаты зависят от проверки или замены фильтрующего элемента по определенному графику, а также от поддержания постоянства внутренних условий барабана между запусками.

Влага и статика являются наиболее распространенными причинами ослепления при сухой лабораторной работе. Корм, впитавший атмосферную влагу, может закупоривать мелкие отверстия, и порошки, несущие статический заряд, ведут себя примерно таким же образом. Обычными контрмерами являются сушка сырья, контроль влажности среды измельчения и предотвращение переполнения барабана. Температура — еще одна медленная переменная, на которую стоит обратить внимание: длительное измельчение нагревает как порошок, так и фурнитуру, а теплая и влажная внутренняя часть барабана способствует образованию мостов, что снижает производительность.

Сухая и влажная обработка и контроль загрязнения

Просеивающая разгрузка наиболее проста при сухом помоле, когда порошок проходит через отверстия под действием силы тяжести и при небольшом вращении барабана. Мокрое измельчение возможно, но жидкость меняет проблему: сито должно пропускать суспензию, а не сыпучий порошок, поэтому вязкость, содержание твердых частиц и смачивающие свойства материала определяют, будет ли сито работать должным образом. При превышении определенного содержания твердых веществ суспензия становится слишком вязкой, чтобы проходить через мелкие отверстия с полезной скоростью, и мельница ведет себя как закрытый резервуар периодического действия. Поэтому многие лаборатории резервируют мокрое просеивание для более крупных отверстий и используют сухое просеивание, когда приоритетом является определенный верхний срез.

Мокрое измельчение имеет компенсирующие преимущества, не зависящие от классификации: оно подавляет пыль, ограничивает окисление реактивных порошков, снижает повышение температуры и часто улучшает разрушение материалов, которые агломерируются при высыхании. Если для процесса требуется жидкость, выбор обычно делается между использованием более грубого сита, уменьшением загрузки твердых частиц, чтобы суспензия оставалась подвижной, или работой барабана в качестве мельницы периодического действия и классификацией на отдельном этапе.

Контроль загрязнения: среда, футеровка и очистка

Каждая операция измельчения добавляет в продукт материал из среды и с поверхностей барабана. Вопрос в том, приемлемо ли это дополнение. При работе с микроэлементами, приготовлении катализаторов, материалах для аккумуляторов и электронной керамике даже небольшие количества железа или хрома могут изменить результат, поэтому материал и футеровка выбираются с учетом совместимости с порошком, а не только по скорости шлифования. Неметаллические среды и износостойкие керамические покрытия уменьшают металлические загрязнения за счет более низкой степени поломки, и этот компромисс решается аналитической допуском конечного продукта.

Перекрестное загрязнение между кампаниями является еще одним источником ошибок. Порошок, застрявший в отверстиях, в углах разгрузочного конца и вокруг среды, попадает в следующую партию. Процедуры очистки, включающие фильтрующую среду, просеивающий элемент и внутреннюю часть барабана, а не только видимые поверхности, обеспечивают сопоставимость последующих кампаний, особенно когда мельница используется для обработки нескольких материалов поочередно.

Износ носителя также следует отслеживать как переменную процесса. Увеличение скорости износа обычно указывает на то, что среды соприкасаются друг с другом, а не с материалом, что указывает на слишком длительное измельчение, слишком малую подачу или слишком малую загрузку. Связывание измерения износа со временем и производительностью шлифования — это простой способ обнаружить процесс смещения до того, как он проявится в распределении размеров.

Выбор и проверка сортировочной шаровой мельницы для вашего применения

Калибровка начинается с порошка, а не с машины. Соответствующими входными данными являются размер верхней части исходного материала и его распределение по крупности, целевая медиана и допустимый предел крупного размера, требуемая масса или пропускная способность образца, твердость и абразивность материала, его чувствительность к влаге и допустимый уровень загрязнения. Отсюда следует объем барабана, исходя из массы шихты и насыпной плотности шихты; диаметр барабана зависит от размера носителя, необходимого для разрыва подачи; а мощность привода следует из массы заряда и желаемой скорости. Затем апертура экрана устанавливается чуть ниже грубого предела спецификации с учетом того, что она должна быть меньше, чем самый маленький носитель.

Один момент легко упустить из виду: производительность и качество резки движутся в противоположных направлениях. Просеивающая мельница с мелкими отверстиями дает превосходный верхний срез, но ограниченную производительность; увеличение барабана увеличивает производительность партии, но не меняет кинетику. Там, где проект требует как плотного разреза, так и высокой производительности, применяется двухэтапный подход — грубая дробление на неограниченной мельнице с последующим чистовым проходом на барабанной мельнице. сортировочная шаровая мельница — часто дает лучшую общую экономию, чем попытка удовлетворить оба требования в одном барабане.

Требование к процессу	Основное машинное решение	Главный компромисс
Размер верхней части корма	Диаметр носителя и диаметр барабана	Большой носитель нарушает грубую подачу, но делает продукт грубее.
Целевая медиана	Время измельчения, размер носителя, количество этапов	Увеличение времени сужает медиану, но увеличивает штрафы и износ
Грубый предел спецификации	Апертура экрана, проверенная на наименьшем носителе	Более мелкая апертура улучшает рез, снижает производительность.
Масса партии или пропускная способность	Объем барабана, уровень заряда, открытая площадка	Больший объем увеличивает мощность, а не кинетику
Толерантность к загрязнению	Среда и подкладочный материал	Неметаллические материалы уменьшают загрязнение, замедляют разрушение.

Что протестировать перед принятием конфигурации

Короткая, структурированная программа испытаний отвечает на большинство вопросов масштабирования более надежно, чем расчет.:

• Измельчите репрезентативный корм несколькими партиями и запишите распределение по размерам, а не только медиану, чтобы был виден грубый хвост.
• Повторите эти действия для двух или трех размеров носителя с одинаковой скоростью барабана, чтобы отделить влияние носителя от влияния времени.
• Проверьте две апертуры сита, все остальное зафиксировано, чтобы измерить сдвиг грубого среза и изменение пропускной способности.
• Измеряйте износ носителя и проверяйте продукт на загрязнение после продолжительной эксплуатации, а не после одной короткой партии.
• Зафиксируйте повышение температуры порошка и барабана, поскольку тепло влияет как на материал, так и на стабильность просеивающего элемента.
• Проверьте повторяемость, запустив одни и те же условия не менее трех раз и сравнив полученные распределения.

Там, где в лаборатории уже имеется валковая мельница или планетарная мельница, просеивающий барабан скорее дополняет, чем заменяет ее. Баночная мельница обеспечивает бережное измельчение небольших образцов с низким уровнем загрязнения; планетарная мельница быстро производит очень мелкие фракции, но с широким распределением и без контроля выгрузки; между ними расположена сортировочная шаровая мельница, обеспечивающая определенный верхний срез при размерах выборки, достаточных для пилотной оценки и разработки процесса.

Проблемы в работе и что проверить в первую очередь

Большинство повседневных проблем в работе сортировочных шаровых мельниц возникают из-за небольшого числа причин. В таблице ниже перечислены обычные симптомы, поэтому стоит провести первую проверку. Он написан в виде диагностической последовательности, а не списка мер, поскольку один и тот же симптом может возникнуть по противоположным причинам: слишком крупный продукт может означать недостаточное время помола или изношенное сито, и только осмотр позволяет отличить их.

Симптом	Вероятная причина	Первая проверка
Продукт грубее, чем ожидалось	Изношенный или слишком большой экран; короткое время шлифования; скорость подачи слишком высокая	Осмотрите размер проема и открытую площадь; просмотреть время партии или скорость подачи
Пропускная способность намного ниже ожидаемой	Заслепленный экран; диафрагма слишком мала для носителя; чрезмерная задержка	Проверьте экран на предмет запотевания и влаги; проверьте размер носителя по диафрагме
Широкое распространение с большими штрафами	переизмельчение; выбросы неклассифицирующие; заряд слишком мал	Убедитесь, что экран пропускает материал; сократить время обработки партии; увеличить заряд
Носитель попадает в продукт	Апертура больше, чем у самого маленького носителя; поврежден экран	Измерьте среду и апертуру; проверить экран на предмет искажений
Загрязнение выше допуска	Износ носителя или подкладки; перенос из предыдущей партии	Проверьте степень износа и процедуру очистки.
Результаты дрейфуют между запусками	Износ или ослепление экрана; различная влажность корма; противоречивое обвинение	Стандартизировать массу и влажность шихты; проверить и заменить экран

Две из этих проверок заслуживают особого внимания. Сетчатый осмотр должен включать измерение, а не только визуальную оценку: отверстие, открывшееся из-за износа на несколько десятков микрон, может сместить грубый срез настолько, что не будет соответствовать техническим требованиям, и это изменение будет невидимым без калибра или эталонного образца. Во-вторых, постоянство заряда. Лабораторные результаты сопоставимы только в том случае, если масса среды, масса материала и заполнение барабана одинаковы от цикла к циклу, поскольку небольшие изменения уровня заряда изменяют движение среды и, следовательно, скорость разрушения.

Вопросы, которые задают инженеры о сортировочных шаровых мельницах

Производит ли просеивающая шаровая мельница более мелкий продукт, чем стандартная барабанная мельница?

Не обязательно тоньше, но обычно уже. Сетка ограничивает грубую часть распределения, удерживая в барабане частицы слишком большого размера. Станет ли медиана более мелкой, зависит от времени измельчения, размера среды и количества рециркулируемого материала, и ответ следует подтверждать измерениями, а не предполагать.

Можно ли использовать его для мокрого шлифования?

Да, с оговоркой, что суспензия должна оставаться достаточно подвижной, чтобы проходить через отверстие с полезной скоростью. На это влияют вязкость, загрузка твердых веществ и поведение частиц при смачивании. Если требуется как очень мелкий верхний срез, так и суспензия с высоким содержанием твердых частиц, разделение измельчения и классификации на два этапа часто оказывается более надежным.

Как выбирается правильная диафрагма экрана?

Начните с грубого предела спецификации, затем выберите ближайшую апертуру ниже него с запасом для несферических частиц. Убедитесь, что отверстие меньше, чем у самого мелкого материала в загрузке, и что помол может достичь этого размера за практически приемлемое время партии. Тестирование двух диафрагм в одинаковых условиях — самый быстрый способ увидеть эффект.

Что определяет продолжительность выполнения пакета?

На сортировочном стане периодического действия сито в основном предотвращает преждевременную выгрузку крупного материала, поэтому время партии по-прежнему контролирует медиану. Правильная продолжительность — это кратчайший период времени, который соответствует как целевой медиане, так и грубому пределу, что подтверждается измерением размера во временном ряду. Чем дольше, тем лучше: это увеличивает штрафы, износ носителя и нагрев.

Как масштабирование влияет на результат?

Увеличение диаметра барабана меняет характер движения носителя и количество ударов, а увеличение длины барабана меняет время пребывания. Сопоставление доли критической скорости, уровня загрузки и соотношения размеров носителя и исходного материала более полезно, чем сопоставление одного параметра, а окончательная конфигурация обычно подтверждается пилотным запуском с использованием того же исходного материала.

Подходит ли просеивающая шаровая мельница для термочувствительных материалов?

Это возможно при условии, что время измельчения будет коротким и барабан не будет переполнен, поскольку ненужная циркуляция приводит к выделению тепла без улучшения качества продукта. Если материал действительно чувствителен к температуре, длительное измельчение с низким энергопотреблением обычно является неправильным решением; поэтапный подход с грубым предварительным шлифованием и коротким чистовым проходом ограничивает экспозицию.

Практическое руководство перед тем, как указать

Относитесь к просеивающей шаровой мельнице как к устройству с контролируемым измельчением, а не как к высокопроизводительному устройству. Его ценность заключается в том, чтобы сделать грубую часть распределения проектным решением, а не статистическим результатом, и эта ценность реализуется только тогда, когда остальная часть процесса находится под контролем: постоянная масса загрузки, измеренные экраны, документированное время обработки партий и корм, содержание влаги в котором не меняется между кампаниями.

Варианты конфигурации лабораторного оборудования для измельчения, включая барабан и сито, используемые в серии измельчения, опубликованы компанией Changsha Tianchuang Powder Technology Co., Ltd (TENCAN); тот Сортировочная шаровая мельница Страница продукта является полезным дополнением к этому анализу. Считывание его вместе с четырьмя числами, которые определяют реальные требования — верхний размер корма, целевая медиана, грубый предел и размер партии — делает сравнение доступных моделей намного быстрее, чем просмотр только спецификаций.

Там, где определенный верхний срез имеет большее значение, чем максимальная производительность (носители катализаторов, керамические предшественники, минеральные эталонные образцы или любой порошок, который должен пройти проверку на ситах перед использованием), система просеивания обычно окупается за счет повторяемости. Там, где преобладает производительность по сырью и грубая фракция не имеет решающего значения, лучшим выбором часто будет неограниченный барабан или планетарная мельница. Тестирование репрезентативного корма на небольшом устройстве остается наиболее надежным способом сделать выбор между ними.