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【技術交流】熱敏紙涂料砂磨工藝的探討

2020-04-03 派勒智能 1639








摘要


納米科技是本世紀科技發展的重要技術領域,納米科技將創造另一波技術創新及產業革命。本文通過分析臥式砂磨機工作原理和性能參數,確定其運行指標。主要研究研磨工藝優化、研磨設備改良、介質填充率、進料量和漿料黏度對臥式砂磨機運行指標和產品品質和產出的影響。

關鍵詞

分散機、乳化機、臥式砂磨機;納米研磨機;比能量輸入;填充率;漿料黏度;進料量




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熱敏紙

熱敏紙的涂料由碳酸鈣、顯色劑、增感劑、染料、潤滑劑、分散劑、抗氧劑、消泡劑、無色染料及一些氧化物構成。其研磨的方式,各廠之間也有些不同。有將所有粉料混合在一起研磨的,也有將碳酸鈣、顯色劑,增感劑,無色染料單獨研磨,然后再以一定比例混合成涂料的。


相對而言,熱敏紙涂料的研磨比較困難。其顆粒的進料細度(進入砂磨機),因預研磨(預切割)的方法不同,也有差異。舉某一工廠的例子,其進料細度為dMax≈300~450μm,d90<200μm。各廠對涂料的研磨后細度也不相同。如有一廠家為d50≤0.70μm,d90≤1.5μm,而另一廠家為d50≤0.35μm.


目前用于熱敏紙涂料研磨的砂磨機類型主要有盤式及棒銷式兩種。研磨類型為單機循環或兩機串聯循環(每臺機都單獨循環,產品在前臺盤式機循環研磨到一定細度后,再進入后臺棒銷機循環研磨)。




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問題的提出

就一定產量的熱敏涂料,確定了相應性能,如進料細度,出料細度(或顆粒分配分布)后,就需要一定量的砂磨機來完成該研磨任務。

砂磨機的類型確定后,砂磨機單機的產量可通過實驗來推定,這樣生產該產量涂料所需研磨砂磨機的數量也可大致推算出來,

然后,所需砂磨機的數量也會根據不同的研磨工藝和砂磨機的結構形式不同而有所變化。

一般而言,研磨工藝的選擇(砂磨機的排列,布置)因盡量根據最大限度的利用砂磨機的研磨能力這樣的原則。

舉一例而言,若兩臺砂磨機串聯,就會提出這樣一個問題:前道砂磨機應將涂料研磨至什么樣細度,才進入后臺砂磨機,才能最大限度的發揮兩臺砂磨機的功能,達到一種平衡狀態。

以下篇幅以能量的角度,以及研磨過程中可能發生的一些狀態作一些探討,以便找到一些共性的規律。






2.1 研磨過程中的能量需求(砂磨機的能耗


在砂磨機研磨物料的過程中,電機將電能傳遞給研磨盤或研磨棒銷,研磨盤或研磨棒銷將動能傳遞給氧化鋯珠(及研磨介質),運動中的研磨介質將固態顆粒磨細,固態顆粒將所或得的能量以新增表面積表面能的形式存儲起來.這就是砂磨機過程中的能量變化.


探討這一問題,可從一個簡單的模型開始,并依據一些物理化學定理來推定.


假定物料最初為一正方體,正方體的邊長為1個單位.并假定砂磨機用于研磨物料的能量轉化為該正方體新增加的表面積,

若:

該正方體不斷研磨(切割)為前一正方體邊長的一半的較小正方體,且該研磨(切割)過程一直延續到所需的研磨細度,


則有:

研磨(切割)次數:

1    2    3    4    5   ……n


表面積新增面數:

6    12   24   48   96  ……3x2n次方


正方體邊長的減少:

1/2    1/4    1/8    1/16    1/21  ……1/2n次方


正方體顆粒的增加:

8      8x8    8x8x8   ……………………8n次方

文中的n 都為正整數.




2.1.1輸入能量


輸入能量由355KW主電動機提供,分析三相電動機功率換算關系,計算出電機電流,從而確定其運行電流值。

三相電機功率換算關系:

P=η×1.732×U×I×cosφ

η—普通電動機效率,一般為0.8左右或以上。我們取值0.8

cosφ—一般取值0.8-0.85。我們取值0.8

U—工業電壓,一般380V

通過計算主電機電流830A。取效率40%~45%,所以砂磨機運行電流應在320—370A。



2.1.2系統能量關系


通過能量衡算,我們知道:

Q =E1+E2+E3+Q1

根據動能定理:

E=1/2mv2


通過系統分析,輸入能量Q主要與輸入功率相關。可以將其表示為:

Q =ξ×P×s


分析三相電機功率換算關系:

P=η×1.732×U×I×cosφ

所以:

ξ×η×1.732×U×I×cosφ×s =m1v2/2+m2v2/2+m3v2/2+Q1



其中m1—主軸、分散盤質量。根據砂磨機型號為確定值。

m2—研磨介質質量。

m3—研磨漿料質量。

ξ—效率常數,在這指砂磨機的效率。

s—時間。

η—普通電動機效率,一般為0.8(取值0.9)左右或以上。

cosφ—一般取值0.8-0.85。

U—工業電壓,一般380V

v—線速度

Q1—熱能



在理想狀況下,根據上面關系式,我們用一個常數θ代替所有常數得到關系式如下:

I=θ(m2+m3) +Q1


由上式可知:砂磨機運行電流是與研磨介質和研磨漿料成正比關系的。


在實際生產中,如何保證砂磨機運行電流。我們通過對研磨介質和研磨漿料兩大因素的研究,予以解決。其中研磨漿料的影響因素較多,在此對漿料進料量與漿料黏度進行討論。


由以上的數據可知:

●隨著研磨細度的不斷降低,每將顆粒的邊長研磨至前次研磨顆粒邊長的一半,所需的研磨能量呈3x2n次方的指數快速增加。


●隨著研磨細度的不斷降低,每將顆粒的邊長順研磨至前次研磨顆粒邊長的一半,其所生成的顆粒個數越來越多,呈8n次方的指數快速的增長。

從上述的數據還可以推出(推出過程從略):

●第n次研磨所需的研磨能量與n-1次研磨所需的研磨能量之比為3x2n/3x2n-1=2倍.

舉例而言,將顆粒從2微米研磨至1微米,所需能量為1份,而將顆粒從1微米研磨至0.5微米,則所需能量為2份,即增加了2倍。

●第n次研磨所需的能量每次為前n-1次數的研磨總能量關系為:2n/2n-1次方.

根據這個公式,隨著研磨細度的增加(n增加),這一般值越來越趨近于1.

舉例而言,將顆粒從1微米研磨至0.5微米,所需的能量約與將顆粒從100微米(或更大)研磨至1微米的總能量相當。

從這兒可推出一些有用的結論:

●在熱敏紙涂料研磨工藝中,若2臺砂磨機串聯,若型號、容量、珠子的粒徑相同,最終細度為d50≤0.65μm,而前臺砂磨機應將涂料研磨約d50≤1.30μm,這樣,從能量的角度,兩臺砂磨機處在大量平衡的狀態,可較好的發揮各自的功能。

●若有4臺相同的砂磨機,以1+3的方式串聯研磨,在熱敏紙涂料的研磨工藝中,則前1臺砂磨機應將熱敏紙涂料研磨至d50≈2.60μm,后3臺x納米研磨機將前一臺臥式砂磨機出來的熱敏涂料循環研磨至d50≈0.65μm.


●若將熱敏紙涂料的最終細度由d50≤0.65μm降至d50≤0.35μm,大致上,從能量的角度 ,砂磨機的數量約需增加1倍。





2.2 研磨過程中物料的再聚集狀態


根據熱學第二定律,體系的能量總是趨于最小。所以隨著研磨過程的增加,顆粒越來越細,增加的表面積越來越大,體系總表面能越來越大,物料(被研磨體系)有重新聚集以降低新增面積的方式來降低總表面能的趨勢。這種現象在顆粒越細的時候越明顯。這也是納米物料研磨難度大而需表面活性劑的原因。


如將這一因素與能量因素綜合考慮,則更容易理解在亞微米及納米研磨過程中,顆粒最后粒徑縮小一半的研磨時間,會大于前面總的研磨時間。


以上的一些結論或推論,是基于理想模型、數學推導、物理化學定律及實際研磨過程中一些現象得出來的。雖然不完全等于研磨過程中的實際狀態,但在生產過程中和實驗過程中具有一定的指導意義。




3


熱敏紙涂料研磨工藝

3.1 熱敏紙涂料的細度


細度的增加有助于提高熱敏紙的質量及減少涂料在單位面積紙張上的用量.但若將最終顆粒細度從d50≤0.65μm降到d50≤0.35μm,則所需砂磨機的數量可能會增加1倍。這加大了投資的成本,怎樣達到較佳的投入產出比,需綜合考慮各種因素。



3.2 研磨介質(及氧化鋯珠)及研磨方式


由于砂磨機中研磨介質的直徑需按研磨物料的進料細度及出料的細度來確定。一般而言,當研磨介質的粒徑應為進料顆粒dmax x 20-25,及出料顆粒d50 x1000來配置。


在熱敏紙涂料砂磨機兩級串聯的工藝中,前臺砂磨機的珠子粒徑一般為1.5-1.7mm,這樣比較適合于將涂料進料顆粒研磨至d501-2μm。


若熱敏涂料品種單一,其生產量較大,建議可用一臺砂磨機一遍將熱敏紙涂料研磨至d50≈20-30μ(這很容易做到),然后用數臺砂磨機(需要很大的能量輸入)將前一臺砂磨機的物料用循環研磨的方式至d50≤0.5-0.7μm或更細。



3.3 砂磨機種類的選擇


若熱敏紙涂料的研磨采用串聯的研磨工藝.前道砂磨機主要負責將物料從上百或幾十微米研磨至幾個微米.這一過程中所需的能量,要遠少于進一步將物料從幾個微米研磨至零點幾個微米的能量.選擇盤式砂磨機就可以很好的完成這一任務.


圖片1: PU研磨盤式砂磨機結構圖



曲線一:  循環次數的增多與顆粒級配分布的關系



圖片二: PU材質大流量棒銷式砂磨機結構圖


該棒銷式納米砂磨機有以下特點:


●采用了OCS敞開式動態分離系統,且該系統中的筒式分離篩網過流面積超大.如派勒公司PHN SuperMaxZeta型納米砂磨機,攪拌轉子設計為大尺寸棒銷空心轉子,從而留出空間放置超大的筒式分離篩網.由于OCS敞開式動態分離系統中的轉子能有效的將研磨珠子阻擋在攪拌轉子外圍,筒式分離篩網周圍幾乎無研磨介質,使得物料可順利進入而流出研磨筒體。


●棒銷研磨機具有大功率及比能量輸入大的特點,使砂磨機的研磨筒體中,具有大的單位體積能量密度.高能密度(2 kW/dm3)棒銷式納米砂磨機生產效率是普通砂磨機的3-5倍,即使物料在研磨筒體停留的時間很短,也能得到充分的研磨.如PHN SuperMaxZeta60(筒體容積約60升),電機功率為75 KW,與PHE 200(筒體容積200升)的盤式砂磨機的電機功率相當,適用于亞微米及納米材料的研磨.





3.4 砂磨機筒體及研磨工具材質


熱敏紙涂料用水做為溶劑,因此砂磨機筒體及研磨工具需防銹.因聚氨酯材料(PU)具有極好的耐磨性能,防銹無污染,


熱敏紙涂料研磨用的砂磨機的攪拌軸,研磨盤或銷棒及筒體底板,都以在金屬骨架上包復聚氨酯材料為好. 研磨內筒,除防銹外,還需考慮冷卻,一般用不銹鋼鍍硬鉻做成.


另一種可供考慮的材料是冷澆鑄鋼,由于配方中含有鉬,鎢等超硬金屬,又按特殊的工藝成型,耐磨性極好,國外曾用作制備炮管.冷澆鑄鋼有一定的防銹功能, 導熱性能尚可,在研磨鈦白粉(水性物料)的大型砂磨機中普遍用作研磨內筒.



3.5 熱敏紙涂料砂磨機的配置


所需砂磨機的種類,大小,數量及布置,除了滿足涂料的產量,種類和品種的要求外,降低投資成本,充分發揮砂磨機的功能,也是需要注意的重要因素.

對砂磨機性能及功能,產品性能以及研磨過程中的能量變化等現象的充分了解,有助于恰當的安排熱敏紙的涂料工藝.砂磨機的產能可通過樣品研磨實驗初步得到, 隨后制定的砂磨工藝可在實際生產中進一步合理化


在熱敏紙涂料的研磨中,砂磨機可布置為:

● 單機循環研磨

● 雙機串聯, 前道為盤式砂磨機,后道為棒銷式砂磨機

多機串聯,一般采用高速分散機攪拌混合或乳化機,再進入一臺大容量盤式砂磨機進行粗磨工藝,后道為數臺棒銷式砂磨機并列進細納米研磨工藝。在串聯的模式中,前道盤式砂磨機都用較大的研磨珠子. 同時要找到恰當的顆粒研磨細度平衡點,使所有在串聯中的砂磨機都能充分發揮其功能.





3.6 研磨工藝的優化


研磨工藝的優化可從砂磨機的線速度, 珠子的粒徑大小, 珠子填充量, ,固含量及流量等方面來實現.


3.6.1 線速度

砂磨機的盤片或銷棒以線速度的形式將能量傳遞給研磨珠子,使其得到1/2 MV2的能量(其中V為線速度), 研磨珠子再以該能量撞擊,研磨物料,使其粉碎變細.

若線速度有V1 = 12米/秒 提高到 V2 = 15 米/秒, 則V22/V12 = 15 x 15/12 x 12 = 1.56, 即砂磨機的能量輸入提高了56%, 極大的提高了研磨效率.


3.6.2 珠子的粒徑大小

若研磨珠子材質相同,在相同體積內,兩種不同粒徑的園珠子顆粒數目之比為N2/N1=R23/R13( 推導略). R為珠子粒徑.N為筒體內珠子數.

若珠子粒徑從0.5mm 減小到 0.35mm, 則 0.5x0.5x0.5 / 0.35x0.35x0.35 = 2.915. 即有該粒徑的減少將使研磨桶內珠子數增加至原來的2.915倍. 這將大大的提高有效撞擊及研磨次數, 此外,珠子越細,物料中細小顆粒受到研磨的概率更高.這兩種因素都有利于砂磨機研磨效率的提高及將物料研磨的更細.


3.6.3 珠子填充量


若將珠子填充量從75% 提高到85%, 則 85/75 = 1.133. 即研磨桶內的珠子數量提高到原來的113.3%, 提高了研磨效率.


3.6.4 固含量


在物料流動性許可的情況下, 固含量越高,珠子與物料相遇的幾率提高, 研磨效率提高, 對研磨桶體的保護及降低珠子磨損也有利.


3.6.5 流量


砂磨機流量越大, 單位時間內循環次數增加,相應增加了物料在筒體內的運動程度, 物料與研磨介質的相互碰撞及研磨的激烈程度也有所加強,這些因素使得物料顆粒粒徑分布曲線趨于變細,目標值d50 易于達到.


由于砂磨機工藝參數的優化, 棒銷式及盤式砂磨機的產能都可進一步得到提升.



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后 記

砂磨機研磨的過程,及砂磨機的配置,看似簡單,但仔細琢磨及觀察記錄實際操作過程中的現象,再運用一些物理化學定律,建立一些物理模型及數學推導,仍能發現許多有用的規律。遵循這些規律,可以更好的發揮砂磨機的功能,以降低投資費用和運營成本,增加產能和提高產品質量將是未來的方向。




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