Widok Tom 66 Nr 2 (2014)

www.ptcer.pl/mccm

Badania procesu mielenia kryształu górskiego

w młynie wibracyjnym

J

S

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, al. A. Mickiewicza, 30-059 Kraków e-mail: jsidor@agh.edu.pl

Badania procesu bardzo drobnego mielenia kryształu górskiego przeprowadzono w laboratoryjnym młynie wibracyjnym o działaniu okresowym, o niskiej częstotliwości drgań wynoszącej 10-16 Hz. Celem badań było uzyskanie proszku kryształu o uziarnieniu charaktery-zującym się udziałem klasy ziarnowej 0-60 μm powyżej 80% oraz klasy ziarnowej 0-10 μm powyżej 50%, przy zachowania jak największej czystości proszku, ze względu na jego zastosowanie medyczne i kosmetyczne. Nadawą do mielenia był materiał, wstępnie rozdrobniony w kruszarce wibracyjnej, o uziarnieniu poniżej 5,0 mm. Badania przeprowadzono w komorze z wykładziną z tworzywa polimerowego, zaś elementami roboczymi były mielniki ceramiczne. Program badań obejmował wpływ częstotliwości drgań i czasu mielenia w celu otrzy-mania wymaganych parametrów uziarnienia proszku kryształu. W badaniach uzyskano udział klasy ziarnowej 0-60 μm, mieszczący się w zakresie (73-99)% oraz (39-72)% klasy ziarnowej 0-10 μm. Wyniki badań wskazują, że w młynie wibracyjnym o niskiej częstotliwości drgań, w czasie poniżej 30 minut, można wytwarzać proszek kryształu górskiego o wymaganym uziarnieniu i czystości.

Słowa kluczowe: rozdrabnianie, mielenie wibracyjne, młyn wibracyjny, proszek, kryształ górski

INVESTIGATIONS OF ROCK CRYSTAL MILLING IN THE VIBRATORY MILL

Investigations of very fi ne grinding of rock crystal were carried out in a periodic laboratory vibratory mill of low frequency of vibrations of 10-16 Hz. The purpose of the research was to obtain a rock crystal powder which contains a grain class of 0-60 μm and 0-10 μm in amounts of above 80% and above 50%, respectively, and shows the highest purity, due to its potential medical and cosmetic application. The milling feed was the material of grain size below 5,0 mm pre-crushed in a vibratory crusher. The study was conducted in a chamber lined with polymeric material, and ceramic grinding media were the working elements. The research program included determination of the infl uence of vibration frequency and grinding time on parameters of the grain size of rock crystal powder. The amount of the grain class of 0-60 μm and 0-10 μm was within a range of (73-99)% and (39-72)%, respectively. The results indicate that the rock crystal powder of the desired particle size and purity can be made in the vibratory mill of low frequency of vibrations for less than 30 minutes.

Keywords: Comminution, Vibratory ball milling, Vibratory mill, Powder, Rock crystal

1. Wprowadzenie

Proszek kryształu górskiego, zwany dalej kryształem, o uziarnieniu poniżej 60 μm jest oferowany w handlu [1]. Ja-kość jego wzrasta wraz ze wzrostem udziału klasy ziarnowej 0-10 μm powyżej 50%. Proszek kryształu górskiego posiada szerokie zastosowanie: medyczne do wspomagania terapii nowotworowej, jako składnik hipoalergicznych kosmetyków, środek do poprawiania jakości wody pitnej, a także jako ma-teriał wzorcowy [2, 3]. Warunkiem zastosowania kryształu, oprócz wymaganego w/w uziarnienia, jest jego wysoka czy-stość. Pozyskany w przyrodzie występuje w postaci ziaren o wymiarach dochodzących do kilkudziesięciu milimetrów. Wytwarza się z niego proszek na drodze mechanicznej, przez kruszenie i mielenie ziaren nie znajdujących zastoso-wania jubilerskiego. Ze względu na wysoką czystość można go rozdrabniać w urządzeniach przeróbczych spełniających wymagania GMP oraz GHP.

Do wytworzenia proszku kryształu wybrano laboratoryjny młyn wibracyjny, wyposażony w elementy robocze spełnia-jące wymagania GMP oraz GHP, czyli komorę z wykładziną polimerową i wysokiej czystości mielniki korundowe. Młyn

ten wybrano z trzech względów. Pierwszy to spełnianie w/w wymagań sanitarnych i łatwość utrzymania komór i miel-ników w czystości, drugi to duże możliwości technologiczne w wytwarzaniu proszków o zróżnicowanych wymaganiach technologicznych i szerokim zakresie parametrów uziarnie-nia [4-9], zaś trzeci to zastosowania tego typu młyna do wy-twarzania proszku kryształu w skali przemysłowej.

Młyny wibracyjne cechują się niskim poborem energii – mniejszym do 10 razy od młynów mieszadłowych i strumie-niowych. Można je użytkować w cyklu otwartym – do miele-nia na sucho i na mokro, w sposób okresowy i ciągły; mają wydajność od kilku kg/godz do kilkudziesięciu Mg/godz. Przy wytwarzaniu proszków o uziarnieniu 0-10 μm, zwłaszcza 0-3 μm [10], użytkowane są zwykle w układach mielenia pra-cujących w cyklu zamkniętym, z separacją pneumatyczną. Młyny te są szczególnie przydatne w praktyce laboratoryjnej do wytwarzania proszków o szerokim spektrum parametrów uziarnienia, o zróżnicowanych własnościach fi zycznych, od uziarnienia 0-100 μm do uziarnienia 0-100 nm.

Aby obniżyć szkodliwość oddziaływania młynów wi-bracyjnych na otoczenie, w Akademii Górniczo-Hutniczej prowadzone są prace nad nowymi konstrukcjami. Prace

prowadzone są w zakresie młynów obrotowo-wibracyjnych, o częstotliwości drgań 10-15 Hz i przyspieszeniu ruchu drgającego 60-100 m/s2, oraz młynów wibracyjnych o

ni-skiej częstotliwości drgań 12-16 Hz i przyspieszeniu ruchu drgającego 70-100 m/s2_{, w których do intensyfi kacji ruchu}

mielników stosuje się kołową lub eliptyczną trajektorię ruchu drgającego oraz dodatkowe elementy komór [11].

Praktyczny rezultat tych prac to osiem młynów obrotowo-wibracyjnych o pojemności komór od 15 dm3 _{do 200 dm}3_,

zastosowanych w przemyśle oraz 36 młynów o pojemności komór od 0,4 dm3 _{do 10 dm}3 w laboratoriach uczelni i

zakła-dów przemysłowych. Zastosowano także pięć przemysło-wych młynów wibracyjnych o pojemności komór od 80 dm3

do 350 dm3 _[7].

2. Cel badań

Celem badań było uzyskanie proszku kryształu zawiera-jącego możliwie największy udział klasy ziarnowej 0-10 μm (minimum 50%), jak największej zawartości klasy 0-60 μm i możliwie najmniejszej częstotliwości drgań komory młyna. Do mielenia kryształ wymagał wstępnego rozdrobnienia do uziarnienia poniżej 5 mm. Ziarna kryształu o wymiarach 20-40 mm rozdrobniono wstępnie w laboratoryjnej kruszarce wibracyjnej wyposażonej w wykładzinę szczęk spełniającą wymagania GMP i GHP. Drugi ważny wymóg to możliwość wytworzenia proszku zawierającego minimum zanieczysz-czeń pochodzących z elementów roboczych młyna i używa-nych pojemników. Stąd do realizacji procesu mielenia wy-brano jako elementy robocze mielniki korundowe o wysokiej czystości (99,7% Al2O3) i komory z wykładziną z tworzywa

polimerowego – poliamid 6, dopuszczonego do kontaktu ze środkami farmaceutycznymi i żywnością. Celem per-spektywicznym badań było uzyskanie informacji w zakresie możliwości zastosowania młyna wibracyjnego w technologii wytwarzania proszku kryształu w większej skali oraz „drob-niejszego” uziarnienia w warunkach przemysłowych.

3. Stanowisko badawcze młyna

Stanowisko badawcze laboratoryjnego młyna wibracyj-nego przedstawiono na Rys. 1, a schemat jego budowy na Rys. 2.

Stanowisko badawcze młyna posiada szerokie możli-wości prowadzenia badań procesu mielenia wibracyjnego w środowisku powietrza, gazu obojętnego, wody i innych cieczy stabilizację temperatury procesu mielenia w zakre-sie 20-80 oC. Wyposażone jest w komory o zróżnicowanej

pojemności od 100 cm3 _{do 5 dm}3, z wykładziną stalową,

ceramiczną – korundową i poliamidową. Stanowisko posia-da mielniki stalowe i ceramiczne - korundowe, cyrkoniowe, szklane i z węglika wolframu. Do procesu mielenia krysz-tału użyto komorę z wykładziną polimerową o pojemności 2,2 dm3 i średnicy 210 mm oraz mielniki korundowe.

Stano-wisko ma możliwość zmiany parametrów ruchu drgającego: częstotliwości drgań komory w zakresie 0-25 Hz oraz ampli-tudy drgań komory 2,5-14 mm. Ma możliwość wprowadzania komór w ruch złożony - obrotowo-wibracyjny. Moc silnika wibratora wynosi 3,5 kW, a silnika komory 0,75 kW (poz. 14 na Rys. 2). Ponadto dzięki zastosowaniu przezroczystych

pokryw komór można obserwować oraz fi lmować ruch ładun-ku. Na stanowisku można również przeprowadzać badania procesu mieszania materiału w środowisku powietrza oraz cieczy.

Rys. 1. Stanowisko badawcze laboratoryjnego młyna wibracyjnego: 1 – komora, 2 – tarcza – uchwyt komory, 3 – moduł napędu, 4 – silnik wibratora, 5 – układ sterowania i zasilania, 6 – konstrukcja wsporcza. Fig. 1. A test stand of the laboratory vibratory mill: 1 – chamber, 2 – shield – holder of the chamber, 3 – module of drive, 4 – engine of vibrator, 5 – control system and power supplies, 6 – supporting structure.

Rys. 2. Schemat stanowiska: 1 – moduł napędu, 2 – wał wibratora, 3 – wał komory, 4 – tarcza, 5 – komora, 6 – pokrywa komory, 7 – sprzęgło, 8 – obciążnik, 9 – silnik wibratora, 11 – czujnik, 12 – układ zasilania, 13 – układ pomiarowy, 14 – silnik komory.

Fig. 2. Schematic diagram of the test stand: 1 – unit of propulsion, 2 – shaft of vibrator, 3 – shaft of chamber, 4 – shield, 5 – cham-ber, 6 – cover of the chambers, 7 – clutch, 8 – fi ller, 9 – engine of vibrator, 11 – sensor, 12 – power system, 13 – measuring system, 14 – engine of the chamber.

4. Metoda, program, realizacja i wyniki badań

Proces mielenia kryształu zachodził na sucho, okreso-wo, w komorze szczelnie zamkniętej. Program badań obej-mował wyznaczenia wpływu częstotliwości drgań komory młyna, czasu mielenia oraz stopnia napełnienia na wybrane parametry uziarnienia zmielonego kryształu: wynosiła 12 Hz, 14 Hz i 16 Hz. W badaniach przyjęto podstawowy stopień na-pełnienia wynoszący 0,65, ze względu na gęstość nasypową kryształu (w jednej serii zwiększono go do 0,70) oraz jeden zestaw mielników - mieszaninę kul korundowych o średnicy 14-16 mm.

Program badań obejmował cztery czasy mielenia 5 min, 10 min, 15 min i 25 min. Badany kryształ górski miał

gę-stość rzeczywistą 2,65 kg/dm3, i twardość 7 w skali Mohsa.

Gęstośćnasypowa kryształu odsianego na sicie 5,0 mm wynosiła 1,14 ± 0,05 kg/dm3. Skład ziarnowy kryształu

oznaczono metodą przesiewania na sucho, zgodnie z PN– C–04501:1971 i podano w Tabeli 1. Widok nadawy - ziaren kryształu przedstawiono i jej skład ziarnowy odpowiednio na Rys. 3 i 4.

Uziarnienie zmielonego kryształu oznaczano metodą dy-fraktometryczną - granulometrem laserowym LAU-15. Masę mielników i kryształu wyznaczano odpowiednio do pojemno-ści komory [4]. Podano je w Tabeli 2.

Pierwszą serię mieleń - oznaczoną symbolem KA - prze-prowadzono przy częstotliwości drgań 12 Hz, drugą - KB - przy częstotliwości drgań 14 Hz, trzecią - KC – przy 16 Hz. W czwartej serii - KD - zwiększono stopień napełnienia do 0,70, a częstotliwość drgań komory ustalono na 16 Hz. Ma-teriał do mielenia pobierano ze zmieszanej partii za pomocą dzielnika prób Jones’a. Wyniki badań poszczególnych serii zamieszczono w Tabelach 3, 4, 5 i 6 oraz na Rys. 5, 6, 7 i 8.

Proces mielenia kryształu zachodził intensywnie przy każdej z przyjętych częstotliwości drgań. Najkorzystniej-szy wynik uziarnienia kryształu otrzymano przy największej częstotliwości drgań wynoszącej 16 Hz, a najkorzystniejszy rezultat otrzymano przy stopniu napełnienia zwiększonym do 0,70. Uzyskany wówczas produkt mielenia był w całości poniżej 60 μm i zawierał blisko 75% klasy 0-10 μm, przy wymiarze średniego ziarna 4,4 μm. Podobne uziarnienia ma puder kosmetyczny.

Pomimo tych niekorzystnych warunków procesu mielenia, który zachodził w szczelnie zamkniętej komorze, wystąpiła stosunkowo szybka redukcja wymiarów ziaren mielonego kryształu. Na Rys. 9 zamieszczono materiał fotografi czny przedstawiający ziarna proszku zmielonego kryształu, po-chodzące z najkorzystniejszej serii KD, uzyskane w czasie mielenia wynoszącym 25 minut. Materiał ten wskazuje, że oprócz dużej ilości ziaren poniżej 10 μm występują ziarna większe o wymiarach około 20 μm o ostrych krawędziach.

5. Ocena wyników badań i wnioski

Proces mielenia zachodził przy każdej z przyjętych czę-stotliwości drgań komory. Krzywe kinetyki mielenia wskazują, że może zachodzić dalej. Czas wytworzenia proszku można wyznaczyć na podstawie otrzymanych wyników badań. Jak-kolwiek proces mielenia zachodził najszybciej przy

częstotli-Rys. 3. Nadawa – ziarna kryształu przed mieleniem. Fig. 3. The feed – crystal grains before milling. Tabela1. Uziarnienie nadawy kryształu. Table 1. Feed grain size of the crystal.

Klasa [mm] 0-0,125 0,125-0,250 0,50-0,25 1,0-0,50 1,6-1,0 2,0-1,6 2,6-1,6

Udział [%] 14,6 13,8 15,1 20,2 19,1 6,6 10,0

Rys. 4. Skład ziarnowy nadawy.

Fig. 4. Particle size distribution of the feed.

Tabela 2. Parametry technologiczne procesu mielenia kryształu.

Table 2. Technological parameters of milling process of the crystal.

Stopień napełnienia [-] 0,65 0,70 Masa mielników [g] 3 000 3 500

wości drgań 16 Hz, to jednak przy niższych częstotliwościach drgań, czyli 12 Hz i 14 Hz, można otrzymać w odpowiednio dłuższym czasie proszek kryształu w całości o uziarnieniu poniżej 60 μm.

Otrzymane wyniki badań mielenia kryształu (Tabele 3-6 i Rys. 5-8) wskazują, że w młynie wibracyjnym bez koniecz-ności stosowania klasyfi kacji ziarnowej, można otrzymać proszek kryształu o jeszcze drobniejszym uziarnieniu – prak-tycznie w całości poniżej 10 μm. Niewątpliwie zastosowanie klasyfi kacji ziarnowej może zwiększyć wydajność procesu mielenia wibracyjnego o ponad 50%. Zastosowanie sepa-racji umożliwia wydzielanie z produktu mielenia materiału

o ziarnach powyżej żądanego wymiaru, np. 5 μm, które mogą być niepożądane w niektórych zastosowaniach proszku kryształu.

Proces mielenia kryształu przeprowadzano w szczelnie zamkniętej komorze, bez aeracji. Brak aeracji (przewietrza-nia) komory powodował bardzo niekorzystne warunki proce-su mielenia, które nie występują w młynach przemysłowych o działaniu ciągłym. W tych młynach proces mielenia można zintensyfi kować w znacznym stopniu, stosując aerację ko-mory oraz ewentualnie pneumatyczną klasyfi kację ziarnową. Oba te czynniki mogą zwiększyć szybkość procesu mielenia nawet o 100%.

Tabela 3. Program i wyniki badań mielenia kryształu serii KA.

Table 3. The program and results of vibratory milling the crystal for series KA.

Symbol próby Czas mielenia [min] Klasa 0-10 μm [%] Klasa +60 μm [%] Wymiar ziarna d50 [μm] Wymiar ziarna d90 [μm] KA-1 5 7,6 60,5 78,6 159,4 KA-2 10 17,8 36,7 45,6 131,1 KA-3 15 21,9 30,2 40,7 116,5 KA-4 25 38,6 15,9 19,6 71,1

Tabela 4. Program i wyniki badań mielenia kryształu serii KB.

Table 4. The program and results of vibratory milling the crystal for series KB.

Symbol próby Czas mielenia, [min] Klasa 0-10 μm [%] Klasa +60 μm [%] Wymiar ziarna d50 [μm] Wymiar ziarna d90 [μm] KB-1 5 14,2 46,7 55,5 142,1 KB-2 10 27,6 26,7 34,1 101,9 KB-3 15 40,2 7,8 16,4 55,6 KB-4 25 53,5 3,8 8,6 47,4

Tabela 5. Program i wyniki badań mielenia kryształu serii KC.

Table 5. The program and results of vibratory milling the crystal for series KC.

Symbol próby Czas mielenia, [min] Klasa 0-10 μm [%] Klasa +60 μm [%] Wymiar ziarna d50 [μm] Wymiar ziarna d90 [μm] KC-1 5 26,7 29,5 36,0 110,7 KC-2 10 43,0 7,0 13,7 54,0 KC-3 15 52,6 2,5 8,9 46,2 KC-4 25 68,4 0,8 4,4 29,8

Tabela 6. Program i wyniki badań mielenia kryształu serii KD. Table 6. The program and results of vibratory milling series KD.

Symbol próby Czas mielenia, [min] Klasa 0-10 μm [%] Klasa +60 μm [%] Wymiar ziarna d50 [μm] Wymiar ziarna d90 [μm] KD-1 5 31,6 33,0 29,3 91,5 KD-2 10 47,4 3,9 11,3 49,7 KD-3 15 58,8 1,5 7,1 39,8 KD-4 25 73,0 0,1 3,7 21,6

Rys. 6. Wpływ czasu mielenia na udział klasy ziarnowej 0-60 μm. Fig. 6. Grinding time dependence of mass fraction of the class

0-60 μm.

Rys. 5. Wpływ czasu mielenia na udział klasy ziarnowej 0-10 μm. Fig. 5. Grinding time dependence of mass fraction of the class

0-10 μm.

Rys. 7. Wpływ czasu mielenia na wymiar ziarna d₅₀. Fig. 7. The infl uence of grinding time on the grain size d₅₀.

Rys. 8. Wpływ czasu mielenia na wymiar ziarna d₉₀. Fig. 8. The infl uence of grinding time on the grain size d₉₀.

Rys. 9. Ziarna proszku kryształu – próba KD-4; a) widok ogólny, b) detale morfologii ziaren.

Fig. 9. Rock crystal grains – sample KD-4: a) general view, b) details of grain morphology.

a)

Przedstawione w pracy wyniki badań procesu mielenia kryształu górskiego wykazały możliwość zastosowania młyna wibracyjnego do wytwarzania jego proszku. Dobór najkorzystniejszych parametrów przemysłowego młyna wi-bracyjnego do mielenia kryształu górskiego w skali przemy-słowej wymaga przeprowadzenia dodatkowych badań w celu wyznaczenia najkorzystniejszych parametrów tego młyna, determinujących najniższe koszty jego wytworzenia.

Przy zapotrzebowaniu proszku kryształu górskiego do 10 kg dziennie, można go wytwarzać również w jednym z okre-sowych młynów obrotowo-wibracyjnych [6, 12, 13].

Podziękowania

Autor składa podziękowania dr. inż. Krzysztofowi Kraw-czykowi za opracowanie grafi czne, mgr. inż. Pawłowi Toma-chowi za analizy uziarnienia oraz mgr. inż. Barbarze Trybal-skiej za materiał fotografi czny z mikroskopu skaningowego.

Literatura

[1] www.kremerpolska.com/down/katalog.doc [2] www.instytutvolla.pl

[3] www.aptekaleki.co.uk

[4] Masuda, H., Higashitani, K., Yoshida, H., (ed.): Powder

Tech-nology Handbook, Third Edition, CRC Press, 2006.

[5] Fayed, M., Otten, L.: Handbook of Powder Science &

Tech-nology, Springer, 1997.

[6] Sidor, J.: Badania, modele i metody projektowania młynów

wibracyjnych, Rozprawy Monografi e, nr 150, UWND AGH,

Kraków, 2005.

[7] Sidor, J.: Postęp techniczny w konstrukcji młynów stosowa-nych w procesach bardzo drobnego mielenia, Powder & Bulk,

Materiały Sypkie i Masowe, ISSN 1899-2021, nr 6, (2012),

26–34.

[8] Sidor, J.: Badania możliwości wykorzystania zamierzonych drgań w wybranych procesach i urządzeniach wibracyjnych,

Structures–Waves–Biomedical Engineering, Vol. IV - Waves Method and Mechanics in Biomedical Engineering, Edited by

Polish Acoustical Society Dep. Cracow, Kraków, 1999, 135-138.

[9] Sidor, J.: Mechanical devices used for production of metallic, ceramic-metallic alloys or nanomaterials, Archives of

Metal-lurgy and Materials, 52, (2007), 407-414, LF.

[10] Sidor, J.: Wytwarzanie mikro- i nanoproszków w młynach wibracyjnych o niskiej częstotliwości drgań, Inżynieria i Aparatura Chemiczna, nr 4, (2009), 116–117.

[11] PALLA Vibrating Mills, Prospekt fi rmy KHD Humboldt Wedag AG, 2-172e, Köln, 1995

[12] Sidor, J.: Możliwości intensyfi kacji procesu mielenia w młynie wibracyjnym przez zmianę kształtu wnętrza komory,

Inżynie-ria i Aparatura Chemiczna, nr 3, (2003), 138–140.

[13] Sidor, J.: Wytwarzanie proszków w młynach obrotowo-wibra-cyjnych, Materiały Ceramiczne, 60, 1, (2008), 28–35.

♦