Widok Tom 66 Nr 3 (2014)

www.ptcer.pl/mccm

Wstępne badania wytwarzania mikroproszku

szkła w młynie wibracyjnym

J

S

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

Streszczenie

Badania procesu wytwarzania mikroproszku szkła w procesie bardzo drobnego mielenia przeprowadzono w laboratoryjnym młynie wi-bracyjnym o niskiej częstotliwości drgań wynoszącej 10-16 Hz. Szkło przed mieleniem występowało w postaci włókna szklanego. Celem badań było uzyskanie mikroproszku szkła o uziarnieniu charakteryzującym się możliwie największym udziałem klas ziarnowych 0-1 μm i 0-2 μm oraz jak największej czystości, przy możliwie najmniejszej częstotliwości drgań komory młyna. Nadawą do mielenia było włókno szklane o średnicy około 15 μm, pocięte na kawałki o długości około 10 mm. Badania procesu mielenia przeprowadzono w komorach z wykładziną z tworzywa polimerowego i z wykładziną ceramiczną. Mielnikami były kulki ceramiczne – korundowe. Proces mielenia prze-prowadzano w dwóch stadiach. W pierwszym, wstępnym, z włókien szkła otrzymywano proszek o uziarnieniu poniżej 200 μm. W drugim realizowano fi nalny proces wytwarzania mikroproszku. Otrzymane wyniki badań wskazują, że w młynie wibracyjnym o niskiej częstotliwo-ści drgań można otrzymać mikroproszek szkła o zawartoczęstotliwo-ści (30-58)% klasy ziarnowej 0-1 μm oraz zawartoczęstotliwo-ści (48-83)% klasy ziarnowej 0-2 μm, przy zachowaniu jego wysokiej czystości. Oznacza to, że do wytwarzania mikroproszku w warunkach przemysłowych można zastosować młyn wibracyjny. Mikroproszek szkła może znaleźć zastosowanie w uszlachetnianiu powierzchni opakowań szklanych.

Słowa kluczowe: proszek szkła, mikroproszek, mielenie wibracyjne, mielenie bardzo drobne

PRELIMINARY STUDIES OF PRODUCTION OF GLASS MICROPOWDER IN A VIBRATORY MILL

Studies of glass micropowder manufacturing in a very fi ne grinding process were carried out in a laboratory vibratory mill of low-fre-quency of vibrations (10-16 Hz). Before milling, glass was in the form of glass fi bers. The purpose of this study was to obtain glass micropowder which shows the greatest possible content of size fractions 0-1 μm and 0-2 μm and the highest level of purity, obtained at minimum frequency vibrations of a mill chamber. The milling feed was glass fi ber cut into pieces of a length of approximately 10 mm and a diameter of about 15 μm. The research of the milling process was carried out in the chamber lined with plastic or ceramics. Grinding media were ceramic balls made of corundum. The milling process was carried out in two stages. At fi rst, glass fi ber sizes were reduced below 200 μm preliminary. In the second stage, the fi nal process of micropowder producing was performed. The results indicate that the glass micropowder containing (30-58)% of the grain class 0-1 μm and (48-83)% of the grain class 0-2 μm, and maintaining high purity can be produced by using the vibratory mill of low frequency of vibrations.This means that vibratory mills may be used for the production of glass micropowders from glass fi bres for the industrial scale. The glass micropowder can be used in refi ning the surface of glass package.

Keywords: Glass powder, Micropowder, Vibratory grinding, Very fi ne milling

1. Wprowadzenie

Proszki o uziarnieniu 0-5 μm nazywane są często

mi-kroproszkami. O technologii ich wytwarzania decydują ich

własności fi zyczne: twardość, zdolności ścierające, podat-ność na mielenie. W tych technologiach stosuje się młyny: wibracyjne, mieszadłowe, udarowe i strumieniowe [1-5]. Naj-bardziej uniwersalnymi są młyny wibracyjne [6, 7]. W tych młynach proces mielenia można przeprowadzać w sposób ciągły lub okresowy, w środowisku dowolnej cieczy lub gazu (powietrze lub gaz obojętny). Proces ten można intensyfi ko-wać w szerokim zakresie przez dobór najkorzystniejszych parametrów technologicznych, to jest zestawu mielników, parametrów ruchu drgającego komory mielącej, stopnia napełnienia komory, konstrukcji komory oraz wykładziny, czy dodatku aktywatora procesu mielenia. Przy mieleniu w sposób ciągły na sucho - dodatkowo przez aerację ko-mory oraz pneumatyczną klasyfi kację ziarnową produktu

mielenia, a przy mieleniu na mokro przez dodatek upłynnia-cza i hydrauliczną klasyfi kację ziarnową.

Młyny te charakteryzują się niskim poborem energii – mniejszym do 10 razy od młynów mieszadłowych i stru-mieniowych. Można je użytkować w cyklu otwartym – do mielenia na sucho i na mokro, w sposób okresowy i ciągły. Przy wytwarzaniu proszków o uziarnieniu poniżej 0-10 μm, a zwłaszcza 0-3 μm pracują w układach mielenia pracują-cych w cyklu zamkniętym, z separacją klasyczną lub z sepa-racją na wlocie [8]. Produkuje je wiele fi rm UE: KHD Hum-boldt, Gämmerler, Siebtechnik, Ratzinger, Aubema, Dragon, Boulton, czy Prerovske Strojirny. W USA produkuje je fi rma Metso, a w ostatnich latach wiele konstrukcji oferują fi rmy azjatyckie z Japonii, Chin, Indii i Korei Południowej [7-15].

Starsze konstrukcje młynów wibracyjnych cechowała znaczna szkodliwość oddziaływania na otoczenie spowo-dowana wysoką częstotliwością drgań (17-24 Hz), głównie ze względu na wysoki poziom ciśnienia akustycznego.

Szko-dliwość tę obniżano przez stosowanie dźwiękoszczelno-izo-lacyjnych obudów oraz specjalnych fundamentów.

W Akademii Górniczo-Hutniczej prowadzone są prace nad nowymi konstrukcjami tych młynów, które przy zacho-waniu możliwości technologicznych cechowałyby się mniej-szą szkodliwością oddziaływania na otoczenie. Prowadzo-ne są oProwadzo-ne w zakresie dwóch konstrukcji młynów. Młynów obrotowo-wibracyjnych o częstotliwości drgań 10-15 Hz i przyspieszeniu ruchu drgającego 60-100 m/s2, o dużych

możliwościach sterowania procesem mielenia, oraz młynów wibracyjnych o częstotliwości drgań 12-16 Hz i przyspiesze-niu ruchu drgającego 70-100 m/s2_{, w których ruch}

mielni-ków intensyfi kuje się eliptyczną trajektorią ruchu drgającego komory oraz poprzez dodatkowe elementy komór [16, 17].

Praktycznym rezultatem tych prac było zastosowanie w przemyśle ośmiu młynów obrotowo-wibracyjnych o pojem-ności komór od 15 dm3 _{do 200 dm}3 oraz 36 młynów o

pojem-ności komór od 0,4 dm3 _{do 10 dm}3 _{w laboratoriach uczelni}

i zakładów przemysłowych. Aplikację znalazło również pięć przemysłowych młynów wibracyjnych o pojemności komór od 80 dm3 _{do 350 dm}3_{. Dobre rezultaty technologiczne}

uzy-skano w eksploatacji dwóch konstrukcji młynów wibracyj-nych w Zakładach Chemiczwibracyj-nych „Alwernia” w Alwerni. Są to dwukomorowy młyn o pojemności dwóch komór 150 dm3_,

przeznaczony do fi nalnego mielenia na mokro tlenku chro-mu oraz jednokomorowy młyn o pojemności komory 80 dm3_,

przeznaczony do wstępnego mielenia tlenku chromu na su-cho [6, 18]. Oprócz zalet technologicznych młyny te cechuje niska szkodliwość oddziaływania na otoczenie [19].

Stąd do wstępnych badań wytwarzania mikroproszku szkła na drodze mechanicznej wybrano laboratoryjny młyn wibracyjny o dużych możliwościach badawczych, przy około 3-4 razy niższym przyspieszeniu ruchu drgającego zespołu roboczego o szybkości mielenia porównywalnej z klasycz-nym młynem wibracyjklasycz-nym.

2. Cel badań

Głównym cel badań było uzyskanie mikroproszku szkła o największym udziale klasy ziarnowej 0-1 μm (mi-nimum 50%) oraz o jak najmniejszym wymiarze ziar-na d90 = 2 μm – minimum 70% – przy możliwie najmniejszej

częstotliwości drgań komory. Nadawą było pocięte włókno szklane o średnicy około 15 μm i długości 8-10 mm. Dla uzyskania wymaganej czystości, do realizacji procesu mie-lenia wybrano, jako elementy robocze, mielniki ceramiczne korundowe oraz komory z wykładziną ceramiczną korun-dową oraz wykładziną z tworzywa polimerowego - polia-mid. Celem dodatkowym badań było uzyskanie informacji w zakresie możliwości zastosowania młyna wibracyjnego w technologii wytwarzania mikroproszku szkła 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 zapewnia możliwość przeprowa-dzania badań procesu mielenia wibracyjnego w szerokim

zakresie zmian parametrów technologicznych, obejmują-cych środowisko mielenia (powietrze, gaz obojętnego, woda, lub inne ciecze), stabilizację temperatury procesu mielenia w zakresie 2080 °C w komorach o zróżnicowanej pojemno-ści od 100 cm3 _{do 5 dm}3 z wykładziną stalową, ceramiczną

(korundową) lub poliamidową. Stanowisko ma także moż-liwość zmiany parametrów ruchu drgającego, dotyczących częstotliwości drgań komory w zakresie 0-25 Hz, amplitudy drgań komory 2,5-14 mm, a także wprowadzania komór w dodatkowy ruch obrotowy wokół swojej osi geometrycz-nej. Moc silnika wibratora wynosi 3,5 kW, a silnika komory 0,75 kW – poz. 14 na Rys. 2.

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 szkła przeprowadzano w dwóch komo-rach: z wykładziną korundową o pojemności 0,64 dm3 _i

po-limerową o pojemności 2,2 dm3. Proces mielenia zachodził

na sucho, okresowo, w komorze szczelnie zamkniętej. Czę-stotliwość drgań komory wynosiła 14 Hz i 16 Hz. Wstępne próby mielenia szkła wykazały konieczność przeprowadza-nia procesu wytwarzaprzeprowadza-nia mikroproszku w dwóch stadiach. W pierwszym, wstępnym, rozdrabniano włókno do uziar-nienia poniżej 200 μm, w odniesieniu do długości otrzyma-nej cząstki. W drugim, fi nalnym, wytwarzano mikroproszek o wymaganym uziarnieniu, to jest o udziale klasy ziarnowej 0-1 μm powyżej 50% oraz klasy ziarnowej 0-2 μm minimum 80%. Włókno szklane, nadawę do pierwszego stadium mie-lenia, przestawiono na Rys. 3, a do drugiego stadium na Rys. 4.

Gęstość szkła w badanych włóknach wynosiła 2,70 g/cm3_,

gęstość nasypowa cząstek szkła po pierwszym wstępnym sta-dium mielenia, wynosiła w stanie luźnym 1,02 ± 0,03 kg/dm3_.

Materiał ten był jednocześnie nadawą do mielenia fi nalne-go. Jej uziarnienie oznaczone metodą dyfraktometryczną - granulometrem laserowym LAU-15 i podano w Tabeli 1.

Uziarnienie zmielonego proszku szkła oznaczano tą samą metodą i tym samym granulometrem.

Komorę z wykładziną korundową oznaczono symbolem K, komorę z wykładziną polimerową symbolem P. Dla każdej z komór przyjęto stopień napełnienia 0,70 [4, 6] Do wstęp-nego mielenia wybrano kule o średnicy 25 mm, do mielenia fi nalnego kule o średnicach 10-14 mm. Masę mielników wy-znaczano odpowiednio do pojemności komory według zależ-ności podanych w pracy [6]. Wyniki obliczeń ładunku, masy mielników i szkła dla każdej z komór podano w Tabeli 2.

W programie badań przyjęto trzy serie. Pierwszą serię mieleń przeprowadzono w komorze K. W tej serii przyjęto częstotliwość drgań komory wynoszącą 16 Hz. Wyniki ba-dań tej serii zamieszczono w Tabeli 3. Drugą serię baba-dań przeprowadzono w komorze P. Wyniki zawiera Tabela 4. W trzeciej serii badań zwiększono częstotliwość drgań ko-mory P do 16 Hz. Wyniki tej serii badań podano w Tabeli 5. Na Rys. 5, 6, 7 i 8 przedstawiono kinetykę zmian zawar-tości klas 0-1 μm i 0-2 μm oraz wymiarów ziaren d50 i d90. Na

Rys. 9 zamieszczono obrazy SEM uziarnienia najdrobniej zmielonej próbki Te-6 .

Na proces redukcji udziału obu klas ziarnowych 0-1 μm i 0-2 μm, bardzo silny wpływ miał rodzaj użytej komory oraz częstotliwość drgań komory. W komorze korundowej o średnicy mniejszej o około 50%, proces mielenia zachodził stosunkowo szybko w pierwszej fazie mielenia (do dwóch godzin), a następnie całkowicie się zatrzymywał. W komorze z wykładziną polimerową proces zachodził znacznie wolniej, ale nie ulegał zahamowaniu aż do 7,5 godziny mielenia.

Rys. 3. Włókno szklane wzięte do badań wytwarzania mikroproszku. Fig. 3. Fiberglass taken to preparation of micropowder.

Rys. 4. Rozdrobnione wstępnie włókno - nadawa do drugiego sta-dium mielenia.

Fig. 4. Fiberglass after preliminary grinding - the feed to the second stage of milling.

Tabela 1. Uziarnienie nadawy szkła do fi nalnego mielenia. Table 1. Feed grain size for fi nal glass grinding.

% p.n.s 100 μm % p.n.s 60 μm Udział klasy 0-1 μm [%] Udział klasy 0-2 μm [%] Ziarno d₅₀ [μm] Ziarno d₉₀ [μm] Ziarno d₉₇ [μm] 1,8 6,7 1,5 1,7 22,9 54,1 84,6

Tabela 2. Parametry technologiczne procesu mielenia. Table 2. Technological parameters of milling process.

Parametr Rodzaj komory

K P

Pojemość komory [dm3_{] 0,60 2,2}

Masa mielników [g] 1000 3 500

Tabela 3. Program i wyniki badań składu ziarnowego w przypadku mielenia szkła w komorze K. Table 3. Program and results of size analysis for vibratory milling of glass in the chamber K

Próba Czas mielenia [h] Klasa 0-1 μm [%] Klasa 0-2 μm [%] Wymiar ziarna d₅₀ [μm] Wymiar ziarna d₉₀ [μm]

MK-1 1 46,4 67,6 1,1 6,6

MK-2 2 53,8 77,1 0,9 4,5

MK-3 3 52,3 76,4 0,9 4,3

MK-4 4 51,3 78,9 0,9 4,3

MK-5 5 53,1 77,5 0,9 4,2

Tabela 4. Program i wyniki badań składu ziarnowego w przypadku mielenia szkła w komorze P (częstotliwości drgań 14 Hz). Table 4. Program and results of size analysis for vibratory milling of glass in the chamber P (vibration frequency 14 Hz).

Próba Czas mielenia [h] Klasa 0-1 μm [%] Klasa 0-2 μm [%] Wymiar ziarna d50 [μm] Wymiar ziarna d90 [μm]

Te-1 1 14,0 16,8 13,2 37,0 Te-2 2 22,5 35,9 4,2 17,5 Te-3 3 42,0 62,7 1,3 8,0 Te-4 4 47,0 69,0 1,1 6,0 Te-5 5 48,6 74,5 1,0 4,1 Te-6 7,5 58,2 82,7 0,8 3,3

Tabela 5. Program i wyniki badań składu ziarnowego w przypadku mielenia szkła w komorze P (częstotliwości drgań 16 Hz). Table 5. Program and results of size analysis for vibratory milling of glass in the chamber P (vibration frequency 16 Hz).

Próba Czas mielenia [h] Klasa 0-1 μm [%] Klasa 0-2 μm [%] Wymiar ziarna d₅₀ [μm] Wymiar ziarna d₉₀ [μm]

Ms-1 1 22,1 34,8 4,5 15,7

Ms-2 2 33,1 53,7 1,7 8,0

Ms-3 3 47,2 70,9 1,1 5,2

Ms-4 4 50,8 74,9 1,0 4,6

Ms-5 5 54,8 82,5 0,9 3,9

Rys. 6. Wpływ czasu mielenia na udział klasy ziarnowej 0-2 μm – próby MK, Te i Ms.

Fig. 6. The infl uence of grinding time on mass fraction of the class

0-2 μm – the MK, Te and Ms samples. Rys. 5. Wpływ czasu mielenia na udział klasy ziarnowej 0-1 μm–

próby MK, Te i Ms

Fig. 5. The infl uence of grinding time on mass fraction of the class

5. Ocena wyników badań i wnioski

W procesie mielenia szkła na sucho, w środowisku po-wietrza otrzymano mikroproszek szkła o zawartości klasy 0-1 μm wynoszącej ponad 58%, a klasy 0-2 μm około 83%. Na pogorszenie się warunków mielenia w komorze 2,2 dm3

miały wpływ dwukrotnie większa średnica komory [6, 20] oraz właściwości fi zyczne (mniejsza sztywność) materiału wykładziny.

W komorze P przy obu częstotliwościach drgań 14 Hz i 16 Hz, proces mielenia zachodził wolniej przez cały czas trwania próby. Najdrobniejsze uziarnienie proszku uzyska-no przy niższej częstotliwości drgań (14 Hz) i najdłuższym czasie mielenia - 7,5 godziny. Wówczas młyn miał znacznie niższą wydajność niż w komorze K. W komorze K w

cza-sie 2 godzin mielenia i przy tej samej częstotliwości drgań uzyskiwano podobny rezultat technologiczny jak w komorze P po czasie mielenia wynoszącym 5 godzin (próby MK-2 i Ms-5). Otrzymany mikroproszek szkła (Rys. 9) miał udział klasy 0-1 μm wynoszący około 55% oraz wymiar ziarna d90

= 3,3 μm. Z tego proszku można przez separację pneuma-tyczną wydzielić więcej klasy 0-1 μm.

W komorze z wykładziną korundową można otrzymać mikroproszek szkła o udziale klas 0-1 μm i 0-2 μm wynoszą-cym odpowiednio około 54% i około 77% w czasie 2 godzin, w komorze z wykładziną polimerową taki wynik wymaga czasu mielenia około 5 godzin.

Proces mielenia przeprowadzano w szczelnie zamknię-tej komorze. Brak aeracji komory powodował bardzo nieko-rzystne warunki procesu mielenia (aglomerację drobnych

Rys. 7. Wpływ czasu mielenia na wymiar ziarna d₅₀ – próby MK,

Te i Ms.

Fig. 7. The infl uence of grinding time on the grain size d50 – the MK,

Te and Ms samples.

Rys. 8. Wpływ czasu mielenia na wymiar ziarna d₉₀ – próby MK,

Te i Ms.

Fig. 8. The infl uence of grinding time on the grain size d90 – the MK,

Te and Ms samples.

Rys. 9. Uziarnienie próbki Te-6: a) widok ogólny, b) detale morfologii ziaren.

Fig. 9. Grain sizes in the Te-6 sample: a) general view, b) details of grain morphology.

ziaren i coating). W młynach przemysłowych, aeracja za-pewnia transport najdrobniejszych ziaren wzdłuż komory młyna, co zwiększa szybkość procesu mielenia.

Badania wykazały możliwość zastosowania młyna wibra-cyjnego do procesu wytwarzania mikroproszku szkła. Dobór parametrów przemysłowego młyna wibracyjnego do tego celu wymaga przeprowadzenia badań o znacznie szerszym programie.

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 skanigowego.

Literatura

[1] Masuda, H., Higashitani, K., Yoshida, H., (ed.): Powder Tech-nology Handbook, Third Edition, CRC Press, 2006. [2] Fayed, M., Otten, L.: Handbook of Powder Science &

Tech-nology, Springer 1997.

[3] 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.

[4] Schubert, H.: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, Leipzig, Deutscher Verlag für Grundstoffi ndustrie, 1989. [5] Drzymała, J.: Podstawy mineralurgii, Ofi cyna Wydawnicza

Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2009.

[6] Sidor J.: Badania, modele i metody projektowania młynów wibracyjnych, Rozprawy Monografi e, nr 150, UWND AGH, Kraków, 2005.

[7] Basics in Mineral Processing, Edition 7, 2010, www.metso.

com.

[8] PALLA vibrating mills, Prospekt fi rmy KHD Humboldt Wedag AG, 2-172e, Köln, 1995.

[9] Fine and Extra-Fine Vibrating Mill Grinding, www.aubema.de,

2013.

[10] www.sweco.com/grinding, 2013. [11] Vibrating mills, www.rtec.fr, 2013. [12] www.generalkinematics.com, 2013. [13] www.uras-techno.co.jp, 2013.

[14] www.21food.com/products/vibrating-mill-715252. [15] www.kr.all.biz/en/vibrating-mills-g760, 2013.

[16] 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.

[17] Sidor, J., Tomach, T.:Rozwój konstrukcji rurowych młynów wibracyjnych, Maszyny Górnicze, 28, 1, (2010), 27–34. [18] Sidor, J., Drzymała, Z.: Synteza konstrukcji przemysłowego

młyna wibracyjnego o niskiej częstotliwości drgań do miele-nia tlenku chromu, Z. Nauk. Pol. Białostockiej - Budowa i Ek-sploatacja Maszyn, Wyd. Pol. Białostockiej, nr 9, (2002), 405-414.

[19] Sidor, J., Majchrzak, T.: Wstępne badania emisji hałasu przez przemysłowy młyn wibracyjny o niskiej częstotliwości drgań, Structural Acoustic and Mechanics for Environmental Protec-tion 2000, Vol. IX, Ed. by Polish Acoustic Society, Dep. Cra-cow, Kraków, 2000.

[20] Drzymała, Z., Dzik, T., Guzik, J., Kaczmarczyk, S., Kurek, B., Sidor, J.: Badania i podstawy konstrukcji młynów specjal-nych, PWN Warszawa, 1992.

♦