Badania procesu mielenia kryszta u górskiego w m ynie wibracyjnym

Transkrypt

1 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 2, (2014), Badania procesu mielenia kryszta u górskiego w m ynie wibracyjnym JAN SIDOR AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia In ynierii Mechanicznej i Robotyki, al. A. Mickiewicza, Kraków jsidor@agh.edu.pl Badania procesu bardzo drobnego mielenia kryszta u górskiego przeprowadzono w laboratoryjnym m ynie wibracyjnym o dzia aniu okresowym, o niskiej cz stotliwo ci drga wynosz cej Hz. Celem bada by o uzyskanie proszku kryszta u o uziarnieniu charakteryzuj cym si udzia em klasy ziarnowej 0-60 m powy ej 80% oraz klasy ziarnowej powy ej 50%, przy zachowania jak najwi kszej czysto ci proszku, ze wzgl du na jego zastosowanie medyczne i kosmetyczne. Nadaw do mielenia by materia, wst pnie rozdrobniony w kruszarce wibracyjnej, o uziarnieniu poni ej 5,0 mm. Badania przeprowadzono w komorze z wyk adzin z tworzywa polimerowego, za elementami roboczymi by y mielniki ceramiczne. Program bada obejmowa wp yw cz stotliwo ci drga i czasu mielenia w celu otrzymania wymaganych parametrów uziarnienia proszku kryszta u. W badaniach uzyskano udzia klasy ziarnowej 0-60 m, mieszcz cy si w zakresie (73-99)% oraz (39-72)% klasy ziarnowej. Wyniki bada wskazuj, e w m ynie wibracyjnym o niskiej cz stotliwo ci drga, w czasie poni ej 30 minut, mo na wytwarza proszek kryszta u górskiego o wymaganym uziarnieniu i czysto ci. S owa kluczowe: rozdrabnianie, mielenie wibracyjne, m yn wibracyjny, proszek, kryszta górski INVESTIGATIONS OF ROCK CRYSTAL MILLING IN THE VIBRATORY MILL Investigations of very ne grinding of rock crystal were carried out in a periodic laboratory vibratory mill of low frequency of vibrations of Hz. The purpose of the research was to obtain a rock crystal powder which contains a grain class of 0-60 m and 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 in 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 m and 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 kryszta u górskiego, zwany dalej kryszta em, o uziarnieniu poni ej 60 m jest oferowany w handlu [1]. Jako jego wzrasta wraz ze wzrostem udzia u klasy ziarnowej powy ej 50%. Proszek kryszta u górskiego posiada szerokie zastosowanie: medyczne do wspomagania terapii nowotworowej, jako sk adnik hipoalergicznych kosmetyków, rodek do poprawiania jako ci wody pitnej, a tak e jako materia wzorcowy [2, 3]. Warunkiem zastosowania kryszta u, oprócz wymaganego w/w uziarnienia, jest jego wysoka czysto. Pozyskany w przyrodzie wyst puje w postaci ziaren o wymiarach dochodz cych do kilkudziesi ciu milimetrów. Wytwarza si z niego proszek na drodze mechanicznej, przez kruszenie i mielenie ziaren nie znajduj cych zastosowania jubilerskiego. Ze wzgl du na wysok czysto mo na go rozdrabnia w urz dzeniach przeróbczych spe niaj cych wymagania GMP oraz GHP. Do wytworzenia proszku kryszta u wybrano laboratoryjny m yn wibracyjny, wyposa ony w elementy robocze spe niaj ce wymagania GMP oraz GHP, czyli komor z wyk adzin polimerow i wysokiej czysto ci mielniki korundowe. M yn ten wybrano z trzech wzgl dów. Pierwszy to spe nianie w/w wymaga sanitarnych i atwo utrzymania komór i mielników w czysto ci, drugi to du e mo liwo ci technologiczne w wytwarzaniu proszków o zró nicowanych wymaganiach technologicznych i szerokim zakresie parametrów uziarnienia [4-9], za trzeci to zastosowania tego typu m yna do wytwarzania proszku kryszta u w skali przemys owej. M yny wibracyjne cechuj si niskim poborem energii mniejszym do 10 razy od m ynów mieszad owych i strumieniowych. Mo na je u ytkowa w cyklu otwartym do mielenia na sucho i na mokro, w sposób okresowy i ci g y; maj wydajno od kilku kg/godz do kilkudziesi ciu Mg/godz. Przy wytwarzaniu proszków o uziarnieniu, zw aszcza 0-3 m [10], u ytkowane s zwykle w uk adach mielenia pracuj cych w cyklu zamkni tym, z separacj pneumatyczn. M yny te s szczególnie przydatne w praktyce laboratoryjnej do wytwarzania proszków o szerokim spektrum parametrów uziarnienia, o zró nicowanych w asno ciach zycznych, od uziarnienia m do uziarnienia nm. Aby obni y szkodliwo oddzia ywania m ynów wibracyjnych na otoczenie, w Akademii Górniczo-Hutniczej prowadzone s prace nad nowymi konstrukcjami. Prace 191

2 J. SIDOR prowadzone s w zakresie m ynów obrotowo-wibracyjnych, o cz stotliwo ci drga Hz i przyspieszeniu ruchu drgaj cego m/s 2, oraz m ynów wibracyjnych o niskiej cz stotliwo ci drga Hz i przyspieszeniu ruchu drgaj cego m/s 2, w których do intensy kacji ruchu mielników stosuje si ko ow lub eliptyczn trajektori ruchu drgaj cego oraz dodatkowe elementy komór [11]. Praktyczny rezultat tych prac to osiem m ynów obrotowowibracyjnych o pojemno ci komór od 15 dm 3 do 200 dm 3, zastosowanych w przemy le oraz 36 m ynów o pojemno ci komór od 0,4 dm 3 do 10 dm 3 w laboratoriach uczelni i zak adów przemys owych. Zastosowano tak e pi przemys owych m ynów wibracyjnych o pojemno ci komór od 80 dm 3 do 350 dm 3 [7]. 2. Cel bada Celem bada by o uzyskanie proszku kryszta u zawieraj cego mo liwie najwi kszy udzia klasy ziarnowej (minimum 50%), jak najwi kszej zawarto ci klasy 0-60 m i mo liwie najmniejszej cz stotliwo ci drga komory m yna. Do mielenia kryszta wymaga wst pnego rozdrobnienia do uziarnienia poni ej 5 mm. Ziarna kryszta u o wymiarach mm rozdrobniono wst pnie w laboratoryjnej kruszarce wibracyjnej wyposa onej w wyk adzin szcz k spe niaj c wymagania GMP i GHP. Drugi wa ny wymóg to mo liwo wytworzenia proszku zawieraj cego minimum zanieczyszcze pochodz cych z elementów roboczych m yna i u ywanych pojemników. St d do realizacji procesu mielenia wybrano jako elementy robocze mielniki korundowe o wysokiej czysto ci (99,7% Al 2 O 3 ) i komory z wyk adzin z tworzywa polimerowego poliamid 6, dopuszczonego do kontaktu ze rodkami farmaceutycznymi i ywno ci. Celem perspektywicznym bada by o uzyskanie informacji w zakresie mo liwo ci zastosowania m yna wibracyjnego w technologii wytwarzania proszku kryszta u w wi kszej skali oraz drobniejszego uziarnienia w warunkach przemys owych. Rys. 1. Stanowisko badawcze laboratoryjnego m yna wibracyjnego: 1 komora, 2 tarcza uchwyt komory, 3 modu nap du, 4 silnik wibratora, 5 uk ad 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. 3. Stanowisko badawcze m yna Stanowisko badawcze laboratoryjnego m yna wibracyjnego przedstawiono na Rys. 1, a schemat jego budowy na Rys. 2. Stanowisko badawcze m yna posiada szerokie mo liwo ci prowadzenia bada procesu mielenia wibracyjnego w rodowisku powietrza, gazu oboj tnego, wody i innych cieczy stabilizacj temperatury procesu mielenia w zakresie o C. Wyposa one jest w komory o zró nicowanej pojemno ci od 100 cm 3 do 5 dm 3, z wyk adzin stalow, ceramiczn korundow i poliamidow. Stanowisko posiada mielniki stalowe i ceramiczne - korundowe, cyrkoniowe, szklane i z w glika wolframu. Do procesu mielenia kryszta u u yto komor z wyk adzin polimerow o pojemno ci 2,2 dm 3 i rednicy 210 mm oraz mielniki korundowe. Stanowisko ma mo liwo zmiany parametrów ruchu drgaj cego: cz stotliwo ci drga komory w zakresie 0-25 Hz oraz amplitudy drga komory 2,5-14 mm. Ma mo liwo wprowadzania komór w ruch z o ony - obrotowo-wibracyjny. Moc silnika wibratora wynosi 3,5 kw, a silnika komory 0,75 kw (poz. 14 na Rys. 2). Ponadto dzi ki zastosowaniu przezroczystych Rys. 2. Schemat stanowiska: 1 modu nap du, 2 wa wibratora, 3 wa komory, 4 tarcza, 5 komora, 6 pokrywa komory, 7 sprz g o, 8 obci nik, 9 silnik wibratora, 11 czujnik, 12 uk ad zasilania, 13 uk ad 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 chamber, 6 cover of the chambers, 7 clutch, 8 ller, 9 engine of vibrator, 11 sensor, 12 power system, 13 measuring system, 14 engine of the chamber. pokryw komór mo na obserwowa oraz lmowa ruch adunku. Na stanowisku mo na równie przeprowadza badania procesu mieszania materia u w rodowisku powietrza oraz cieczy. 192 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 2, (2014)

3 BADANIA PROCESU MIELENIA KRYSZTA U GÓRSKIEGO W M YNIE WIBRACYJNYM Tabela1. Uziarnienie nadawy kryszta u. Table 1. Feed grain size of the crystal. [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 Udzia 14,6 13,8 15,1 20,2 19,1 6,6 10,0 4. Metoda, program, realizacja i wyniki bada Proces mielenia kryszta u zachodzi na sucho, okresowo, w komorze szczelnie zamkni tej. Program bada obejmowa wyznaczenia wp ywu cz stotliwo ci drga komory m yna, czasu mielenia oraz stopnia nape nienia na wybrane parametry uziarnienia zmielonego kryszta u: wynosi a 12 Hz, 14 Hz i 16 Hz. W badaniach przyj to podstawowy stopie nape nienia wynosz cy 0,65, ze wzgl du na g sto nasypow kryszta u (w jednej serii zwi kszono go do 0,70) oraz jeden zestaw mielników - mieszanin kul korundowych o rednicy mm. Program bada obejmowa cztery czasy mielenia 5 min, 10 min, 15 min i 25 min. Badany kryszta górski mia g sto rzeczywist 2,65 kg/dm 3, i twardo 7 w skali Mohsa. G sto nasypowa kryszta u odsianego na sicie 5,0 mm wynosi a 1,14 ± 0,05 kg/dm 3. Sk ad ziarnowy kryszta u oznaczono metod przesiewania na sucho, zgodnie z PN C 04501:1971 i podano w Tabeli 1. Widok nadawy - ziaren kryszta u przedstawiono i jej sk ad ziarnowy odpowiednio na Rys. 3 i 4. Rys. 4. Sk ad ziarnowy nadawy. Fig. 4. Particle size distribution of the feed. Tabela 2. Parametry technologiczne procesu mielenia kryszta u. Table 2. Technological parameters of milling process of the crystal. Stopie nape nienia [-] 0,65 0,70 Masa mielników [g] Masa kryszta u [g] Rys. 3. Nadawa ziarna kryszta u przed mieleniem. Fig. 3. The feed crystal grains before milling. Uziarnienie zmielonego kryszta u oznaczano metod dyfraktometryczn - granulometrem laserowym LAU-15. Mas mielników i kryszta u wyznaczano odpowiednio do pojemno- ci komory [4]. Podano je w Tabeli 2. Pierwsz seri miele - oznaczon symbolem KA - przeprowadzono przy cz stotliwo ci drga 12 Hz, drug - KB - przy cz stotliwo ci drga 14 Hz, trzeci - KC przy 16 Hz. W czwartej serii - KD - zwi kszono stopie nape nienia do 0,70, a cz stotliwo drga komory ustalono na 16 Hz. Materia do mielenia pobierano ze zmieszanej partii za pomoc dzielnika prób Jones a. Wyniki bada poszczególnych serii zamieszczono w Tabelach 3, 4, 5 i 6 oraz na Rys. 5, 6, 7 i 8. Proces mielenia kryszta u zachodzi intensywnie przy ka dej z przyj tych cz stotliwo ci drga. Najkorzystniejszy wynik uziarnienia kryszta u otrzymano przy najwi kszej cz stotliwo ci drga wynosz cej 16 Hz, a najkorzystniejszy rezultat otrzymano przy stopniu nape nienia zwi kszonym do 0,70. Uzyskany wówczas produkt mielenia by w ca o ci poni ej 60 m i zawiera blisko 75% klasy, przy wymiarze redniego ziarna 4,4 m. Podobne uziarnienia ma puder kosmetyczny. Pomimo tych niekorzystnych warunków procesu mielenia, który zachodzi w szczelnie zamkni tej komorze, wyst pi a stosunkowo szybka redukcja wymiarów ziaren mielonego kryszta u. Na Rys. 9 zamieszczono materia fotogra czny przedstawiaj cy ziarna proszku zmielonego kryszta u, pochodz ce z najkorzystniejszej serii KD, uzyskane w czasie mielenia wynosz cym 25 minut. Materia ten wskazuje, e oprócz du ej ilo ci ziaren poni ej 10 m wyst puj ziarna wi ksze o wymiarach oko o 20 m o ostrych kraw dziach. 5. Ocena wyników bada i wnioski Proces mielenia zachodzi przy ka dej z przyj tych cz stotliwo ci drga komory. Krzywe kinetyki mielenia wskazuj, e mo e zachodzi dalej. Czas wytworzenia proszku mo na wyznaczy na podstawie otrzymanych wyników bada. Jakkolwiek proces mielenia zachodzi najszybciej przy cz stotli- 193 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 2, (2014) 193

4 J. SIDOR wo ci drga 16 Hz, to jednak przy ni szych cz stotliwo ciach drga, czyli 12 Hz i 14 Hz, mo na otrzyma w odpowiednio d u szym czasie proszek kryszta u w ca o ci o uziarnieniu poni ej 60 m. Otrzymane wyniki bada mielenia kryszta u (Tabele 3-6 i Rys. 5-8) wskazuj, e w m ynie wibracyjnym bez konieczno ci stosowania klasy kacji ziarnowej, mo na otrzyma proszek kryszta u o jeszcze drobniejszym uziarnieniu praktycznie w ca o ci poni ej 10 m. Niew tpliwie zastosowanie klasy kacji ziarnowej mo e zwi kszy wydajno procesu mielenia wibracyjnego o ponad 50%. Zastosowanie separacji umo liwia wydzielanie z produktu mielenia materia u o ziarnach powy ej danego wymiaru, np. 5 m, które mog by niepo dane w niektórych zastosowaniach proszku kryszta u. Proces mielenia kryszta u przeprowadzano w szczelnie zamkni tej komorze, bez aeracji. Brak aeracji (przewietrzania) komory powodowa bardzo niekorzystne warunki procesu mielenia, które nie wyst puj w m ynach przemys owych o dzia aniu ci g ym. W tych m ynach proces mielenia mo na zintensy kowa w znacznym stopniu, stosuj c aeracj komory oraz ewentualnie pneumatyczn klasy kacj ziarnow. Oba te czynniki mog zwi kszy szybko procesu mielenia nawet o 100%. Tabela 3. Program i wyniki bada mielenia kryszta u serii KA. Table 3. The program and results of vibratory milling the crystal for series KA. Czas mielenia KA-1 5 7,6 60,5 78,6 159,4 KA ,8 36,7 45,6 131,1 KA ,9 30,2 40,7 116,5 KA ,6 15,9 19,6 71,1 Tabela 4. Program i wyniki bada mielenia kryszta u serii KB. Table 4. The program and results of vibratory milling the crystal for series KB. Czas mielenia, KB ,2 46,7 55,5 142,1 KB ,6 26,7 34,1 101,9 KB ,2 7,8 16,4 55,6 KB ,5 3,8 8,6 47,4 Tabela 5. Program i wyniki bada mielenia kryszta u serii KC. Table 5. The program and results of vibratory milling the crystal for series KC. Czas mielenia, KC ,7 29,5 36,0 110,7 KC ,0 7,0 13,7 54,0 KC ,6 2,5 8,9 46,2 KC ,4 0,8 4,4 29,8 Tabela 6. Program i wyniki bada mielenia kryszta u serii KD. Table 6. The program and results of vibratory milling series KD. Czas mielenia, KD ,6 33,0 29,3 91,5 KD ,4 3,9 11,3 49,7 KD ,8 1,5 7,1 39,8 KD ,0 0,1 3,7 21,6 194 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 2, (2014)

5 BADANIA PROCESU MIELENIA KRYSZTA U GÓRSKIEGO W M YNIE WIBRACYJNYM Rys. 5. Wp yw czasu mielenia na udzia klasy ziarnowej. Fig. 5. Grinding time dependence of mass fraction of the class. Rys. 8. Wp yw czasu mielenia na wymiar ziarna d 90. Fig. 8. The in uence of grinding time on the grain size d 90. Rys. 6. Wp yw czasu mielenia na udzia klasy ziarnowej 0-60 m. Fig. 6. Grinding time dependence of mass fraction of the class 0-60 m. a) b) Rys. 7. Wp yw czasu mielenia na wymiar ziarna d 50. Fig. 7. The in uence of grinding time on the grain size d 50. Rys. 9. Ziarna proszku kryszta u 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. 195 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 2, (2014) 195

6 J. SIDOR Przedstawione w pracy wyniki bada procesu mielenia kryszta u górskiego wykaza y mo liwo zastosowania m yna wibracyjnego do wytwarzania jego proszku. Dobór najkorzystniejszych parametrów przemys owego m yna wibracyjnego do mielenia kryszta u górskiego w skali przemys owej wymaga przeprowadzenia dodatkowych bada w celu wyznaczenia najkorzystniejszych parametrów tego m yna, determinuj cych najni sze koszty jego wytworzenia. Przy zapotrzebowaniu proszku kryszta u górskiego do 10 kg dziennie, mo na go wytwarza równie w jednym z okresowych m ynów obrotowo-wibracyjnych [6, 12, 13]. Podzi kowania Autor sk ada podzi kowania dr. in. Krzysztofowi Krawczykowi za opracowanie gra czne, mgr. in. Paw owi Tomachowi za analizy uziarnienia oraz mgr. in. Barbarze Trybalskiej za materia fotogra czny z mikroskopu skaningowego. Literatura [1] [2] [3] [4] Masuda, H., Higashitani, K., Yoshida, H., (ed.): Powder Technology Handbook, Third Edition, CRC Press, [5] Fayed, M., Otten, L.: Handbook of Powder Science & Technology, Springer, [6] Sidor, J.: Badania, modele i metody projektowania m ynów wibracyjnych, Rozprawy Monogra e, nr 150, UWND AGH, Kraków, [7] Sidor, J.: Post p techniczny w konstrukcji m ynów stosowanych w procesach bardzo drobnego mielenia, Powder & Bulk, Materia y Sypkie i Masowe, ISSN , nr 6, (2012), [8] Sidor, J.: Badania mo liwo ci wykorzystania zamierzonych drga w wybranych procesach i urz dzeniach wibracyjnych, Structures Waves Biomedical Engineering, Vol. IV - Waves Method and Mechanics in Biomedical Engineering, Edited by Polish Acoustical Society Dep. Cracow, Kraków, 1999, [9] Sidor, J.: Mechanical devices used for production of metallic, ceramic-metallic alloys or nanomaterials, Archives of Metallurgy and Materials, 52, (2007), , LF. [10] Sidor, J.: Wytwarzanie mikro- i nanoproszków w m ynach wibracyjnych o niskiej cz stotliwo ci drga, In ynieria i Aparatura Chemiczna, nr 4, (2009), [11] PALLA Vibrating Mills, Prospekt rmy KHD Humboldt Wedag AG, 2-172e, Köln, 1995 [12] Sidor, J.: Mo liwo ci intensy kacji procesu mielenia w m ynie wibracyjnym przez zmian kszta tu wn trza komory, In ynieria i Aparatura Chemiczna, nr 3, (2003), [13] Sidor, J.: Wytwarzanie proszków w m ynach obrotowo-wibracyjnych, Materia y Ceramiczne, 60, 1, (2008), Otrzymano 18 wrze nia 2013, zaakceptowano 26 stycznia MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 2, (2014)