Zastosowanie m ynów mieszad owych w procesach bardzo drobnego mielenia Opracowanie przegl dowe

MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 2, (2013) www.ptcer.pl/mccm Biuletyn Newsletter Zastosowanie m ynów mieszad owych w procesach bardzo drobnego mielenia Opracowanie przegl dowe JAN SIDOR AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia In ynierii Mechanicznej i Robotyki, Kraków al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków e-mail: jsidor@uci.agh.edu.pl Streszczenie M yny mieszad owe zwane te atrytorami s to m yny, w których swobodne mielniki otrzymuj energi od obracaj cego si wirnika umieszczonego w nieruchomej komorze. Cechuj si ni sz szkodliwo ci oddzia ywania na otoczenie w porównaniu z innymi m ynami. M yny te maj zró nicowan budow i szerokie mo liwo ci technologiczne. Proces mielenia zachodzi w nich w powietrzu lub cieczy, z klasy- kacj ziarnow lub bez niej. M yny przemys owe maj pojemno ci komory od 5 dm 3 do 10 m 3, laboratoryjne od 0,5 dm 3 do 5 dm 3. M yny te stosowane s we wszystkich rodzajach procesu mielenia, obejmuj cych mielenie drobne i bardzo drobne, równie koloidalne i wytwarzanie nanoproszków. Wydajno m ynów mieszad owych wynosi od 0,1 Mg/godz do 150 Mg/godz przy uziarnieniu produktu mielenia poni ej 7-10 m. W pracy podano opis budowy, dzia ania oraz klasy kacje m ynów mieszad owych. Zamieszczono przegl d rozwi za nowych konstrukcji m ynów, budowy wirników oraz uk adów mielenia, w których m yny te s u ytkowane. Podano równie przyk ady zastosowa w przemy le ceramicznym. S owa kluczowe: mielenie drobne, m yn mieszad owy, atrytor, mielenie bardzo drobne APPLICATION OF STIRRED BALL MILLS IN VERY FINE MILLING PROCESSES Stirred ball mills, also called attritors, are the mills, in that the free energy of milling medium is replaced by a rotating impeller mounted in a stationary chamber. Their harmfulness on the environment has lower impact in comparison to other mills. These mills are of different construction, and have extensive technological capabilities. The milling process takes place in air or liquid, with or with no granular classi- cation. The industrial mills are composed of the chamber having the volume ranging from 5 dm 3 to 10 m 3. Laboratory mills are equipped with the chambers of 0,5-5 dm 3 volume. They are used in ne, very ne and colloidal milling processes, and for the production of nanopowders. The stirred ball mills have capacity from 0,1 Mg/h to 150 Mg/h when milling product particles below 7-10 m are produced. The paper describes the construction, operation and classi cation of the stirred ball mills. It provides also an overview of new construction solutions of the mills, rotors and grinding systems in that these mills are used. It also gives examples of applications of the stirred ball mills in the ceramic industry. Keywords: Fine milling, Stirred ball mill, Attritor mill, Very ne milling 1. Wprowadzenie M yn mieszad owy zwany jest atrytorem, m ynem kulkowym, kuleczkowym, pere kowym, mieszad owo-kulkowym, czy m ynem ci nieniowo-kulkowym [1-3]. Zasadnicze rozwi zanie techniczne tego m yna opracowa Andrew Szegvari w 1920 roku. Dwadzie cia lat pó niej udoskonali on proces technologiczny i konstrukcj m yna mieszad owego, która dzi ki temu znalaz a zastosowanie w praktyce. M yn ten mo e by u ytkowany w kilku wariantach technologicznych: jako m yn o dzia aniu okresowym, dzia aniu ci g ym w cyklu otwartym zwyk ym, z cyrkulacj mlewa, czy w cyklu zamkni tym z klasy katorem ziarnowym. Najcz ciej stosowany jest przy mieleniu na mokro, ale znanych jest szereg konstrukcji do mielenia na sucho. Elementami roboczymi s swobodne mielniki wprawiane w ruch obracaj cym si mieszad em. M yn ten wyst puje w dwóch podstawowych wersjach uwarunkowanych po o eniem osi geometrycznej mieszad a (poziomej i pionowej), z kilkudziesi cioma rodzajami rozwi za komory i wirnika oraz uk adów miel cych [4-7]. M yny mieszad owe produkowane s przez szereg rm [8-12]. Zbiorcze opracowanie dotycz ce tych m ynów podano w pracach [7, 13, 14]. M yny mieszad owe stosuje si do bardzo drobnego - koloidalnego oraz w skali nano - mielenia materia ów mi kkich (2-4 w skali Mohsa), rednio-twardych (5-6 w skali Mohsa) oraz twardych i bardzo twardych (7-9,5 w skali Mohsa). 239

a) b) Rys. 1. Schemat budowy i dzia ania m ynów mieszad owych: a) o pionowym usytuowaniu komory i wirnika, b) o poziomym usytuowaniu komory i wirnika; 1 komora, 2 p aszcz wodny, 3 mielniki z mielonym materia em i ciecz, 4 wirnik, 5 trzpienie, 6 tarcze, 7 uszczelnienie wa u. Fig. 1. Schematic of the structure of stirred ball mills: a) with vertical location of chamber and rotor, b) with horizontal location of chamber and rotor; 1 chamber, 2 water jacket, 3 grinding medium with ground material and liquid, 4 rotor, 5 pins, 6 discs, 7 shaft seal. Uziarnienie nadawy uwarunkowane jest przeznaczeniem m yna i wynosi od poni ej 10 mm - przy mieleniu drobnym, poni ej 0,3 mm - przy mieleniu bardzo drobnym i koloidalnym oraz poni ej 30 m - przy mieleniu w skali nano, którego celem jest uzyskanie proszku zawieraj cego powy ej 90% ziaren o rozmiarze poni ej 100 nm. M yny te znalaz y zastosowanie w przemys ach: ceramicznym, chemicznym, elektronicznym, farmaceutycznym, biotechnologiach, górniczym i metalurgicznym. Najwi ksze m yny do mielenia w gla i rud zastosowano w ostatnim dziesi cioleciu w przemy le górniczym [6]. Jako mielniki stosuje si kulki o rednicy od 0,5 mm do 10 mm. 2. Ogólna budowa m ynów mieszad owych M yn mieszad owy zbudowany jest z komory wyposa- onej w p aszcz ch odz cy. W komorze umieszczony jest obrotowy wirnik, mielniki i mielony materia, a mielenie mo e by prowadzone na mokro w cieczy lub na sucho w rodowisku powietrza oraz gazów oboj tnych. Przyk ady dwóch podstawowych rozwi za konstrukcyjnych m ynów mieszad owych zamieszczono na Rys. 1. S to: m yn z pionowym usytuowaniem osi geometrycznych komory i wirnika z wirnikiem trzpieniowym (Rys. 1a) oraz m yn z poziomym usytuowaniem osi geometrycznych komory i wirnika z wirnikiem tarczowym, z tarczami posiadaj cymi otwory (Rys. 1b). Komora, w której zachodzi proces mielenia mo e by integraln cz ci konstrukcji m yna lub umieszczana w niej jako zespó sta y, co praktykowane jest w najwi kszych m ynach oraz w m ynach z komor poziom. W redniej wielko- ci m ynach mo e by umieszczona na dwóch trzpieniach, usytuowanych po obu stronach pobocznicy zewn trznej komory, tworz cych o obrotu komory i umo liwiaj cych, po roz czeniu nap du, zmian po o enia komory z po o enia w pionie do po o enia w poziomie, co u atwia roz adunek mielników i przegl d komory. W ma ych m ynach komora mo e by umieszczona na p ycie z czterema rolkami, które po roz czeniu nap du umo liwiaj wysuni cie (wyjechanie) komory z m yna wraz z ca ym adunkiem. W m ynach laboratoryjnych i m ynach o pojemno ci komory do 5 dm 3 komora z adunkiem i wirnikiem mo e by wyjmowana z m yna bez p aszcza wodnego lub razem z nim. Komory m ynów mieszad owych, ze wzgl du na powstawanie podczas mielenia du ych ilo ci ciep a, wyposa one s zawsze w uk ad ch odzenia - p aszcz wodny z kontrol temperatury. W niektórych m ynach ch odzony jest równie wirnik, którego wa wykonany jest z rury. G ówny podzia, ze wzgl du na rozwi zania konstrukcyjne, rozró nia m yny poziome i pionowe, co wi e si z po o eniem osi geometrycznej komory i wirnika. Podzia drugi, ze wzgl du na rodowisko mielenia, wyró nia m yny do mielenia na mokro i na sucho. Ze wzgl du na zastosowanie, rozró niamy m yny przemys owe (najcz ciej o dzia aniu ci g ym) i laboratoryjne (zwykle okresowe). Podzia czwarty dotyczy pr dko ci obwodowej zewn trznych elementów wirnika i dzieli m yny mieszad owe na [11]: wolnobie ne (o pr dko ci obwodowej wirnika 0,5-3,0 m/s), redniobie ne (o pr dko ci obwodowej wirnika 3-8 m/s), szybkobie ne (o pr dko ci obwodowej wirnika 8-12 m/s), wysokiej energii (o pr dko ci do 21-23 m/s). Wirniki maj kilkadziesi t rozwi za, a najcz ciej stosowane s nast puj ce wirniki: trzpieniowe, tarczowe zwyk e z tarczami umieszczonymi na wale wspó osiowo, które mog by pe ne lub z otworami, tarczowe zwyk e z tarczami umieszczonymi na wale mimo rodowo, które mog by pe ne lub z otworami, tarczowe z tarczami kszta towymi, pe nymi, z otworami, wyci ciami lub nadlewami, limakowe z powierzchni limakow ci g lub z przerwami, pojedyncz lub podwójn, kszta towe, na przyk ad walcowo-sto kowe, w kszta cie torusa o przekroju trójk ta (Coball-Mill), kielichowe, turbinowe. 240 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 2, (2013)

a) b) c) Rys. 2. Schematy budowy m ynów mieszad owych: a) z wirnikiem trzpieniowym z nieruchomymi trzpieniami w zbiorniku, b) z dwoma wirnikami trzpieniowymi, c) z wirnikiem tarczowym z tarczami pe nymi; 1 komora, 2 wirnik, 3 mielniki z materia em mielonym, 4 trzpienie, 5 trzpienie nieruchome, 6 tarcze. Fig. 2. Schematics of attrition mills: a) with a pin rotor and xed pins in the tank, b) with two pin rotors, c) with a disc rotor and solid discs; 1 chamber, 2 rotor, 3 milling medium with ground material, 4 pins, 5 stationary pins, 6 discs. Kszta t komory dostosowany jest do rozwi za wirnika. St d wyró ni mo na komory walcowe g adkie lub z trzpieniami, walcowo-sto kowe, toroidalne i kszta towe. Kolejny podzia dotyczy nap du m yna. Ze wzgl du na du y moment rozruchowy wymagany jest nap d, który spe ni by te wymagania. St d do nap du tych m ynów stosuje si specjalne silniki elektryczne o powi kszonym momencie rozruchowym, a do nap du najwi kszych jednostek stosuje si silniki hydrauliczne. Zró nicowanie wyst puje równie w budowie uk adów miel cych tych m ynów. Najprostszym uk adem jest uk ad z m ynem o dzia aniu okresowym, który po wype nieniu mielnikami, mielonym materia em i ciecz pracuje okresowo a do uzyskania odpowiedniego uziarnienia mielonego materia u. W wi kszych m ynach wyst puj dwa warianty roz- adunku. Przy komorze wychylnej komora jest przechylana z pozycji pionowej do poziomej, w której zawiesina zmielonego materia u wyp ywa do zbiornika. Przy nieruchomej komorze, po otwarciu zaworu spustowego odprowadza si zawiesin grawitacyjnie lub za pomoc pompy do zbiornika, a mielniki i wirnik pozostaj w komorze. Przy mieleniu w sposób ci g y stosuje si cztery rozwi zania konstrukcyjne uk adu. Wariant pierwszy, jako typowy uk ad otwarty, do którego dozowane s materia (jeden lub kilka) oraz ciecz. Po przej ciu przez m yn, czyli zmieleniu, wsad odprowadzany jest w postaci zawiesiny do zbiornika gotowego produktu mielenia. Wariant drugi, bez klasy katora ziarnowego z cyrkulacj zawiesiny, cz sto w odmianie z dodatkowym zbiornikiem, którego pojemno mo e by do 10 razy wi ksza od pojemno ci komory m yna mieszad owego. W tym zbiorniku zachodzi dodatkowe mieszanie i ch odzenie mielonego materia u. Wariant trzeci to m yn z wbudowanym separatorem, pracuj cy jako m yn separuj cy. Wariant czwarty, pracuj cy jako klasyczny uk ad zamkni ty, czyli z klasy kacj ziarnow. Oprócz tych podstawowych czterech wariantów wyst puj jeszcze inne odmiany uk adów miel cych. a) b) c) Rys. 3. Schematy budowy m ynów: a) z wirnikiem walcowo-sto kowym, b) z wirnikiem z w skoszczelinowym, c) z wirnikiem kielichowym; 1 komora, 2 wirnik, 3 mielniki z mielonym materia em i ciecz. Fig. 3. Schematics of mill structures : a) with a roller-cone rotor, b) with a tight-gap rotor, c) with a goblet rotor; 1 chamber, 2 rotor, 3 milling medium with ground material and liquid. MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 2, (2013) 241

a) b) c) Rys. 4. Schematy budowy m ynów: a) z wirnikiem limakowym, b z wirnikiem limakowym podwójnym, c - z wirnikiem turbinowym, 1 komora, 2 wirnik, 3 mielniki z mielonym materia em i ciecz Fig. 4. Schematics of mill structures: a) with a screw rotor, b) with a double screw rotor, c) with a turbine rotor; 1 chamber, 2 rotor, 3 milling medium with ground material and liquid. 3. Rozwi zania konstrukcyjne m ynów mieszad owych Obecnie stosowanych i produkowanych jest kilkadziesi t typowych rozwi za konstrukcyjnych m ynów mieszad owych. Na Rys. 2-4 przedstawiono dziewi rozwi za konstrukcyjnych m ynów mieszad owych. M yn z wirnikiem trzpieniowym, który ma dodatkowe nieruchome trzpienie przymocowane do zbiornika przedstawiono na Rys. 2a; m yn z dwoma wirnikami trzpieniowymi stosowanymi przez rm Eirich, budowany równie z jednym wirnikiem usytuowanym niewspó osiowo z komor - na Rys. 2b oraz m yn z wirnikiem tarczowym z tarczami pe nymi (jeden z najbardziej popularnych) na Rys. 2c. M yn z wirnikiem walcowo-sto kowym przedstawia Rys. 3a, z wirnikiem w skoszczelinowym pionowym Rys. 3b, a Rys. 3c przedstawia m yn z mieszad em kielichowym. Rys. 4a przedstawia m yn z wirnikiem limakowym, Rys. 4b z wirnikiem limakowym podwójnym tzw. Tower Mill i nap dem hydraulicznym, a Rys. 4c - z wirnikiem turbinowym. Zapotrzebowanie mocy P m przez m yn mieszad owy oblicza si z wyra e [11]: P m = K m D 5 n s3 l, (1) P m = K V 1,67 n s3 l, (2) gdzie: Km liczba mocy mieszad a, D rednica zewn trzna mieszad a [m], ns pr dko obrotowa mieszad a [obr/s], l g sto mlewa ( adunku) [kg/m 3 ], Kv moc jednostkowa przypadaj ca na jednostk obj to ci komory mielenia. Znacznie wi ksza szybko procesu mielenia w m ynie mieszad owym okupiona jest znacz co wi kszym jednostkowym zapotrzebowaniem na energi, nawet do 10. razy [1]. Wynika to z jednej strony ze sposobu dzia ania m yna, a z drugiej z koncentracja energii przypadaj cej na 1 m 3 komory. W m ynach grawitacyjnych kulowych wska nik ten wynosi od 15 kw/m 3 do 17 kw/m 3, w m ynach wibracyjnych od 45 kw/m 3 do 70 kw/m 3, obrotowo-wibracyjnych strumieniowych od 50 kw/m 3 do 62 kw/m 3, a w mieszad owych od 150 kw/m 3 do 300 kw/m 3. Napr enia jednostkowe, które powoduj proces mielenia w m ynie mieszad owym, oblicza si z wyra enia [5]: SI m = d 3 ( k - z )v 2, (3) gdzie: SI m napr enia jednostkowe przypadaj ce na jednostk obj to ci kulki [Nm], d rednica kulki [m], r k g sto materia u kulki [kg/m 3 ], r z g sto zawiesiny [kg/m 3 ], pr dko kulki [m/s]. Podstawowe parametry m ynów mieszad owych podano w Tabeli 1. Tabela 1. Podstawowe parametry techniczne przemys owych m ynów mieszad owych. Table 1. Basic technical parameters of industrial stirred ball mills. Parametr Jednostka Zakres Pojemno komory dm 3 5-10 000 Wydajno m yna Mg/h 0,1-250 Pr dko obwodowa wirnika m/s 3-23 Moc silnika kw 5-3 000 Masa m yna Mg 0,2-250 Masa uk adu miel cego Mg 0,3-400 Ze wzgl du na du e mo liwo ci technologiczne oraz cich prac, m yny mieszad owe stosowane wykorzystuje si w praktyce laboratoryjnej. Na Rys. 5a przedstawiono m yn laboratoryjny MM-B-1 o pojemno ci komory 1 dm 3 opracowany do mielenia biomateria ów [15], a na Rys. 5b m yn MM-C-2 o pojemno ci komory 2 dm 3. M yn ten przystosowany jest do mielenia materia ów ceramicznych i metalicznych w atmosferze gazu oboj tnego. 4. Uk ady mielenia m ynów mieszad owych Rozwi zania uk adów miel cych m ynów mieszad owych podano na Rys. 6 i 7. 242 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 2, (2013)

Rys. 5. M yn mieszad owy: a) MM-B-1 [15], b) MM-C-2 [16]. Fig. 5. Stirred ball mills: a) MM-B-1 [15], b) MM-C-2 [16]. a) b) a) b) Rys. 6. Uk ady mielenia m ynów mieszad owych: a) z cyrkulacj mlewa, b) z cyrkulacj mlewa i zbiornikiem; 1 m yn, 2 nap d, 3 zbiornik nadawy, 4 pompa wody, 5 pompa mlewa, 6 zbiornik homogenizacyjny. Fig. 6. Schematics of milling systems of stirred ball mills: a) with grist circulation, b) with circulation and an extra tank; 1 mill, 2 drive 3 feed tank, 4 water pump, 5 grist pump, 6 homogenization tank. a) b) Rys. 7. Uk ady mielenia m ynów mieszad owych pracuj cych w cyklu zamkni tym: a) miel cy na mokro, b) miel cy na sucho; 1 m yn, 2 nap d, 3 zbiornik nadawy, 4 pompa wody, 5 pompa mlewa, 6 zbiornik homogenizacyjny, 7 klasy kator hydrauliczny, 8 klasy kator pneumatyczny. Fig. 7. Schematics of milling systems of stirred ball mills operating in a closed cycle: a) wet milling, b) dry milling; 1 mill, 2 drive, 3 feed tank, 4 water pump, 5 grist pump, 6 homogenization tank, 7 hydraulic classi er, 8 pneumatic classi er. MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 2, (2013) 243

Uk ady mielenia zamieszczone na Rys. 6 i 7 s najcz - ciej stosowane. W przemy le wyst puje jeszcze szereg odmian tych uk adów specjalizowanych do konkretnych technologii. Na przyk ad do mielenia na mokro stosuje si uk ady otwarte i uk ady z podwójnym obiegiem (cyrkulacj ) mlewa. Przy mieleniu na sucho m yny mog pracowa w uk adach otwartych, lub z klasy katorami ziarnowymi, którymi mog by przesiewacze wibracyjne (przy mieleniu drobnym) lub separatory turbinowe (przy mieleniu bardzo drobnym). 5. Podsumowanie Wzrost zapotrzebowania na proszki, mikroproszki oraz nanoproszki w technologiach materia owych, chemicznych i farmaceutycznych spowodowa post p w dziedzinie m ynów umo liwiaj cych wytwarzanie tego rodzaju proszków obejmuj cy równie m yny mieszad owe. Obserwowany w ostatnich dwudziestu latach post p w rozwoju konstrukcji m ynów mieszad owych stymulowany by przez: zwi kszenie nak adów na prace badawcze, zw aszcza przez przemys górniczy, ceramiczny, elektroniczny oraz rozwój nanotechnologii, post p w in ynierii materia owej opracowanie nowych materia ów konstrukcyjnych (metalicznych, ceramicznych i polimerowych), a dzi ki temu nowych rozwi za konstrukcyjnych wirników, komór, separatorów i instalacji, rozwój nowych technologii wytwarzania, w tym wirników i mielników odpornych na zu ycie oraz silników elektrycznych i hydraulicznych, rozwój technologii wzbogacania rud, wymagaj cych produktów rozdrabniania o uziarnieniu poni ej 7 m, zw aszcza przy rudach z ota, cynku, czy miedzi, praktyk przeróbki mechanicznej bardzo drobnego mielenia w górnictwie: wykazano, e uziarnienia produktu mielenia 0-7 m, a nawet 0-15 m jest w m ynach grawitacyjnych (kulowych) bardzo trudne do uzyskania, mniejsze koszty eksploatacji m yna mieszad owego w porównaniu z m ynem kulowym, w szczególno ci mniejsze jednostkowe zapotrzebowanie na energi przy wytwarzaniu produktów mielenia o uziarnieniu 0-7 m, a nawet 0-15 m. Literatura [1] Heim, A.: Procesy mechaniczne i urz dzenia do ich realizacji, ód, Wyd. Polit. ódzkiej 1996. [2] Pampuch, R., Haberko, K., Kordek, M.: Nauka o procesach ceramicznych, Warszawa, PWN, 1992. [3] Heim, A., Solecki, M.: In ynieria i Aparatura Chemiczna, 1, 50, (2011), 9-10. [4] Pasher, C.I. Crushing and Grinding Process Handbook, Ed. J. Wiley, Chichester, 1987. [5] Kwade, A. et al.: Motion and stress intensity of grinding beads in a stirred media mill. Part2: Stress intensity and its effect on comminution, Powder Technology, 86, (1995), 69-76. [6] Rule, C.M.: Journal of Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 111, (2011), 101-107. [7] Tamblyn, R.J.: Analysis of Energy Requirements in Stirred Media Mills, School of Chemical Engineering, The University of Birmingham, 2009. [8] www.atritor.com [9] www.netzsch-grinding.com [10] www.eirich.com [11] www.unionprocess.com [12] Basics in Mineral Processing, Edition 7, 2010, www.metso.com [13] Höf, K.: Zerkleinerungs- und Klassiermaschinen, Deutscher Verlag für Grundstof ndustrie, Leipzig, 1985. [14] Schubert, H.: Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, Leipzig, Deutscher Verlag für Grundstof ndustrie, 1989. [15] Sidor, J., Sidor, M.: Badania, dobór parametrów i opracowanie laboratoryjnego m yna mieszad owego o pojemno ci komory 1 l do koloidalnego mielenia tworzyw ceramicznych, PNT Omega, Kraków, 1999, (praca niepublikowana). [16] Sidor, J., Stankiewicz, A., Wierba, W. i inni: Opracowanie za o e, konstrukcji i wykonanie wysokoenergetycznego m yna typu atrytor, PNT Omega, Kraków, 2000, (praca niepublikowana). Otrzymano 12 wrze nia 2012, zaakceptowano 29 listopada 2012 244 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 65, 2, (2013)