Производство технической керамики. Тонкое измельчение материалов

Для изготовления изделий многих видов технической керамики исходные материалы обычно измельчают до зерен размером около 1—3 мкм, а иногда и меньше. В практике производства выбор метода измельчения и соответствующего помольного агрегата связан с технологическими и экономическими соображениями, а именно: с необходимой степенью дисперсности измельченного материала; с требуемой по технологическим соображениям степенью чистоты измельчаемого материала; с масштабом производства.

Тонкий помол мелкозернистых масс и порошков осуществляют в настоящее время главным образом в шаровых и вибрационных мельницах, реже в струйных мельницах.

Помол в шаровых мельницах. Применяют в основном шаровые мельницы периодического действия, в которых можно измельчать материалы сухим и мокрым способами. Однако мокрый способ более эффективен, так как за одинаковое время при мокром способе достигается большая дисперсность материала.

Сухой способ, как правило, ограничивает предел измельчения материала. Вследствие сильного увеличения удельной поверхности измельчаемого материала и возрастания в связи с этим адгезионных сил наступает период, когда измельчение практически заканчивается и материал начинает комковаться и прибиваться к стенкам мельницы.

Для помола материалов используют шаровые мельницы с кремневой, фарфоровой, корундовой, стеатитовой, резиновой или другой футеровкой, а также без футеровки (стальные). Если по технологическим соображениям засорение материала недопустимо или сильно ограничено, то футеруют мельницы клепкой, изготовленной из того же материала, который измельчают, например корундом, стеатитом, титанатом бария и т. д., при этом мелющие тела должны быть одноименного состава.

Помол материалов в шаровых мельницах и кинетика их измельчения до высокой степени дисперсности (dcp= 1 - 2 мк) зависят от типа и размера мельницы, формы, размеров и плотности мелющих тел, соотношения массы мелющих тел и размалываемого материала, влажности суспензии (при мокром помоле), твердости и.хрупкости материалов и ряда других факторов.

Степень измельчения порошковых материалов удобно оценивать среднеповерхностным диаметром dcp, который вычисляют по данным седиментационного анализа по формуле, мкм.

где di — средний диаметр определенной фракции, мкм; ai — содержание соответствующей фракции, % по массе.

Средний диаметр отдельных фракций определяют как среднеарифметическое значение максимального и минимального размеров этой фракции. Распространен и другой способ оценки дисперсности порошков— по удельной поверхности. Удельная поверхность растет обратно пропорционально радиусу частиц. Для определения удельной поверхности используют в основном два метода: метод, основанный на низкотемпературной адсорбции азота, и метод, основанный на сопротивлении .воздуху, проходящему через слой порошка определенной толщины. Эти методы не дают в ряде случаев совпадающих результатов определений. Различие результатов измерений объясняется тем, что по методу низкотемпературной адсорбции измеряют всю внутреннюю поверхность микроскопических пор в отдельных зернах. Пневматические методы дают заниженные результаты, так как они не определяют поверхности пор в отдельных зернах.

Близко совпадающие результаты получают, если порошки состоят из плотных беспористых или почти беспористых зерен. По результатам определения удельной поверхности можно с известным приближением определить средний размер частиц, мкм, пользуясь формулой

где γ — плотность, г/см3; Sуд — удельная поверхность, см2/г.

На помол порошков в шаровых мельницах влияют форма, размер и плотность мелющих тел. При мокром способе помола в шаровых мельницах основной вид разрушения— истирание. Помол будет наиболее интенсивен, если при равной массе истирающая поверхность мелющих тел будет более развита. Поэтому целесообразно применять мелющие тела цилиндрической формы, у которых площадь истирания по образующей цилиндра во много раз больше, чем при истирании шарами, у которых возможно только точечное соприкосновение. Эффективность помола также возрастает при использовании мелких шаров, площадь соприкосновения которых по сравнению с крупными шарами возрастает пропорционально кубу уменьшения диаметра. Помолу способствует повышение плотности мелющих тел. В производстве технической керамики, особенно высокоглиноземистой, широко применяют мелющие тела из высокоглиноземистого уралита, обладающего большой прочностью, высокой плотностью и малой истираемостью.

Эффективность помола, т. е. время, необходимое для достижения заданной дисперсности, например 1 мкм, повышается при увеличении массовой доли шаров в загрузке или, что то же самое, при изменении массового соотношения шаров и размалываемого порошка. Так, если измельчать глинозем стальными шарами, то при изменении соотношения от 1:1,5 до 1:4 скорость помола глинозема до среднеповерхностного диаметра 1 мкм возрастает примерно в 2—3 раза.

При мокром способе надо соблюдать определенную влажность суспензии. Для разных по своей природе порошков влажность колеблется в пределах 40—60%, но при этом суспензия должна быть подвижной и движение мелющих тел в ней не должно быть резко замедленным. Если суспензия густая и вязкая, то измельчение практически прекратится.

Помол в вибрационных мельницах. Как и в шаровых мельницах, в вибрационных можно измельчать материалы сухим и мокрым способами. В качестве мелющих тел приняты металлические или керамические тела соответствующего состава. Для сохранения чистоты размалываемого материала такие мельницы можно футеровать резиной или керамикой одинакового с размалываемым материалом состава.

Основное достоинство вибрационных мельниц — значительное сокращение времени измельчения порошков для достижения равной дисперсности по сравнению с помолом в шаровых мельницах. В вибрационных мельницах помол керамических порошков до среднего диаметра 1—2 мкм практически заканчивается за 1 ч. В шаровой мельнице для этого требуется иногда до 10— 20 ч. Для помола керамических порошков должны быть подобраны наиболее рациональные режимы, которые зависят от частоты и амплитуды колебаний, формы, размеров и плотности мелющих тел, соотношения между массами измельчаемого материала и мелющих тел, хрупкости и твердости размалываемого материала, степени заполнения и размера мельницы.

Тонкое измельчение порошков в вибрационной мельнице связано с хрупкостью и твердостью материалов. Для чистых оксидов (А12O3, MgO и др.) измельчение будет зависеть от термической истории этого оксида. В такой же степени это относится к синтезированным соединениям: муллиту 3Al2O3-2SiO2, клиноэнстатиту MgO-SiO2, титанату бария ВаТiO3 и др.

 
 

   

Copyright © 2011