1、引言
重鈣是重質碳酸鈣的簡稱,由天然的碳酸鹽礦物如方解石、大理石、石灰石經過破碎處理所得。在造紙行業主要用作填料和涂料,可以提高紙張的不透明度、增加紙張的吸墨性以及增強紙張的柔軟性及光澤度。重鈣超細研磨常用設備有以下幾種,如PX mill,GAW系統,邁士通磨機,美卓SMD,美國Union Process公司、日本細川公司、國內聯成等生產的超細攪拌磨等,砂磨機設備也逐漸向大型化和自動化方向發展。
隨著造紙業重鈣質量要求的日益提高,重鈣濕法超細研磨技術也不斷改進,如何提高研磨效率同時降低研磨能耗日漸得到造紙企業的重視。研究表明,在研磨設備確定的前提下,研磨介質制度對超細研磨效率、產量、細度、窄粒徑分布等有重要影響,但是對重鈣研磨能耗方面的成果較少,尤其是如何選擇合適的研磨介質來降低能耗的研究報道。本實驗使用自行研制的5L立式砂磨機為濕法超細設備,深入研究了研磨介質比重、填充率、尺寸對重鈣研磨效率和能耗的影響,旨在對大型立式重鈣超細研磨設備中磨介的選擇提供參考。
2、實驗部分
2.1 實驗材料
重鈣粉體:d50,21.4μm,江蘇省陶瓷研究所提供,化學成分如表1所示;分散劑由國內某重鈣生產廠家提供。
研磨介質采用江蘇錫陽研磨科技有限公司自產的陶瓷球、鋯鋁復合球和硅酸鋯球,物理性質如表2。
表1 重鈣化學成分表
Tab.1 Chemical composition of ground calcium carbonate powder
組分 |
CaO |
SiO2 |
Al2O3 |
MgO |
Fe2O3 |
K2O |
TiO2 |
LOI |
質量分數/% |
54.52 |
2.19 |
0.313 |
0.201 |
0.0929 |
0.0186 |
0.0121 |
42.59 |
表2 研磨介質物理性質表
Tab. 2 Physical properties of different grinding media
研磨介質 |
密度g/cm3 |
莫氏硬度 |
硅酸鋯球 |
>4.00 |
7.5 |
鋯鋁復合球 |
>3.20 |
8 |
陶瓷球 |
>2.65 |
7 |
2.2 實驗儀器
粒度分析儀:BT-9300Z型激光粒度分析儀,遼寧丹東百特儀器有限公司。
磨機:自主研制5L立式砂磨機,三層研磨棒,聚氨酯內襯,2.2kw電機,自帶能耗測試裝置。
2.3 實驗設計
影響重鈣研磨效率和能耗的因素有很多,如原料的性質、機器的結構設計、分散劑的選擇及用量、磨珠比重、磨珠填充率以及磨珠尺寸和配比等[7]。參考國內重鈣行業的工況條件,并結合本實驗條件,選取了三個較為顯著的影響因素,研究了磨珠比重、填充率和磨珠尺寸對重鈣超細研磨能耗的影響,得出最佳超細研磨工藝選擇次序和條件。3個因素中每個因素選擇3個有代表意義的水平數,所選水平值參考了實際生產中所用數據。全實驗為27組,正交實驗則僅需9組,正交實驗因素和水平設計如表3所示。
表3 正交實驗因素水平表
Tab.3 Factors and levels of orthogonal experiment
因素 |
水平 |
1 |
2 |
3 |
A |
磨珠比重 g/cm3 |
2.70 |
3.20 |
4.00 |
B |
磨珠填充率 % |
40 |
50 |
60 |
C |
磨珠尺寸 mm |
1.0(0.8-1.2) |
2.0(1.8-2.2) |
3.0(2.7-3.3) |
2.4 實驗過程
稱取1kg重鈣粉料加入磨機,按照填充率稱取一定質量的磨珠加入磨機,固含量設計為70%,分散劑加入量7‰,磨機線速度8m/s,研磨時間30min。每隔5min記錄能量消耗值,同時取樣測試粒度,所測d65數據與市場65級重鈣特征指標相同,故選取d65數據用于后文分析。
2.5 能耗計算
研磨過程中能量消耗由編程軟件計算所得:
公式中:
T——旋轉力矩, N/m;
F——扭力,N,由測力傳感器測得;
p瞬——瞬時功率,W;
r——旋轉半徑,m;
n——研磨軸轉速,r/min,由安裝在磨機主軸上軸編碼器測得;
W累——累計功,kwh,由編程軟件毫秒讀取瞬時功率累積計算而得。
3、結果與討論
3.1 正交實驗及計算結果
本實驗為3因素3水平的正交實驗,考慮用相同水平數的正交設計表L9(34),實驗設計和實驗結果如表4-6所示。
表4 d65隨研磨時間變化表(d65,μm)
Tab.4 d65 values in different grinding time
實驗 |
研磨時間/min |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
1 |
4.537 |
3.727 |
2.861 |
2.548 |
2.245 |
2.008 |
2 |
3.383 |
3.066 |
2.408 |
2.115 |
1.910 |
1.771 |
3 |
3.755 |
2.892 |
2.241 |
2.005 |
1.883 |
1.741 |
4 |
3.696 |
3.263 |
2.616 |
2.315 |
2.175 |
2.114 |
5 |
3.953 |
2.600 |
2.048 |
1.463 |
1.376 |
1.242 |
6 |
3.270 |
3.323 |
1.880 |
1.666 |
1.385 |
1.250 |
7 |
3.877 |
2.735 |
2.214 |
1.934 |
1.693 |
1.508 |
8 |
3.395 |
2.838 |
2.288 |
2.045 |
1.785 |
1.615 |
9 |
3.130 |
1.919 |
1.466 |
1.181 |
0.998 |
0.928 |
表5能耗隨研磨時間變化表(能耗,kwh)
Tab.5 Energy consumptions in different grinding time
實驗 |
研磨時間/min |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
1 |
0.023 |
0.040 |
0.055 |
0.071 |
0.087 |
0.103 |
2 |
0.048 |
0.096 |
0.146 |
0.194 |
0.242 |
0.291 |
3 |
0.067 |
0.131 |
0.198 |
0.261 |
0.321 |
0.382 |
4 |
0.046 |
0.094 |
0.140 |
0.191 |
0.240 |
0.285 |
5 |
0.040 |
0.081 |
0.121 |
0.162 |
0.201 |
0.242 |
6 |
0.060 |
0.118 |
0.177 |
0.240 |
0.299 |
0.360 |
7 |
0.045 |
0.091 |
0.139 |
0.185 |
0.236 |
0.281 |
8 |
0.078 |
0.170 |
0.241 |
0.311 |
0.384 |
0.449 |
9 |
0.063 |
0.134 |
0.201 |
0.260 |
0.315 |
0.385 |
將表4和表5中d65數據和能耗數據進行擬合,得到d65變化和能量消耗的關系,如圖1所示。每個實驗的冪次擬合度均大于0.98,擬合度較高,由擬合公式計算出d65為2μm(即市場65級重鈣粒度指標)時所需的能耗值,換算為噸能耗值列入表6進行直觀分析。
圖1 能耗和d65數據擬合圖
Fig 1 The fitting figure of indicative grinding energy and d65 value
將表4中的粒度數據和研磨時間進行擬合,如圖2所示。每組實驗的多項式擬合度均大于0.99,擬合度較高。由擬合公式計算出d65為2μm時的研磨時間,再計算出每組實驗的產量值,列入表6進行直觀分析。
圖2 d65隨研磨時間變化圖
Fig 2 The fitting figure of d65 value in different grinding time
表6 正交實驗及計算結果
Tab.6 Orthogonal experiments and the calculated results
試驗 |
磨珠比重g/cm3 |
填充率% |
磨珠尺寸mm |
空列 |
噸能耗kwh/t |
產量
kg/h |
1 |
1(2.7) |
1(40) |
1(1.0) |
1 |
106 |
1.95 |
2 |
1(2.7) |
2(50) |
2(2.0) |
2 |
220 |
2.64 |
3 |
1(2.7) |
3(60) |
3(3.0) |
3 |
273 |
2.83 |
4 |
2(3.2) |
1(40) |
3 |
2 |
320 |
1.79 |
5 |
2(3.2) |
2(50) |
1 |
3 |
115 |
4.23 |
6 |
2(3.2) |
3(60) |
2 |
1 |
156 |
4.58 |
7 |
3(4.0) |
1(40) |
2 |
3 |
168 |
3.33 |
8 |
3(4.0) |
2(50) |
3 |
1 |
298 |
2.97 |
9 |
3(4.0) |
3(60) |
1 |
2 |
123 |
6.42 |
噸能耗 |
|
|
|
|
|
|
K1 |
199.7 |
198.0 |
114.7 |
186.7 |
|
|
K2 |
197.0 |
211.0 |
181.3 |
221.0 |
|
|
K3 |
196.3 |
184.0 |
297.0 |
185.3 |
|
|
R值 |
3.3 |
27.0 |
182.3 |
35.7 |
|
|
產量 |
|
|
|
|
|
|
K1 |
2.47 |
2.36 |
4.20 |
3.17 |
|
|
K2 |
3.53 |
3.28 |
3.52 |
3.62 |
|
|
K3 |
4.24 |
4.61 |
2.53 |
3.46 |
|
|
R值 |
1.77 |
2.25 |
1.67 |
0.45 |
|
|
3.2 正交實驗結果分析
通過正交實驗分析各組實驗的結果和極差能看出每個因素對指標的影響趨勢,繪制各因素水平圖和指標值關系圖,如圖3所示。結合表6中能耗的極差R值可以看出,磨珠尺寸的極差值最大,其次是磨珠填充率,磨珠比重的極差值最小。故每個因素對超細研磨能耗的影響顯著性順序為:磨珠尺寸>磨珠填充率>磨珠比重。其中誤差列的極差R值大于磨珠比重和填充率的極差值,故認為影響研磨能耗的最主要因素為磨珠尺寸,磨珠比重與填充率對研磨能耗影響相對較小。
圖3 各因素的噸能耗數據
Fig.3 Energy consumption of each factor
磨珠尺寸是影響能耗的最關鍵因素。隨著研磨介質尺寸的增加,噸能耗不斷增大。使用立式砂磨機對重鈣超細研磨,磨珠比重和填充率固定的前提下,加入磨珠的質量也固定。相同質量的研磨介質平均粒徑小的個數多,和物料研磨接觸的機會多,研磨效率就高,d65值達標時間短,消耗能量少故能耗低。在實際生產中,選擇小尺寸研磨介質可以提高流量,有利于控制出口溫度,并且能降低綜合能耗。但磨珠尺寸過小也會帶來研磨效率的下降,影響生產操作。此外,磨珠尺寸小,使用壽命相對較短,磨珠消耗成本也會增大。因此,要綜合多方面因素來選擇合適的磨珠尺寸。
由表6中產量的極差值R可以看出,磨珠填充率的極差值最大,磨珠比重填充率次之,磨珠尺寸最小。
故各因素對研磨效率的影響顯著性為,磨珠填充率>磨珠比重>磨珠尺寸。介質填充率對超細研磨影響實質是介質之間的接觸機會并與物料有效作用程度的反映。研磨介質填充率過小,則介質和重鈣物料撞擊、摩擦、剪切作用的幾率就小,研磨效果較差,d65值達標所需時間長,消耗能量多噸能耗高。研磨介質填充率高,能增加介質和物料的作用幾率,物料更容易被磨細,研磨耗時短效率高噸能耗低。當介質填充率增加到一定程度時,會超過機器的啟動負荷導致無法啟動,同時也會降低介質和物料間的有效接觸幾率,反而會增加球耗和對機器內襯及研磨軸的損傷。在實際生產過程中介質填充率的選擇應同時考慮砂磨機的有效容積,攪拌軸結構,機器電機大小,內襯材質等因素,并且在實際研磨操作中不斷進行工藝優化。
研究表明,機器線速度和磨珠尺寸相同時,單位體積研磨介質獲得的動能大小只和研磨介質的比重有關。比重高的磨珠給予的能量高,比重低的磨珠給予的能量低。在填充率和磨珠尺寸固定前提下,比重低的磨珠攜帶能量低瞬時功率小,d65值達標時間長,產量低;比重高的磨珠瞬時功率大,d65值達標時間短,產量高,但總體消耗的能量差別不大??紤]到高比重磨珠可帶來產量的提升,故目前大多數廠家磨珠已逐漸使用高比重替換低比重磨珠。
綜合以上各因素對重鈣超細研磨過程能耗和產量的分析,認為減小磨珠尺寸,有助于降低整體研磨能耗;提高磨珠填充率和磨珠比重有助于提高產量。結合產量與能耗選擇本實驗最優組合為:磨珠尺寸1mm,磨珠填充率60%,磨珠比重4.0g/cm3,生產65級重鈣漿料噸干粉能耗為123kwh/t,產量可達6.42kg/h。
4、結論
1)使用實驗室5L立式砂磨機進行重鈣研磨,影響其超細能耗的各因素由大到小的順序為:磨珠尺寸>磨珠填充率>磨珠比重。減小磨珠尺寸,提高磨珠填充率和磨珠比重有助于提高研磨效率,降低噸能耗。
2)實驗優化所得重鈣超細研磨產量最大最節省噸能耗的工藝條件是:磨珠尺寸為1mm,填充率選擇為60%,磨珠比重選擇為4.0g/cm3,生產65級重鈣漿料噸干粉能耗為123kwh/t,產量可達6.42kg/h。
本文作者為王俊甫1,高廣智2,廖建中2,侯磊1,鄧偉2,曹燦2(1. 中輕金石進出口有限公司,北京 100021;2. 江蘇錫陽研磨科技有限公司,江蘇 宜興 214222),文章收錄在第十五屆全國非金屬礦礦物加工利用技術交流會論文集中。
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