1 開發背景
當前,國內紙面石膏板生產企業在紙面石膏板生產中主要以再生二水石膏粉和生石膏粉作為促凝劑。但再生二水石膏粉的粒度較大,一般在0.01~0.02 mm,比表面積較小,僅為6000~7000 cm2/g 左右。因此,在紙面石膏板生產中為使促凝劑發揮正常的促凝作用,勢必增大其加入量,這就造成料漿中含水量增加、生產中能耗提高、板材性能降低等缺點。
基于再生二水石膏粉的上述缺點,一些紙面石膏板生產企業普遍青睞于用生石膏粉和淀粉按一定比例在臥式攪拌磨(紙面石膏板行業內俗稱小球磨機) 中粉磨超細粉作為促凝劑。該促凝劑粒度小,可達0.01 mm 以下,比表面積大,超過10000 cm2/g。用粉磨后的超細粉配制成促凝劑,可大大改善前述生產中存在的問題,其最大優點是對紙面石膏板的初凝時間影響較少,但能顯著縮短初凝、終凝的時間間隔。分析該促凝劑的作用機理,主要是生石膏粉與一定比例淀粉復合配制的促凝劑,使生石膏粉微晶的表面包裹一層細顆粒淀粉,生產中促凝劑在與石膏料漿接觸后,首先是促凝劑表面包裹的淀粉溶解糊化,而后才露出生石膏粉微晶,這樣使其在料漿中起促凝作用的時間推遲;另外,通過粉磨,該促凝劑比表面積增大,加入的量非常少就能達到生產工藝要求,這對降低生產能耗、提高板材性能大有益處。
根據目前紙面石膏行業對磨細設備的需求,中國新型建筑材料工業杭州設計研究院于2007 年成功開發了Ф0.4×2.86 臥式攪拌磨,主要為紙面石膏板生產中通過超細粉磨原料,以達到優化工藝、減少促凝劑用量、降低能耗等作用。該設備即將在“沙特2000 萬m2/a 紙面石膏板生產線”項目中應用。
2 臥式攪拌磨的開發
2.1 臥式攪拌磨的粉磨機理
臥式攪拌磨與普通球磨機的粉磨機理不同,磨內置有攪拌器,攪拌時輸入的功率通過攪拌器來推動研磨介質以達到磨細物料的目的,而普通球磨機或振動磨為通過轉動或振動筒體達到粉磨的原理。由于臥式攪拌磨在攪拌時不需轉動或振動筒體,因此,能耗比普通球磨機和振動磨都低。臥式攪拌磨通過攪拌器推動研磨介質與物料作多維循環運動和自轉運動,在研磨介質和物料中綜合了動量和沖量的作用。研磨過程中物料所受作用力主要有:(1)研磨介質間相互沖擊、碰撞產生的沖擊力;(2)研磨介質運轉中產生的摩擦力和剪切力;(3)研磨介質填入攪拌器所留下空間形成的沖擊力;(4)各層介質速度差形成的剪切力等。在上述各作用力的綜合作用下,物料被研磨達到亞微米級,并且得到的物料為均勻分散體。因此,新開發的臥式攪拌磨是一種能量利用率較高并兼具研磨、攪拌和分散作用的多功能超細粉磨設備。
2.2 臥式攪拌磨的主要技術性能
臥式攪拌磨額定產量300 kg/h。研磨筒是物料磨細、均化分散的場所,也是受研磨介質沖擊和摩損最嚴重的部位,研磨筒直徑0.4 m,長度2.86 m,為了確保其使用壽命,本設計的研磨筒采用了硬度和韌性兼具的耐磨材料;為了降低研磨筒因研磨介質沖擊和摩擦而產生的熱量對產品性能的影響,在研磨筒外設置了水套結構,通過循環水對研磨筒進行及時冷卻,通水量15 L/min。為防止水路短路,同時使水流對研磨筒體冷卻充分,確保研磨筒足夠的冷卻面積,水套內對水流流向進行了強制設計;研磨筒上方的檢修口設計得比較大,以便于研磨介質的裝填與調配,同時配置了可以快速拆裝的檢修蓋,大大提高了檢修效率。進出料口均配置蓖板,以防止研磨介質從進料口飛出或隨產品從出料口排出;攪拌器是臥式攪拌磨傳遞能量的核心部件,它與研磨筒內壁的間隙應均勻合理,否則在研磨介質工作期內會發生介質“卡塞”現象。本設計將其均勻分成4 個區域,每個區域均盛裝一定配比的等量的研磨介質(Ф0.4×2.86 臥式攪拌磨結構示意見圖1)。
2.3 研磨介質的組合設計
研磨介質是產品細度、產量和生產效率的決定性因素。研磨介質的粒徑越大,產品粒徑就越大,產量就越高;反之研磨介質的粒徑越小,產品粒徑就越小,產量就越低。一般根據給料的粒度和產品的細度要求確定研磨介質的粒徑大小;研磨介質密度決定了沖擊力作用的強弱,在一定條件下,密度越大,沖擊力越強,研磨能力就越強,研磨效率就越高;研磨介質的填充量應該適當,填充量太大將影響產品產量,填充量太小將影響研磨效率和產品細度。
中國新型建筑材料杭州設計研究院開發的臥式攪拌磨的研磨介質由Ф25 mm、Ф30 mm、Ф35 mm三種球形介質按一定配比組合而成。在連續研磨過程中,攪拌磨內很難在長時間工作中保持介質球配比不變,介質球直徑差別太大會加劇介質球間無效磨損,即大球對小球的研磨,使研磨過程成本加大。為了降低成本,我們多采用補充大球方法來恢復攪拌磨的研磨能力。
介質球的配比直接關系到研磨能力能否發揮以及如何降低研磨介質的能量損耗,在生產實踐過程中針對具體物料(不同配比)不斷摸索出適合自身工藝特點的介質球配比方案和能耗規律,及時補充介質球,適時清倉剔除過小的無效介質球。
2.4 臥式攪拌磨的優點
在石膏板生產線的料漿中加入生石膏粉作為促凝劑,要求促凝劑磨得越細越好,越干燥越好,并且要邊制備邊使用,才能使促凝劑晶形松散,顆粒小,比表面積大,達到較小加入量即可起到良好的促凝效果的要求。在石膏板生產線的凝固控制系統中,本設備的進出料口與上下游設備密封連接,完全能夠滿足上述對促凝劑的要求并實現自動化連續生產。
(1)產品細度和產量易于調節。通過改變攪拌器的旋轉速度,介質球的大小、配比和進料口料流的速度等來調節產品的細度和產量。
(2)能量利用率高。本設計利用高密度小直徑的研磨介質提高研磨效率,比常規臥式磨機節能50%。
(3)與同等技術水平的進口設備比較,投資少,維修方便,具有顯著的綜合經濟效益。
(4)利用以摩擦力為主的作用力研磨物料,能有效磨細物料,產品可磨至亞微米級。
(5)重心較低,震動小,運轉平穩,噪音低。
(6)結構簡單,操作容易。
(7)研磨介質壓力均勻。
2.5 粉磨中需注意的問題
研磨過程中必須調節攪拌器使之處于合適的回轉速度?;剞D速度過高,研磨介質緊貼研磨筒壁回轉,起不到研磨作用;回轉速度太低則研磨介質拋起的高度不夠,導致研磨介質和物料間無足夠的摩擦、沖擊和剪切作用,影響產品的細度和產量。當研磨介質的配比、填充率和攪拌器的回轉速度確定后,工作中通過調節進料的料流速度和控制物料在研磨筒內滯留的時間來保證產品的最終細度和產量。
3 結語
在開發臥式攪拌磨過程中,我們本著嚴謹求實的科學態度,搜集了大量國內外相關資料,相關企業給出了有益的意見和建議,并對設備的制造進行了全程技術指導和質量控制,設備制造完成后進行了生產性實驗,記錄了詳細的實驗數據,為今后開發不同規格的臥式攪拌磨積累了經驗,也為臥式攪拌磨的系列化奠定基礎。
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