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Drais Control system
(奈米級高速攪拌珠磨機之操控流程)

若欲有效率地得到奈米級粉體之分散研磨,漿料之前處理研磨機循環桶槽之各要素均需具備缺一不可。

奈米級高速攪拌珠磨機之操控流程
 

 

漿料之前處理
磨球大小

最後

粒徑

um

起始

粒徑

um

漿料

黏度

cps

成份

%(wt)

Rotor

轉速

m/sec

濾網

間隙

mm

0.3-0.4 mm

< 0.1

< 20

< 100

< 35

>10.5

0.15/0.1
0.4-0.6 mm

< 1

< 40

< 1000

< 60

>10

0.22/0.2
0.7-0.9 mm

< 2

< 80

< 2000

< 70

>9

0.3/0.35
0.9-1.1 mm

< 10

< 150

< 5000

< 75

>8

0.5
1.75-2.5 mm

< 20

< 150

< 100000

< 83

>6.5

0.6
表(一)奈米級高速攪拌珠磨機各種不同大小磨球之選擇參考法則

為了達到上述表(一)要求,於前處理或預攪拌時,需依下列法則準備研磨前之漿料,整理如下:

  (1) 先決定所欲研磨之最後粒徑需求(target fineness)。
(2) 將漿料之黏度(viscosity)﹑固成分﹑研磨前之粒徑大小(start fineness)依Target之粒徑做準備並滿足表(一)之需求。
(3) 預攪拌或前處理系統攪拌葉片之轉速需為High speed設計。建議切線速度為2-6 m/sec以避免漿料沈澱或不均勻問題產生。

研磨機部分
為了快速達到研磨粒徑要求且使研磨機可以正常地運轉,所需控制之法則及參數如下:
  (1) 依所需之粒徑要求選擇適當的磨球。
例如,若需達到奈米級之要求且避免磨球損耗,需選擇釔安定之氧化鋯磨球,莫氏硬度越大越好,磨球表面需為真圓,沒有孔隙,磨球之大小為0.3-0.4 mm。磨球選擇適當與否將會決定能否成功地研磨到所欲達到之粒徑要求。
(2) 依據磨球大小及漿料黏滯性調整適當的攪拌葉片轉速。
一般奈米級研磨,轉速需達10 m/sec以上。
(3) 控制研磨漿料溫度。
 一般奈米級漿料之研磨溫度需控制在40℃以下。影響到漿料溫度之主要參數為控制葉片之轉速﹑磨球充填率﹑研磨室熱交換面積大小﹑冷卻水條件及流量。
(4) 依據磨球大小調整適當之濾網間隙。一般濾網間隙為磨球直徑之1/2~1/3。
  (5) 調整Pump轉速。
在研磨室可以接受之壓力範圍內,Pump之轉速越大越好。如此,可以於同一研磨時間內增加漿料經過研磨機之研磨次數以得到較窄之粒徑分佈。
  (6) 記錄研磨機所需消耗之電力kW值。
  (7) 於取樣時,記錄每個樣品之比能量(specific energy)值,並於分析該粒徑大小後,將比能量與平均粒徑之關係做出,以利將來Scale up用。
  (8) 於達到所需之比能量值時即可停機。此時,原則上已達到所需研磨分散之平均粒徑要求了。

 

循環桶槽部分

一般欲得到奈米級粉體,均需利用研磨機研磨數十次,甚至上百次才可以達到奈米級粉體。為了節省人力及有利於自動化﹑無人化操作,筆者極力推薦使用循環式操作模式(recirculation operation mode)做奈米級粉體研磨。其主要之考慮重點如下:

  (1) 循環桶槽之大小不宜太大。一般若研磨機對大流量為3000 l/hr時,則桶槽最大容量為500 L。
一般循環桶槽大小為研磨機最大容許流量之1/5~1/10為宜,越小越好。如此可以增加循環桶槽內漿料於同一時間經過研磨機之研磨 以得到較好之粒徑分佈。
(2) 循環桶槽需有攪拌葉片設計,攪拌之速度不宜態快,以0-3 m/sec為宜以避免氣泡問題產生。
(3) 循環桶槽需有熱夾套層之設計以增加研磨效率。
    欲有效率地得到奈米級粉體之分散研磨,上述之前處理,研磨機及循環桶槽之各要素均需具備缺一不可。

奈米級粉體之分散研磨原理

以機械方法的濕式研磨方式是得到奈米級粉體最有效率且最合乎經濟效益之方法。

  (1) 研磨機為一密閉系統,在研磨機研磨室內放了適當材質大小的磨球
(2) 馬達利用皮帶傳動攪拌葉片將動力藉由磨球運動產生剪切力(shear force),漿料因Pump之推力於研磨室移動過程中與磨球因相對運動所產生剪切力而產生分散研磨效果。一旦,其粒徑小於研磨室內分離磨球與漿料之濾網間隙大小時,漿料將被擠出至出料桶槽以便得到分散研磨效果。上述過程為研磨1個pass,若尚未達到粒徑要求,則可以重複上述動作,進行第2個pass,第3個pass,…直到粒徑達到要求為止。
(3) 漿料之前處理及預攪拌(Pre-mixing)
    本系統能否成功地達到研磨或分散目的,主要靠研磨介質(即磨球)之大小及材質之選擇是否得當。以筆者曾規劃及實際試車數百廠之經驗,所選擇之磨球需為0.3-0.4 mm或以下。同時,為了讓那麼小的磨球能夠在研磨過程中不受漿料於X軸方向移動之推力影響而向前堵在濾網附近而導致研磨室因壓力太高因而停機,其攪拌葉片之切線速度需超過10 m/sec以上。同時,漿料之黏滯性需調整到100 CPS以下,以便讓磨球之運動不受漿料黏度影響。同時,漿料之固成分(solid content by weight)亦需控制在35%以下,以防研磨過程中因粉體比表面積之增加而導致黏度上升而無法繼續使用小磨球。當然,為了避免0.3-0.4 mm磨球經由濾網流出研磨室或塞在濾網上,所以濾網間隙需調整到0.1 mm。上述之關係可以整理成下列表(一)所示。

磨球大小對研磨結果之影響:不同磨球大小將影響所需之比能量值
  如圖(五)所示,不同磨球大小將影響所需之比能量值
當使用1.0-1.4 mm磨球研磨碳酸鈣時,需320 kWh/t,才可達到粒徑D80 < 2μm。
但當比能量E值達到96 kWh/t後,改用0.6-0.8 mm 磨球繼續研磨,則只需要比能量180 kWh/t,即可達到相同粒徑D80 < 2μm。
  若漿料之起始粒徑可以先處理的更小,例如20μm以下,則可以改用0.4-0.6 mm磨球研磨,相信達到D80 < 2μm所需之比能量值將再大大地縮小。
  由上述之研究及說明可以得知,磨球越小,則研磨效果越好,所需之比能量值越小。
圖(五)研磨得到相同漿料粒徑要求時,使用不同磨球大小與其消耗比能量與之關係



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