Hiukkaskokojen analysoinnissa käytettiin Beckman Coulter LS 13 320 partikkeliko-koanalysaattoria, joka käyttää laserdiffraktiomenetelmää, jossa hiukkaskoko määrite-tään optisesti. Laite lähettää valonsäteen, jonka taittokulma riippuu partikkelin koosta. Lopulta saadaan jauhenäytteen diffraktiomalli, josta voidaan Fraunhofer -laskentamallin avulla määrittää näytteen partikkelikokojakauma (tilavuusjakauma).
Partikkelikokoanalyysissä mitattiin kolme rinnakkaisanalyysiä jokaisesta näytteestä lähtöaine mukaan lukien. Analysaattorissa käytettiin eluenttina käänteisosmoosipuh-distettua vettä. Dispergointiaineita ei käytetty.
8 MITTAUSTULOSTEN KÄSITTELY JA MIT-TAUSTULOKSET
Beckman Coulter LS 13 320 partikkelikokoanalysaattorilla määritettiin moodi, medi-aani ja keskiarvopartikkelikoko kolmelle rinnakkaisnäytteelle. Levymäisellä sekoi-tinelimellä tehtiin kaksi rinnakkaista jauhatuskoetta. Tulokset on esitetty taulukoissa VI - VII. Tulokset eri rinnakkaisnäytteille on esitetty liitteessä I taulukoissa X - XIII.
Taulukko VI Mediaani. moodi ja keskiarvopartikkelikoko kalkkikivelle jauhaessa tappimaisella, levymäisellä ja uudella lapamaisella sekoitinelimellä pyörimisnopeudella 250 rpm.
Taulukko VII Mediaani. moodi ja keskiarvopartikkelikoko kalkkikivelle jauhaessa tappimaisella, levymäisellä ja uudella lapamaisella sekoitinelimellä pyörimisnopeudella 500 rpm.
Jauhatuksen energiankulutuksen määrittämiseksi mitattiin lämpötilan nousu ensim-mäisen 15 minuutin aikana, sillä jauhatuksessa alkaa tapahtua lämpöhäviöitä jauha-tusajan kasvaessa. Myllyn ottotehon oletettiin olevan vakio. Mittaukset suoritettiin kaksi kertaa. Tulokset lämpötilan nousulle jauhettaessa tappimaisella, levymäisellä ja uudella lapamaisella sekoitinelimellä on esitetty taulukossa VIII.
Taulukko VIII Jauhatuksen lämpötilan nousu ensimmäisen 15 minuutin aika-na tappimaisella, levymäisellä ja uudella lapamaisella sekoi-tinelimellä. Pyörimisnopeudet olivat 250 rpm ja 500 rpm.
Pyörimisnopeus [rpm]
Lämpötilan muutos [°C]
Tappimainen Levymäinen Lapamainen
250 1,3 1,0 2,0
500 4,5 5,5 7,8
Energiankulutusta laskiessa on käytetty taulukossa IX esitettyjä ominaislämpökapasi-teetteja.
Taulukko IX Ominaislämpökapasiteetit kalkille, lasihelmille, muoville, teräkselle ja vedelle.[26]
Ominaislämpökapasiteetti [kJ/(kg K)]
Kalkki 0,91
Lasihelmi 0,75
Muovi 1,67
Teräs 0,49
Vesi 4,18
9 TULOKSET
Partikkelikokotulosten pohjalta jauhautuvuutta tutkittiin ajan funktiona. Jauhatustuot-teiden mediaanit jauhatusajan kasvaessa on esitetty kuvissa 19 ja 20.
Kuva 19 Kalkkikiven jauhautuvuus ajan funktiona käyttäen tappimaista, levy-mäistä ja uutta lapamaista sekoitinelintä pyörimisnopeudella 250 rpm.
1,0 10,0 100,0 1000,0
0 20 40 60 80
X50, [µm]
AIka, [min]
Tappisekoitin Levysekoitin Lapasekoitin
Kuva 20 Kalkkikiven jauhautuvuus ajan funktiona käyttäen tappimaista, levy-mäistä ja uutta lapamaista sekoitinelintä pyörimisnopeudella 500 rpm.
Jauhatuksen ominaisenergiankulutusta tutkittiin tuotteen hienonnusasteen funktiona.
Eri sekoitinelimien ominaisenergiankulutukset on laskettu käyttäen yhtälöä (8) ja tulokset on esitetty liitteessä I taulukoissa XIV ja XV. Ominaisenergiankulutuksen kasvua tuotekoon hienontuessa on esitetty kuvissa 21 ja 22.
1,0 10,0 100,0 1000,0
0 20 40 60 80
X50, [µm]
AIka, [min]
Tappisekoitin Levysekoitin Lapasekoitin
Kuva 21 Kalkkikivijauhatuksen ominaisenergiankulutus tuotteen hienonnusas-teen funktiona tappimaista, levymäistä ja uutta lapamaista sekoitinelin-tä pyörimisnopeudella 250 rpm
Kuva 22 Kalkkikivijauhatuksen ominaisenergiankulutus tuotteen hienonnusas-teen funktiona tappimaista, levymäistä ja uutta lapamaista sekoitinelin-tä pyörimisnopeudella 500 rpm
Jauhetun materiaalin partikkelimuodon ja karkean koostumuksen selvittämiseksi näytteestä (Levymäinen sekoitinelin, pyörimisnopeus 500 rpm, jauhatusaika 45 mi-nuuttia) otettiin SEM-kuva, joka osoittaa, että näyte koostui kalsiumkarbonaatista ja rautasulfidista. SEM-kuva näytteestä on esitetty kuvassa 23.
Kuva 23 SEM-kuva kalkkinäytteestä.
10 JOHTOPÄÄTÖKSET JA TULOSTEN TARKASTELU
Työn tarkoituksena oli tutkia hienojakoisen kalkkikiven jauhatusta panostoimisessa helmimyllyssä (V = 5 dm3) vertaillen tappimaista, levymäistä ja uutta lapamaista se-koitinelintä. Vertailussa oli tarkoitus selvittää, voiko uudella lapasekoitinelimellä saavuttaa paremman jauhatusasteen pienemmällä energiankulutuksella.
Mittaustulosten avulla tutkittiin kalkkikiven jauhautumista ajanhetkillä 0, 15, 30, 45 ja 60 minuuttia. Tuotteen mediaani, moodi ja keskiarvokoko eri ajanhetkillä käyttäen eri pyörimisnopeuksia on esitetty taulukoissa VI ja VII. Rinnakkaisnäytteiden tulok-set on esitetty liitteessä I taulukoissa X - XIII. Kalkkikiven jauhautuvuutta ajan funk-tiona on esitetty kuvissa 19 ja 20. Taulukoista sekä kuvista huomataan, että partikke-likoko laskee hyvin nopeasti ensimmäisen 15 minuutin aikana, jonka jälkeen hienon-tuminen on hitaampaa. Kuvasta 19 nähdään, että pyörimisnopeudella 250 rpm hie-nontuminen on tehokkainta jauhatuksen alussa käytettäessä levymäistä sekoitinelintä.
Jauhatuksen lopussa (60 minuuttia) ero hienoudessa ei ole enää niin suuri, mutta le-vymäisellä sekoitinelimellä saavutetaan pienin partikkelikoko. Pyörimisnopeudella 250 rpm, tappimaisella sekoitinelimellä päästään partikkelikokoon (x50) 3,05 µm, levymäisellä sekoitinelimellä kokoon 2,54 µm ja uudella lapamaisella sekoitinelimel-lä kokoon 3,02 µm. Kuvassa 20 on esitetty jauhautumista pyörimisnopeudella 500 rpm. Jauhatuksen lopussa, pyörimisnopeudella 500 rpm, lapamainen sekoitinelin on tehokkain. Tappimaisella sekoitinelimellä päästään partikkelikokoon (x50) 3,10 µm, levymäisellä sekoitinelimellä kokoon 2,48 µm ja uudella lapamaisella sekoitinelimel-lä kokoon 2,24 µm. Tulosten perusteella näyttää siltä, että pienelsekoitinelimel-lä pyörimisnopeudel-la pyörimisnopeudel-lapamaisen sekoitinelimen sekoitustehokkuus ei ole riittävän hyvä verrattuna perin-teisiin sekoitinelimiin, mutta sekoitustehokkuus paranee nopeasti pyörimisnopeuden kasvaessa.
Mittaustulosten avulla tutkittiin myös ominaisenergiankulutusta jauhatuksen aikana.
Tuloksia on esitetty kuvissa 21 ja 22 sekä liitteessä II taulukoissa XIV ja XV. Kuvista huomataan, että energiankulutus kasvaa hienonnusasteen kasvaessa. Pyörimisnopeu-della 250 rpm on energiankulutus voimakkainta uuPyörimisnopeu-della lapamaisella sekoitinelimellä.
Lapamainen sekoitinelin kuluttaa lähes puolet enemmän energiaa jauhaessa samaan tuotekokoon verrattuna tappimaiseen sekoittimeen ja yli kolme kertaa enemmän ver-rattuna levymäiseen sekoittimeen. Jauhettaessa tuotetta noin 3 µm:n kokoon tappi-maisen sekoitinelimen ominaisenergiankulutus on 22,59 kWh/t, levymäisen sekoi-tinelimen 10,21 kWh/t ja uuden lapamaisen sekoisekoi-tinelimen 36,39 kWh/t. Jauhettaessa pyörimisnopeudella 500 rpm, ero eri sekoitinelinten ominaisenergiankulutuksessa ei ole enää niin suuri kuin pyörimisnopeudella 250 rpm. Jauhaessa tuotetta hienouteen 3
µm, on tappimaisen sekoitinelimen energiankulutus noin 85 kWh/t, levymäisen se-koitinelimen noin 75 kWh/t ja uuden lapamaisen sese-koitinelimen noin 80 kWh/t.
Huomattavaa on, että pyörimisnopeuden noustessa nopeudesta 250 rpm nopeuteen 500 rpm kasvaa lapamaisen sekoitinelimen ominaisenergiankulutus vähän yli 2 suu-rempi, kun saavutetaan sama hienousaste kuin nopeudella 250 rpm.. Levymäisellä sekoitinelimellä ero on 10 kertaa suurempi ja tappimaisella neljä kertaa suurempi.
Mahdolliset virheet mittaustuloksissa johtuivat partikkelianalysaattorin epätarkkuuk-sista. Mitatuissa tilavuusjakaumissa esiintyi piikkejä ja yksi selvästi jakaumiin kuu-lumaton piikki 40–100 µm:n kohdalla. Piikit saattavat johtua mahdollisista ilmakup-lista, joita on syntynyt analyysin aikana.
Lopputuloksena voidaan todeta, että lapamainen sekoitinelin on tehokkaampi tuotteen jauhautumisen kannalta suuremmilla pyörimisnopeuksilla verrattaessa tappimaiseen ja levymäiseen sekoitinelimeen, mutta sen ominaisenergiankulutus on puolestaan suurempi kuin perinteisillä sekoitinelimillä pienemmillä pyörimisnopeuksilla. Pyöri-misnopeuden kasvaessa ominaisenergiankulutus tasoittuu. Jatkotutkimuksissa sekoi-tinelimiä pitäisi testata käyttäen useampaa eri sekoitusnopeutta sekä eri helmikokoja, jotta voitaisiin valita paras sekoitinelin eri olosuhteisiin. Sekoitinelimen valinnassa täytyy ottaa huomioon sekä materiaalin jauhautuminen että ominaisenergiankulutus.
Kirjallisuuslähteet
1. Abouzeid, A. -Z. M., Mineral Processing Laboratory Manual, TRANS TECH PUBLICATIONS, 1990, s. 60-61
2. Altun, O., Benzer, H., Enderle, U., Effects of operating parameters on the ef-ficiency of dry stirred milling, Hacettepe University, Mining Engineering De-partment, Elsevier, Turkki, 2012
3. Bel Fadel, H., Frances, C.,Wet batch grinding of alumina hydrate in a stirred bead mill, Laboratoire de Genie Chimique UMR, Elsevier, France, 2000 4. Bletcher, L., Kwade, A., Schwedes J., Motion add stress intensity of grinding
beads in a stirred media mill. Part 1: Energy density distribution and motion of single grinding beads, Institure of Mechanicql Process Enginee¢ing Tech-nical University of Braunschweig, Elsevier, Germany, 1994
5. Beke, B., The Process of Fine Grinding., Martinus Nijhoff / Dr W. Junk Pub-lishers, Hague, 1981, s. 9-12 – 74-76 - 112
6. Coulson, J. M., Richardson, J. F., Chemical Engineering, Vol. 2, 4th Ed., Per-gamon Press, Oxford, 1991, s. 55-92
7. Hukki, R. T., Mineraalien hienonnus ja rikastus, Otavan kirjapaino, Keuruu, 1964, s. 96-122 – 91 – 169-260
8. Jankovic, A.,Variables affecting the fine grinding of minerals using stirred mills, JKMRC, University of Queensland, Pergamon, Austraalia, 2002
9. Kwade, A., Wet comminution in stirred media mills — research and its prac-tical application, Elsevier, Saksa, 1999
10. Lukkarinen, T., Mineraalitekniikka, Vol. 1, 2nd Ed., Insinööritieto Oy, 1985, s.
71-74 – 87-112 – 175-248
11. Lynch, A. J., Mineral Crushing and Grinding Circuits, 1st Ed., ELSEVIER SCIENTIFIC PUBLISHING COMPANY, Amsterdam, 1977, s. 1-3 – 15-18 12. Matikainen, R., Kaivos- ja louhintatekniikan käsikirja, Vuorimiesyhdistys,
Hanko, 1982, s. 493-504
13. McKetta J. J., Encyclopedia of Chemical Processing and Design, Vol. 50, 10th Ed., MARCEL DEKKER, New York, 1995, s. 412-440
14. Pihkala, J., Prosessiteollisuuden yksikkö- ja tuotantoprosessit, [ONLINE], [Luettu 30.5.2013], http://prosessitekniikka.kpedu.fi/index-kg.htm
15. Prasher, C. L., Crushing and Grinding Process Handbook, 1st Ed., John Wiley
& Sons Ltd., Great Britain, 1987, s. 1-2 – 213-214
16. Prior, M., Size Reduction. In: Kirk-Othmer., (ed.) Encyclopedia of Chemical Technology, 4th Ed., John Wiley & Sons, New York, 1997, s. 279-295
17. Radziszewski, P., Assessing the stirred mill design space, McGill University, Elsevier, Kanada, 2012
18. Retch., Size reduction with Planetary Ball Mills, [ONLINE], [Luettu 1.7.2013],http://www.retsch.com/dltmp/www/11599720c6f6bf41f0/brochure_
planetary_ball_mills_en.pdf
19. Sepulvede, J. L., A Detailed Study on Stirred Ball Mill Grinding, Department of Metallurgy and Metallurgical Engineering, The University of Utah, 1981, s.
2-8
20. Snow, R. H., Kaye, B. H., Capes, C. E., Sresty, G. C., Size Reduction and Size Enlargement. In: Perry, R. H., (ed.) Perry’s Chemical Engineering’s Handbook, 6th Ed., Mcraw-Hill Book Co., Singapore, 1984, s. 8-20 – 8-48 21. Tuunila R., Helmimyllyjen jauhatuksen kokeellinen optimointi ja
panosjauhatuk-sen mallintaminen, Lipanosjauhatuk-sensiaatin työ, Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu, Lappeenranta, 1994, s. 35-37
22. Varino, C., Berthiaux, H., Dodds, J., Prediction of the product size distribu-tion in associadistribu-tions of stirred bead mills, IUT d’Orsay,Elsevier, France,1999 23. Wills, B. A., Wills’ Mineral Processing Technology, 7th Ed., Elsevier Ltd.,
Amsterdam, 2006, s. 13-14 – 108-111 – 118-138 – 146-182
24. Yaws, C. L., Solids Handling, McGraw-Hill Publications Co., New York, 1981, s. 175-188
25. Zhen, J,. Harris C, C., Somasundaran, P., A study on grinding and energy in-put in stirred media mills, Henry Krumb School of Mines, Columbia Univer-sity, Elsevier, USA, 1994
26. http://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-solids-d_154.html, [ON-LINE], [Luettu 1.10.2013]
Liitteet
Beckman Coulter LS 13 320 partikkelikokoanalysaattorilla määritettiin moodi, medi-aani ja keskiarvopartikkelikoko kolmelle rinnakkaisnäytteelle. Levymäisellä sekoi-tinelimellä tehtiin kaksi rinnakkaista jauhatuskoetta. Tulokset on esitetty taulukoissa X - XIII.
Taulukko X Moodi, mediaani ja keskiarvopartikkelikoko kalkkikivelle jauhaessa tappimaisella ja uudella lapamaisella sekoitinelimellä pyörimisnopeu-della 250 rpm.
Taulukko XI Moodi, mediaani ja keskiarvopartikkelikoko kalkkikivelle jauhaessa levymäisellä sekoitinelimellä pyörimisnopeudella 250 rpm.
Levymäinen 250 rpm
Taulukko XII Moodi, mediaani ja keskiarvopartikkelikoko kalkkikivelle jau-haessa tappimaisella ja uudella lapamaisella sekoitinelimellä pyörimisnopeudella 500 rpm.
Taulukko XIII Moodi, mediaani ja keskiarvopartikkelikoko kalkkikivelle jau-haessa levymäisellä sekoitinelimellä pyörimisnopeudella 500 rpm.
Eri sekoitinelinten energiankulutus on laskettu käyttäen yhtälöä (8) ja tulokset on esitetty taulukoissa XIV ja XV.
Taulukko XIV Uuden lapamaisen, tappimaisen ja levymäisen sekoitinelimen ominaisenergiankulutus pyörimisnopeudella 250 rpm jauhetta-essa kalkkikiveä.
Aika [min]
Ominaisenergiankulutus [kWh/t]
Lapa Tappi Levy
15 9,10 5,65 5,11
30 18,19 11,30 10,21
45 27,29 16,95 15,32
60 36,39 22,59 20,43
Taulukko XV Uuden lapamaisen, tappimaisen ja levymäisen sekoitinelimen ominaisenergiankulutus pyörimisnopeudella 500 rpm jauhetta-essa kalkkikiveä.
Aika [min]
Ominaisenergiankulutus [kWh/t]
Lapa Tappi Levy
15 35,25 20,33 28,09
30 70,50 40,67 56,18
45 105,76 61,00 84,27
60 141,01 81,34 112,36