LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA
Kemiantekniikan koulutusohjelma Erotustekniikan laboratorio
BJ10A0102 Kandidaatintyö ja seminaari
Tuomas Melanen
HELMIMYLLYN TOIMINTAPARAMETRIEN VAIKUTUS JAUHAUTUVUUTEEN
Kandidaatintyö
Ohjaaja: TkT Ritva Tuunila Lappeenrannassa 25.11.2013
Tiivistelmä
Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta
Kemiantekniikan koulutusohjelma Tekijä: Tuomas Melanen
Nimi: Helmimyllyn toimintaparametrien vaikutus jauhautuvuuteen Kandidaatintyö 2013
43 sivua, 15 taulukkoa, 23 kuvaa ja 2 liitettä Työnohjaaja ja tarkastaja: Tkt. Ritva Tuunila
Hakusanat: Jauhatus, ultrahienojauhatus, helmimylly, sekoitinelin, jauhinkappale
Työn teoriaosassa tutkittiin materiaalin hienontamista jauhatuksen näkökulmasta.
Jauhatuksessa keskityttiin ultrahienojauhatukseen ja siinä käytettäviin myllyihin, jois- ta lähimmin tarkasteltiin helmimyllyä ja sen toimintaparametrien vaikutusta jauhau- tuvuuteen. Lisäksi teoriaosassa tutkittiin jauhatuksen energiankulutusta, joka on yksi jauhatuksen suurimmista ominaisuuksista.
Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kalkkikiven jauhautuvuutta ja jauhatuksen omi- naisenergiankulutusta käyttäen kolmea erilaista sekoitinelintä. Kokeissa myllynä käy- tettiin helmimyllyä ja jauhinkappaleina 2 mm:n lasihelmiä. Jauhautuvuutta tutkittiin analysoimalla tuotteiden partikkelikokojakaumat Beckman Coulter LS 13 320 partik- kelikokoanalysaattoria. Energiankulutukset määritettiin lietteen lämpötilan muutok- sen perusteella ensimmäisen viidentoista minuutin aikana.
Työn tavoitteena oli selvittää, onko uusi lapamainen sekoitinelin tehokas jauhatta- vuuden kannalta mutta samalla myös energiatehokas. Tämän työn perusteella uusi lapamainen sekoitinelin on tehokas jauhautuvuuden kannalta suuremmilla pyörimis- nopeuksilla. Ominaisenergiankulutus on puolestaan samaa luokkaa suuremmilla pyö- rimisnopeuksilla verrattaessa eri sekoitinelimiä.
Abstract
Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology
Department of Chemical Engineering Author: Tuomas Melanen
Title: Variables Affecting Grinding in Bead Mills Bachelor’s Thesis 2013
43 pages, 15 tables, 23 figures and 2 appendices Supervisor and examiner: D.Sc. Ritva Tuunila
Keywords: Grinding, ultrafine grinding, bead mill, grinding impeller, grinding media
In the theoretical section the comminution and ultrafine grinding were studied. The main purpose of the study was in different grinding mills used in ultrafine grinding and in different variables of stirred bead mill affecting grinding. Also the specific energy consumption of grinding was studied because it’s one of the biggest features of grinding.
In the experimental part size reduction and the specific energy consumption of grind- ing were studied by using three different stirrers. Bead mill with 2 millimeter grind- ing media (glass) was used. Comminution was studied by analyzing the particle size distribution of the products by using Beckman Coulter LS 13 320 particle analyzer.
Energy consumptions were defined by the temperature change of the slurry.
The aim of this work was to find out is the new blade impeller efficient in grinding when studying comminution but also the specific energy consumption. According to results the new blade impeller is efficient in higher stirring speeds in perspective of size reduction. The specific energy consumption of the blade impeller is equal com- paring to traditional impellers in higher stirred speeds.
Sisällysluettelo
I KIRJALLISUUSOSA ... 3
1 JOHDANTO ... 3
2 MATERIAALIN HIENONTAMINEN ... 5
3 JAUHATUS ... 10
3.1 Karkea- ja hienojauhatus ... 14
3.2 Ultrahienojauhatus ... 15
4 HELMIMYLLY JA SEN TOIMINTAPARAMETRIT ... 18
4.1 Sekoitinelimet ... 20
4.2 Jauhatushelmet ... 23
5 JAUHATUKSEN ENERGIANKULUTUS ... 25
II KOKEELLINEN OSA ... 31
6 KOKEIDEN TARKOITUS ... 31
7 KOELAITTEISTO JA MITTAUSTEN SUORITUS ... 31
7.1 Helmimylly ... 32
7.2 Partikkelikokoanalysaattori ... 34
8 MITTAUSTULOSTEN KÄSITTELY JA MITTAUSTULOKSET ... 34
9 TULOKSET ... 36
10 JOHTOPÄÄTÖKSET JA TULOSTEN TARKASTELU ... 39
Kirjallisuuslähteet ... 42
Symboliluettelo
C Vakio, jonka numeerinen arvo riippuu materiaalista, hienonnusmene-
telmästä ym. , -
cp Ominaislämpökapasiteetti , kJ/(kg K)
E Hienonnustyöhön käytetty energia , kWh/t
Em Myllyn energiantarve , kWh/kg
g Putoamiskiihtyvyys , m/s2
hj, in/out Jauhinkappaleiden ominaisenergia sisään/ulos , kJ/kg
hk, in/out Kalkkikiven ominaisenergia sisään/ulos , kJ/kg
hs, in/out Sekoitinelimen ominaisenergia sisään/ulos , kJ/kg
hv, in/out Veden ominaisenergia sisään/ulos , kJ/kg
mj Jauhinkappaleiden massa , kg
mk Kalkkikiven massa , kg
ms Sekoitinelimen massa , kg
mv Veden massa , kg
̇ Massavirta , kg/s
n Prosessin kertalukua edustava eksponentti , -
nc Kriittinen pyörimisnopeus , 1/s
Pm Myllyn tehontarve , W
qm,k Kalkkikiven tuotanto , kg/h
R Myllyn säde , m
r Kuulan halkaisija , m
t Aika , s
x Tuotteen hienoutta edustava tekijä , -
x1 Tuotteen alkukoko , m
x2 Tuotteen loppukoko , m
ΔT Lämpötilan muutos , K
I KIRJALLISUUSOSA
1 JOHDANTO
Materiaalia hienonnetaan lähes jokaisella kemian prosessiteollisuuden alalla. Hienon- tamisen tavoitteena on yleensä tuotteen saattaminen tiettyyn kokoluokkaan tai muo- toon sekä pinta-alan kasvattaminen kemiallisia reaktioita varten. Materiaalin hienon- tamista käytetään hyväksi maatalouskemikaalien tuotannossa, lääketeollisuudessa, elintarviketeollisuudessa, pigmenttien valmistuksessa, metallurgiassa ja lähes kaikissa prosesseissa, joissa kiinteää materiaalia prosessoidaan pienempään kokoon. Hienon- tamista käytetään myös mineraalien rikastusprosesseissa, joissa tarkoituksena on erot- taa arvomineraalit arvottomista kivilajeista. Ennen rikastusprosessia mineraali esikä- sitellään murskaamalla ja jauhamalla, jonka jälkeen arvomineraalit voidaan helpom- min erottaa kivimurskeesta erilaisilla rikastusmenetelmillä kuten vaahdotuksella, pai- novoimaan perustuvilla menetelmillä tai kemiallisesti liuottimilla. [7,11,13]
Ensimmäinen sekoitinelintä käyttävä mylly otettiin käyttöön vuonna 1953. Suurin osa nykyään käytetyistä hienonnusmenetelmistä on vanhaa teknologiaa, joten viimeisen kahdenkymmenen vuoden aikana uusien myllyjen ja sekoitinelimien kehitykseen on panostettu paljon. Ultrahienojauhatuksessa yleisemmin käytössä olevat myllyt ovat ensimmäisenä myllynä mineraaliteknologiassa käytetty niin sanottu Tower mill ja 1990-luvulla kehitetty Verti mill, joita vuonna 2002 oli käytössä yli 400. Muita ylei- sesti käytössä olevia myllyjä ovat ISAMILL, Svedala detritor ja Sala agitated mill. [8]
Tämän työn tavoitteena kirjallisuusosassa on selvittää materiaalin hienonnusprosessia ja kuvata sen tärkeimmät yksikköprosessit, jotka ovat murskaus ja jauhatus. Työ kes- kittyy tarkemmin jauhatukseen ja jauhatuksessa käytettäviin myllyihin, joista tässä työssä tarkastellaan helmimyllyä ja sen toimintaparametrien vaikutusta jauhatuksen tehokkuuteen ja energiankulutukseen.
Työn kokeellisessa osassa käytetään helmimyllyä, jolla testataan uudenlaista la- pasekoitinelintä ja sen soveltuvuutta jauhatukseen. Uutta sekoitinelintä verrataan pe- rinteisiin sekoitinelimiin. Kokeellisen osan tavoitteena on selvittää, onko uusi sekoi- tinelin tehokas jauhattavuuden kannalta mutta samalla myös energiatehokas.
Lisäksi työssä selvitetään jauhatuksen energiankulutusta, jonka voi luonnehtia jauha- tuksen ongelmakohdaksi, koska jauhatusprosessi kuluttaa suuren määrän energiaa.
Jauhatus on energia-intensiivisin yksikköoperaatio mineraaliteollisuudessa. Se vie suuren energiankulutuksen vuoksi noin 50 prosenttia kaikista kuluista, jotka sisältyvät hienonnusprosesseja käyttävän laitoksen menoihin. Jauhatuksen energiankulutuksen ongelmallisuutta kuvataan taulukossa I, jossa esitetään kulujen jakautuminen mine- raaliteollisuudessa tuotettaessa 100 000 tonnia päivässä kuparikonsentraattia.[16,23]
Taulukko I Kulujen jakautuminen tuotettaessa 100 000 tonnia päivässä kuparikon- sentraattia. [23]
Osa Hinta
[US$/t]
Osuus [%]
Murskaus 0,088 2,8 Jauhatus 1,482 47,0 Flotaatio 0,510 16,2 Sakeutus 0,111 3,5 Suodatus 0,089 2,8 Jätehuolto 0,161 5,1 Lähtöaineet 0,016 0,5 Putkisto 0,045 1,4
Vesi 0,252 8,0
Laboratorio 0,048 1,5 Työvoima 0,026 0,8 Työnjohto 0,052 1,6 Hallinto 0,020 0,6 Muut kulut 0,254 8,1
Summa 3,154 100
2 MATERIAALIN HIENONTAMINEN
Hienontamisen tavoitteena on tuotteen saattaminen tiettyyn kokoluokkaan tai muo- toon sekä pinta-alan kasvattaminen kemiallisia reaktioita varten. Mineraalien hienon- nusprosessi voidaan jakaa kahteen pääkategoriaan, murskaukseen ja jauhatukseen, sekä niiden kanssa samaan aikaan tapahtuvaan raekoon jakautuman ohjaukseen seu- lomalla tai luokittamalla. Murskauksella tarkoitetaan suurien lohkareiden koon pie- nentämistä kokoluokkaan 13–19 millimetriä. Murskaus toteutetaan erilaisilla murs- kaimilla yleensä kolmessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa louhinnasta tuleva 1 000–1 200 mm:n kokoinen kiviaines hienonnetaan 150–250 mm:n kokoiseksi. Toi- sessa vaiheessa hienonnuksen jälkeinen koko on 50–80 mm ja lopulta kolmannen vaiheen jälkeen päästään 10–25 mm:n kokoluokkaan. Murskaimet jaetaan viiteen pääryhmään - leukamurskaimet, kartiomurskaimet, valssimurskaimet, iskumurskai- met ja erikoismurskaimet - rakenteen ja toimintatavan mukaan. Leukamurskainta käytetään tyypillisesti esimurskaimena. Jauhatuksessa murskauksen jälkeiset milli- metrien kokoiset partikkelit jauhetaan mikrometrien kokoisiksi. Murskaus suoritetaan yleensä kuivaprosessina, mutta jauhatus voidaan suorittaa kuiva- tai märkäjauhatuk- sena. Märkäjauhatusta käytetään enemmän, koska märkäjauhatuksen energiankulutus on pienempi kuin kuivajauhatuksessa. Kuvassa 1 on esitetty yllämainittujen murs- kainten periaatekuvat. [6, 7, 10, 12, 13,14,19,20, 23]
Kuva 1 Periaatekuvat leukamurskaimesta, valssimurskaimesta, iskumurs- kaimesta ja kartiomurskaimesta. [14]
Mineraalien hienonnuksen viimeinen vaihe on jauhatus, joka suoritetaan myllyissä.
Jauhatuksessa jauhettava aine hienonnetaan tuotteen käyttötarkoituksen edellyttämää raekokojakaumaa, puhtaaksijauhatusastetta tai ominaispinta-alaa vastaavaksi. Jauha- tus ja jauhatuksessa käytettävät myllyt esitetään tarkemmin kappaleessa 3. Taulukos- sa II on esitetty murskainten ja jauhatusmyllyjen eri parametreja. Energiankulutus esitetään myöhemmin kappaleissa 3 ja 5. [5,7,10,11,13,23]
Taulukko II Parametreja murskaimille ja myllyille - syötön maksimikoko, tuotteen maksimikoko, kapasiteetti, olosuhteet. [13]
Laite
Syötön mak- simikoko
[mm]
Tuotteen mi- nimikoko
[mm]
Kapasiteetti
[t/vrk] Märkä/Kuiva Murkaimet
Kartiomurskain 2000 300 > 103 K
Leukamurkain 1 500 - 300 450 - 5 < 1 - > 103 K Kartiomurskain
(secondary) 300 - 50 100 - 20 10 - > 103 K
Kartiomurskain
(tertiary) 120 - 18 25 - 3 10 - 103 K
Iskumurskain 900 - 30 30 -10 10 - > 103 K
Valssimurskain
(double) 30 2 - 1 1- > 103 K
Valssimurskain
(single) 90 2 - 1 1- > 103 K
Karkea- ja hieno- jauhatusmyllyt
Autogeenimylly 250 - 150 100 > 103 M
Tankomylly 25 - 12 5 - 0,5 10 - > 103 M
Kuulamylly 6 - 2 0,3 10 - > 103 M/K
Roller, bowl 50 0,75 1 - 102 K
Ultrahienojauhatus- myllyt
Pin 25 - 6 0,02 - 0,005 1 - 102 K
Turbo 25 - 6 0,02 - 0,005 1 - 102 K
Rullamylly 25 - 6 0,15 - 0,075 1- > 103 K
Ring-ball 25 - 6 0,15 - 0,075 10 - 103 K
Vasaramylly 40 - 4 2,8 - 0,01 < 1 - > 103 K
Tärymylly 30 - 6 0,005 1 - 102 M/K
Suihkumylly 60 - 0,1 < 0,001 <1 - 102 K
Helmi-, hiekkamylly 0,075 0,005 <1 - 102 M/K
Materiaalin hienonnus voidaan suorittaa jatkuva- tai panostoimisesti. Suuret tuotan- tomäärät tuotetaan yleensä jatkuvatoimisesti. Suurin osa teollisuuden hienonnuspro- sesseista on jatkuvatoimisia. Panostoimisia prosesseja käytetään yleensä alustavissa prosessitutkimuksissa sekä tutkiessa hienonnukseen liittyviä ilmiöitä. Hyvä partikke- likokokontrolli saavutetaan käyttämällä suljettua jauhatuspiiriä, johon kuuluu tuot-
teeksi liian suurten partikkelien kierrätys takaisin jauhatukseen. Murskauksen jälkeen jauhettava materiaali syötetään hienonnusvaiheeseen, jossa partikkelit jauhetaan myl- lyllä pienempään kokoluokkaan. Jauhatuksen jälkeen partikkelit erotetaan luokitti- mella, jolla haluttu kokoluokka saadaan talteen tuotteena ja liian karkea aines palaute- taan kiertokuormana takaisin jauhatusvaiheeseen. Luokituslaitteen avulla prosessissa pystytään hienontamaan vain niitä partikkeleita, joita tarvitsee hienontaa. Luokitus- laitteena voidaan käyttää joko seulaa tai syklonia. Suljettu jauhatuspiiri on esitetty kuvassa 2. [6,13,23]
Hienonnus Syöttö
Luokitus
Tuote
Kiertokuorma
Kuva 2 Suljettu jauhatuspiiri
Suljetun jauhatuspiirin sijasta voidaan käyttää avointa jauhatuspiiriä, jossa partikke- leita ei kierrätetä takaisin jauhatusvaiheeseen luokittimen kautta. Avoimen piirin etu- na on, että se on yksinkertaisempi kuin suljettu järjestelmä. Avoimessa järjestelmäs- sä tuotteen partikkelikokojakauma on kuitenkin leveä ja jauhatus tapahtuu vaikeim- min jauhautuvien partikkelien mukaan, jolloin tuloksena on usein ylijauhatus osalle materiaalista, jolloin energiaa tuhlaantuu. Avoin jauhatuspiiri on esitetty kuvassa 3.
[6,13,23]
Hienonnus
Syöttö Tuote
Kuva 3 Avoin jauhatuspiiri
Jauhatus voidaan suorittaa märkä- tai kuivajauhatuksena. Märkäjauhatuksessa nestee- nä käytetään yleensä vettä, mutta myös muita liuottimia voidaan käyttää. Valinta mä- rän ja kuivan prosessin välillä riippuu siitä, mitä hienonnusoperaation jälkeen tapah- tuu. Märkäjauhatusta ei välttämättä kannata suorittaa kahden kuivan operaation välis-
sä, koska silloin tarvitaan kuivauslaitteita, jotka lisäävät käyttökustannuksia. Energi- ankulutus märkäjauhatuksessa on puolestaan noin 20–30 % alhaisempi kuin kuiva- jauhatuksessa. Tämä johtuu siitä, että vedellä ja siihen ennen jauhatusta ja jauhatuk- sen aikana liuenneilla elektrolyyteillä on luontainen taipumus alentaa jauhatuksen energiankulutusta. Märkäjauhatuksen etuna on, että se poistaa pölyongelman, jolla on vaikutusta jauhatuksen tehokkuuteen. Lisäksi kiinteät aineet ovat helpompia käsitellä ja laitoksen tuotantokapasiteetti kasvaa. [6,7,10,13,23]
Materiaalin hienontamisessa voidaan käyttää hyväksi lisäaineita. Edellä todettiin, että märkäjauhatuksessa energiankulutus on 20–30 % pienempi kuin kuivajauhatuksessa.
Lisäaineita käytetään enemmän hyödyksi kuivajauhatuksessa kuin märkäjauhatukses- sa. Käytettäessä lisäaineita, joilla on taipumus adsorboitua kiinteän aineen pinnalle, voidaan pinnan kovuutta saada pienennettyä 70 %. Alle yhden mikrometrin jauheiden tuottaminen on vaikeaa partikkelien agglomeroitumisen takia, mutta lisäaineiden avulla agglomeroitumiselta voidaan välttyä. Alle mikrometrin tuotekokoon on päästy, suorittamalla jauhatus orgaanisessa liuottimessa esimerkiksi etyylialkoholissa ja käyt- tämällä lisäaineena epäorgaanista suolaa kuten K-ferrosyanidia tai Na-bikromaattia.
Esimerkkejä käytetyistä lisäaineista jauhatuksessa ovat rasvahappo, joka sopii kvart- sin jauhatukseen ja kalkkikivelle sopiva amiini. Märkäjauhatuksessa lisäaineina on käytetty muun muassa silikaatteja, fosfaatteja ja pieniä määriä öljyhappoja. Käytettä- essä pientä määrää öljyhappoa kalkkisälvän jauhatukseen, on jauhautuminen paranta- nut. Huomattavaa kuitenkin on, että suurella happolisäyksellä on kuitenkin ollut päinvastainen vaikutus. Sementtiteollisuus hyödyntää lisäaineita, koska jauhettavat määrät ovat suuria ja lopputuotteet hienoja. [7, 10, 20]
Partikkelin murtumisen edellytyksenä on, että sen sisäiset atomien väliset voimat saadaan rikotuksi. Tämä saadaan aikaan joko normaali- tai tangentiaalijännityksen avulla. Kappaleella on eri muodonmuutostapoja, joita ovat esimerkiksi isku, puristus, leikkaus, hankaus ja taivutus. Kappaleen joutuessa ulkoisen rasituksen aiheuttamaan jännitystilaan, sen hajoaminen alkaa juuri näistä epäjatkuvuuskohdista. Mitä pie- nemmäksi kappale tulee, sitä vähemmän kappaleessa on epäjatkuvuuskohtia ja kappa-
le muuttuu lujemmaksi. Tämä selittää sen, että kappaleen hienontaminen vaikeutuu syötteen hienotessa. [6,7]
3 JAUHATUS
Jauhatukseen tulevan materiaalin rae- tai kappalekoko vaihtelee, mutta on tavallisesti 10–25 mm. Jauhatuksen jälkeisen tuotteen raekoko vaihtelee jauhatukseen käytetyn myllyn ja prosessin mukaan. Jauhatushienous jaetaan karkeaan jauhatukseen, hieno- jauhatukseen ja ultrahienojauhatukseen. Mitään selkeää rajaa jauhatushienouteen ei ole, mutta seuraavaksi esitetään muutama vaihtoehto hienousrajoiksi. Lukkarisen10 mukaan jauhettaessa alle 200 meshin eli 75 µm:n hienouteen puhutaan hienojauha- tuksesta. Wills23 määrittää hienousasteet siten, että karkeassa jauhatuksessa tuotteen partikkelikoko on 40–300 µm, hienojauhatuksessa 14–40 µm ja ultrahienossa jauha- tuksessa alle 15 µm. Yaws24 puolestaan toteaa, että karkeajauhatus määritetään siten, että tuote hienonnetaan 10 meshin eli 2 mm:n kokoon. Hienojauhatuksessa tuotteen partikkelikoko, jota pienempiä partikkeleita on 95 %, on 200 meshia eli 74 µm. Hy- vin hienossa jauhatuksessa tuotteen partikkelikoko, jota pienempiä partikkeleita on 99,9 %, on 300 meshia eli 48 µm. Superhienossa jauhatuksessa tuotteen partikkeliko- ko on alle 44 µm. Hukin7 näkemys hienonnusasteeseen ja ominaisenergiankulutuk- seen on esitetty taulukossa III. [7,10,15,23,24]
Taulukko III Jauhatusprosessien jaottelu eri jauhatusluokkiin tuotteen partikkeli- koon mukaan [15]
Jauhatustaso Tyypillinen laite
Partikkelikoko, jota pienempi partikke-
leita 80 % [µm]
Ominaisenergia [kWh/t]
Karkeajauhatus Tankomylly 104-103 2-4
Hienojauhatus Kuulamylly 103-102 5-20
Hyvin-
hienojauhatus Putkimylly 102-10 20-100
Super-
hienojauhatus Suihkumylly 10-1 100-1000
Jauhatus on prosessiteollisuuden tärkeimpiä yksikköprosesseja ja se on mineraalien hienontamisprosessin lopullinen vaihe. Jauhettava aine hienonnetaan jauhatuksessa rikastusprosessin tai jonkun muun käyttötarkoituksen edellyttämää raekokojakaumaa, puhtaaksijauhatusastetta tai ominaispinta-alaa vastaavaksi. Tärkeimpiä jauhatushie- nouteen vaikuttavia rakennetekijöitä ovat jauhettavan materiaalin raekoko, määrä, sulkeutumat ja keskinäiset yhteenkasvettumat. Jauhatus käsittelee suuria ainemääriä ja palvelee erilaisia teollisuuden aloja, joista vuoriteollisuus on yksi sen suurimmista hyödyntäjistä. Jauhatus kuluttaa paljon energiaa ja sen takia sitä voidaan pitää ongel- mana. Liian hieno jauhatusaste kuluttaa tarpeettomasti energiaa ja vaikeuttaa rikas- tusprosessia. [7,10]
Karkeampi jauhatus suoritetaan yleensä rumpumaisissa, vaakatasossa pyörivissä myl- lyissä jauhinkappaleiden avulla. Myllyn pyöriessä tasaisella nopeudella, jauhinkappa- leet pääsevät jauhatukseen sopivaan liiketilaan, jolloin jauhautuminen perustuu iskui- hin, puristukseen ja hiertoon. Jauhinkappaleina voidaan käyttää terästankoja, teräs- ja valurautakuulia tai jauhinlieriöitä. Posliini- ja aluniittikuulia sekä piikiviä käytetään, jos tuotteeseen ei haluta rautaa. Rumpumaisten myllyjen lisäksi käytetään erikois- myllyjä, joilla päästään muutamien mikrometrien tuotekokoon. Hieno- ja ultrahieno- jauhatuksessa käytetään yleensä apuna sekoitinelimiä, joiden avulla myllyn sisällä olevaa jauhettavaa ainetta sekoitetaan samalla, kun myllyn sisällä olevat jauhinkappa- leet - helmet, hiekka - jauhavat jauhettavaa ainetta. Lisäksi käytetään suihkumyllyjä.
[6,10,13,20,23]
Myllyn kapasiteetti määritellään tavallisesti myllyn aikayksikössä käsittelemän jau- hettavan aineen määränä, myllyn aikayksikössä tekemän määrättyä raekokoa hie- nomman uuden tuotteen määränä tai myllyn aikayksikössä perusmyllyä kohti teke- män uuden tiettyä raekokoa hienomman tuotteen määränä esimerkiksi yksiköllä t/h.
Käytännössä kapasiteetti on sama kuin läpi mennyt tavaramäärä ja se on yhdessä te- honoton kanssa tarkimmin seurattavia jauhatuksen suureita. Myllyn koon lisäksi tär- keimmät myllyn toimintaan ja sen kapasiteettiin vaikuttavat tekijät ovat myllyn pyö- rimisnopeus, myllyn täyttöaste, jauhettava aine, jauhinkappaleet ja myllyn rakenne.
[6,10]
Rumpumaisen myllyn nopeus valitaan jauhatustehtävän, tarvittavan kapasiteetin ja koon mukaan. Mylly pyörii tasaisella nopeudella sen käynnistämisen ja kiihdytyksen jälkeen. Myllyn kehänopeus on yleensä 2–3 m/s, mutta myllyn nopeutta seurataan yleensä kierrosluvun avulla ja laskemalla, kuinka monta prosenttia se on kriittisestä myllyn nopeudesta. Myllyn kriittinen nopeus on se nopeus, jolla myllyn sisäkehään nojaava liukumaton kappale, kuula, ei enää irtoa kehältä myllyn pyöriessä. Myllyjen nopeudet ovat tavallisesti alueella 50–90 % kriittisestä nopeudesta ja usein käytetään arvoa 76 %, jonka esimerkiksi Bake5 on määrittänyt tutkimuksissaan. Jos myllyn pyörimisnopeus on alle kriittisen nopeuden, sanotaan, että mylly toimii alikriittisellä pyörimisalueella. Vastaavasti nopeuden ollessa yli kriittisen nopeuden, mylly toimii ylikriittisellä nopeusalueella. Pyörimisnopeuden lisääminen lisää myllyn kapasiteet- tiä, mutta sillä on vain vähän vaikutusta myllyn tehokkuuteen, kun myllyn pyörimis- nopeus on 40–50 % kriittisestä nopeudesta. Myllyn kriittisen kierrosluvun arvo riip- puu myllyn läpimitan lisäksi jauhinkappaleen läpimitasta. Yleensä myllyn säde on huomattavasti suurempi kuin jauhinkappaleen säde, jolloin jauhinkappaleen säde voi- daan jättää huomioimatta kriittistä pyörimisnopeutta laskettaessa. Myllyn kriittisen pyörimisnopeus lasketaan yhtälöllä
√ (1)
jossa g Putoamiskiihtyvyys, m/s2 R Myllyn säde, m
r Kuulan halkaisija, m
Myllyn täyttöasteella tarkoitetaan myllyn sisällä olevan jauhekappaleiden määrää suhteessa vuoratun myllyn sisätilavuuteen. Myllyn täyttöaste on tavallisesti 30–50 % ja yleensä käytetään 50 %:n täyttöastetta. [5,6,7,10,23]
Jauhettavan aineen tärkeimmät omanaisuudet ovat sen ominaispaino ja jauhautuvuus.
Rakenteensa ja lujuutensa vuoksi jokainen aine jauhautuu eri tavalla. [10]
Jauhatustyöhön myllyssä käytetään jauhinkappaleita. Jauhinkappaleiden pitää olla sitä raskaampia ja isompia, mitä karkeampaa ja kovempaa syöttö on. Karkeassa jau- hatuksessa käytetään suurempia ja raskaampia jauhinkappaleita kuin hienojauhatuk- sessa, koska pienet kappaleet eivät pysty murskaamaan karkeaa ainetta. Raskaammas- ta materiaalista valmistettu jauhinkappale on siten tehokkaampi kuin kevyestä materi- aalista valmistettu jauhinkappale. Kuitenkin jauhettaessa hienoa syötettä vielä hie- nommaksi, tarvitaan paljon hiertopintaa, jota pienissä kuulissa on enemmän kuin suu- rissa kuulissa. Lisäksi pieniä kuulia mahtuu myllyyn enemmän, joten myös osuma- tarkkuus on parempi. Pienet kuulat puolestaan kuluvat suuria nopeammin hitaissa myllyissä, koska kuluminen tapahtuu hiertymällä ja pienillä kuulilla pintaa on suh- teellisesti enemmän kuin suurilla kuulilla. [6,10]
Myllyn rakenne vaikuttaa myös jauhatusominaisuuksiin. Pitkä mylly tekee hienom- man tuotteen kuin lyhyempi mylly. Karkeasti vuoratun myllyn tuote on karkeampaa kuin sileäksi vuoratun, koska tällöin jauhinkappaleet nousevat ylös ja jauhatus perus- tuu enemmän iskuun kuin hiertoon. Tankomyllyllä jauhettaessa, tankojen iskuvaiku- tuksen tulee edustaa huomattavan suurta liikemäärää, joten tankojen täytyy nousta tehokkaasti myllyn pyöriessä, ilman että tankomassa liukuisi myllyn vuorausta näh- den. Tämä saadaan aikaan riittävän voimakkaalla myllyn vuorauksen hammastuksella tai pelkästään palkkeja käyttäen, jolloin pääosa palkeista on matalia ja osa palkeista korkeampia. Tankomyllyn syöttöpääty on yleensä vino, jotta syötettävälle materiaalil- le jää tilaa päätyvuorauksen ja tankokuorman väliin. Poistopää on puolestaan pys- tysuora, koska tangoilla on luontainen taipumus pyrkiä kohti poistopäätä. Suurin eroavaisuus tanko- ja kuulamyllyn toiminnassa vuorauksen kannalta on se, että pu- toamisliikkeeseen sisältyvä liikemäärä on tangoilla suurempi kuin kuulilla. Näin ollen kuulamyllyn vuoraus voidaan perustaa suureen kulumiskestävyyteen. Vuorauksessa pyritään mahdollisimman pitkään kestoikään ja yleisenä periaatteena valittaessa vuo- rausmateriaalia on, että kulumiskestävyys paranee kovuusasteen noustessa. Erilaisia
vuorausvaihtoehtoja ovat aaltopalkki, tasaiset palkit, limipalkki, porraspalkki ja Os- born-vuoraus ja niitä on kuvattu kuvassa 4. [7,10]
3.1 Karkea- ja hienojauhatus
Karkeassa jauhatuksessa tuotteen partikkelikoko on 40–300 µm ja hienojauhatuksessa 14-40 µm. Karkea- ja hienojauhatus suoritetaan rumpumaisissa, vaakatasossa pyöri- vissä myllyissä jauhinkappaleiden avulla, joista yleisimmät ovat tanko-, kuula- tai autogeenimyllyt. Rumpumaisissa myllyissä käytetään apuna jauhinkappaleita, joten jauhatus perustuu iskuihin ja hiertoon. Tankomylly soveltuu parhaiten karkeajauha- tukseen ja kuula- ja autogeenimyllyjä käytetään vuorostaan hienojauhatukseen. Myl- lyt voidaan vielä jakaa eri kategorioihin lietteen poistotavan mukaan, jolloin puhutaan ylite-, arina- ja kehäpoistomyllyiistä. Rumpumaisilla vaakatasossa pyörivillä sylinte- rimäisillä myllyillä on paljon yhteisiä piirteitä ja myllyjen pääosat on esitetty kuvassa 5. [7,10,13,20,23,24]
Kuva 4 Erilaisia vaippojen vuorauspalkkityyppejä.
a tasainen, erilliskiinnitys, b sileä, suora kiinnitys, c aaltopalkki, d Ship-lap palkki, e porraspalkki, f Osborn-vuoraus.[10]
Kuva 5 Rumpumaisen myllyn pääosat. 1. Myllyn vaippa, 2. Päädyt, 3. Ham- maskehä, 4. Kaulalaakerit, 5. Kaulatapit, 6. Syöttösuppilo, 7. Syöttö- holkki, 8. Poistoholkki, 9. Laakeripukit, 10. Vuorauspalkki, 11. Kii- lasegmentti, 12. Päätylevy. [10]
3.2 Ultrahienojauhatus
Ultrahienojauhatuksen tuotteen partikkelikoko on noin 15 µm, mutta ultrahienojauha- tuksella voidaan päästä alle 1 µm:n keskimääräiseen partikkelikokoon. Yleisimpiä ultrahienojauhatusmyllyjä ovat helmi-, suihku-, planeetta, täry-, rulla- ja iskumylly, joista suihku- ja planeettamyllystä annetaan seuraavaksi lyhyt kuvaus. Helmimylly on käsitelty tarkemmin kappaleessa 4. Rumpumaisilla myllyillä ei selviydytä kaikista jauhatustehtävistä, koska esimerkiksi tuottaessa maalipigmenttejä, peitosteaineita, keraamisia jauheita, kosmeettisia aineita ja lääkeaineita, tarvitaan lopputuotteena erit- täin hienoa tuotetta. Tähän tarkoitukseen tarvitaan myllyjä, jotka pystyvät jauhamaan lopputuotteen muutaman mikrometrin kokoiseksi. Ultrahienojauhatuksessa käytetään yleensä apuna sekoitinelimiä, joiden avulla myllyn sisällä olevaa jauhettavaa ainetta sekoitetaan samalla, kun myllyn sisällä olevat jauhinkappaleet – helmet tai hiekka – jauhavat jauhettavaa ainetta. Sekoitinelin voi pyöriä joko vaaka- tai pystysuorassa.
Sekoitinelintä käyttävien myllyjen väitetään olevan noin 50 % energiatehokkaampia kuin rumpumaisten myllyjen. [10,13, 23]
Suihkumyllyksi sanotaan laitetta, jossa jauhautuminen tapahtuu nopeasti liikkuvan kaasuvirran avulla. Kaasuvirta on yleensä ilmaa tai höyryä. Jauhettava aine on sekoi- tettu kaasuseokseen ja jauhatus perustuu partikkelien jauhautumiseen hiertymällä toisiaan vasten. Suihkumyllyjä on useita eri tyyppejä ja niille yhteistä on se, ettei niis- sä ole liikkuvia osia. Kiekkotyyppisessä suihkumyllyssä jauhettava materiaali syöte- tään ilmainjektoinnin avulla matalan sylinterin muotoiseen jauhatuskammioon, jonka pohja on syklonin mallinen. Jauhettu materiaali poistuu syklonista alitteena ja ilma ylitteenä. Jauhatushienous on 1–10 µm ja myllyn kapasiteetti koosta riippuen 0,25–
2000 kg/h. Jauhinkaasu syötetään syöttökohdan vastakkaiselta puolelta ja sen nopeus on noin 100 m/s ja paine 5–25 baaria. Jauhinkammioon ilma purkautuu tarkoin suun- nattujen aukkojen läpi. Kiekkotyyppinen suihkumylly on esitetty kuvassa 6. Kierto- putki-suihkumylly on läpimitaltaan 25–200 mm pystysuunnassa oleva suljettu putki, jonka alaosaan kaasuvirta syötetään. Jauhettava materiaali kiertää myllyssä kaasuvir- ran avulla ja poistuu myllyn yläpäässä olevan luokitussäleikön avulla, kun se on jau- hettu haluttuun kokoon. Leijukerrossuihkumyllylle on tyypillistä, että jauhettava aine syötetään ruuvilla jauhatustilan alaosaan. Alaosaan syötetään myös kaasuvirta vähin- tään kolmen suuttimen kautta. Jauhautuminen perustuu siihen, että kaasusuihkujen törmäyskohdissa rakeet törmäävät vastakkain ja hienontuvat. Ilma vie jauhettavaa materiaalia ylöspäin luokittimelle, josta liian karkea aines valuu seiniä pitkän takaisin alaosaan. Tarpeeksi hieno materiaali kulkeutuu kaasuvirran mukana syklonille, jossa hieno rae erotetaan tuotteeksi. Käytettävä ilman paine on 7–12 baaria ja huomioitavaa on, että korkea ilmanpaine alentaa energiankulutusta. Suihkumyllyn etuina pidetään sen soveltuvuutta kuivajauhatukseen ja sen kapeaa tuotekokojakaumaa. Suihkumyl- lyn huonona puolena verrattuna iskuihin perustuviin myllyihin voidaan pitää sen suurta energiankulutusta, joka on 5–10 kertaa suurempi iskumyllyjen energiankulu- tus. [5,10,13,16,20,24]
Kiertoputki-suihkumyllyn toimintaperiaate on esitetty kuvassa 6.
Kuva 6 Vasemmalla kiertoputkisuihkumyllyn toimintaperiaate ja oikealla kiekkotyyppinen suihkumylly. [10,13]
Planeettamyllyä voidaan pitää erikoismyllynä, jolla voidaan päästä alle 1 µm:n tuote- kokoon. Planeettamylly koostuu pyörivistä jauhatusastioista (Grinding jar), jotka pyö- rivät vastakkaiseen suuntaan pyörivän aurinkopyörän (Sun wheel) ympärillä. Myllyn pyöriessä, Coriolis-ilmiön seurauksena, kuulat eivät pysy enää paikallaan jauhatusas- tioissa, vaan lähtevät liikkeelle aiheuttaen kitka- ja iskuvoimia, jotka tehostavat jau- hettavan aineen jauhautumista. Planeettamylly soveltuu vain panostoimiseen jauha- tukseen pienillä kapasiteeteilla.[18] Planeettamyllyn toimintaperiaate on esitetty ku- vassa 7.
Kuva 7 Planeettamyllyn toimintaperiaate.[18]
4 HELMIMYLLY JA SEN TOIMINTAPARAMETRIT
Märkäjauhatuksessa yleisesti käytetyin mylly on sekoitinelintä apuna käyttävä hel- mimylly. Helmimyllyn toiminta perustuu siihen, että sekoittimella varustettuun sylin- terinmuotoiseen astiaan syötetään liete, joka koostuu jauhettavasta materiaalista ja liuottimesta. Sylinterin asennosta riippuen, helmimyllyt jaetaan kahteen päätyyppiin – pystymyllyyn ja makaavaan myllyyn. Syötön maksimikoko on yleensä 75 µm hiek- kamyllylle, mutta helmimylly voi käsitellä jopa 6 mm:n syötettä. Vesi on yleisesti käytetty liuotin ja yleensä syötön massakonsentraatio on 20-60 %. Lisäksi säiliöön lisätään jauhinkappaleina käytettäviä helmiä. Hienontuminen perustuu siihen, että jauhettava materiaali hienontuu - pääasiallisesti hiertyy - helmien ja sekoitinelimen välissä johtuen sekoitinelimen antamasta voimakkaasta liikkeestä. Sekoitinelimen nopeus on yleensä 4–20 m/s. Helmimyllyä voidaan käyttää panos- tai jatkuvatoimi- sesti, siten että syöttö tulee myllyn pohjalle ja tuote poistuu ylhäältä. Lisäksi helmi- myllyjen väitetään olevan yli 50 % energiatehokkaampia kuin tavallisten rumpumais- ten kuulamyllyjen. [4,13,16,19,23]
Kuvassa 8 on esitetty kierrätyksellä varustettu helmi- mylly.
Kuva 8 Kierrätyksellä varustettu helmimylly. [20]
Helmimyllyä käytetään muun muassa pehmeän materiaalin jauhatukseen, kuten pig- menttien ja maalien täyteaineiden valmistukseen. Hiekkaa käytetään jauhinaineena hienonnettaessa kaoliinia. Nämä tuotteet vaativat yleensä alle mikrometrin kokoisia partikkeleita, joihin päästään märkäjauhatuksella. Osassa tapauksissa märkäjauhatuk- sella pyritään rikkomaan kasaantumat, jotka johtuvat ultrapienistä partikkelikoista, sekä vähentämään energiankulutusta, joka voi olla jopa 20–30 % pienempi märkäjau- hatuksessa kuin kuivajauhatuksessa. Kuvassa 9 on esitetty eri myllyjen ominaisener- giankulutus keskimääräisen partikkelikokoon funktiona. Kuvasta käy ilmi, että jau- hettaessa sekoitinelintä käyttävällä myllyllä (stirred ball mill), saavutetaan tavallista kuulamyllyä hienompi tuotekoko, mutta ominaisenergiankulutus kasvaa voimakkaasti partikkelikoon pienentyessä. [16,19]
Kuva 9 Eri myllyjen ominaisenergiankulutus keskimääräisen partikkelikoon funktiona. [2]
Eri jauhatusmenetelmillä on rajoittavat tuotekoot, joita hienommaksi tuotetta ei voida jauhaa. Kuivajauhatuksessa rajoittava tuotekoko on 1 µm, kun taas märkäjauhatuksel- la voidaan päästä alle 0,1 µm:n tuotekokoon. Toimintaparametreja säätämällä voi- daan löytää parhaat prosessiolosuhteet, joilla päästään haluttuun tuotekokoon. Tär- keimmät parametrit helmimyllyn toiminnassa ovat käytetyt sekoitinelimet ja jauha- tushelmien koko, jotka kuvataan seuraavaksi tarkemmin. Muita jauhatukseen vaikut-
tavia tekijöitä ovat muun muassa jauhatusaika, sekoitinelimen pyörimisnopeus, kiin- toainepitoisuus, lietteen pH ja jauhinkappaleiden tiheys. [8,25]
Zheng et al.25 ovat tutkimuksissaan osoittaneet, että jauhatusajan kasvaessa, loppu- tuote jauhautuu hienommaksi lisäten ominaispinta-alaa. Jauhettaessa kalkkikiveä vii- den minuutin sijaan 15 minuuttia, ominaispinta-ala kasvaa kaksi kertaa suuremmaksi.
Pyörimisnopeutta lisätessä päästään hienompaan lopputuotteeseen, mutta energianku- lutus kasvaa. Energiatehokkuus puolestaan laskee pyörimisnopeutta lisätessä. Myös Bel Fadhel et al.3 ja Jankovic8 ovat saaneet tutkimuksissaan samoja tuloksia. [3,8,25]
Zheng et al.25 ovat osoittaneet, että myös kokonaiskiintoainepitoisuus (jauhinkappa- leet ja jauhettava materiaali) on tärkeä parametri helmimyllyn toiminnan kannalta, koska sillä voidaan vaikuttaa tuotteen hienouteen, tehonottoon ja energiankulutuk- seen. Kokonaiskiintoainepitoisuuden kasvaessa sekoitinelimen vääntömomentti kas- vaa, jolloin energiankulutus kasvaa. Kuitenkin suuremmalla kokonaiskiintoainepitoi- suudella saavutetaan enemmän jauhinkappaleiden ja hienonnettavien partikkeleiden kohtaamisia, jolloin jauhautuminen tehostuu. Jauhinkappaleiden ja jauhettavan mate- riaalin osuus on yleensä välillä 60–80 % kokonaistilavuudesta. Zheng et al.25 ovat osoittaneet, että ominaispinta-ala kasvaa jauhettaessa kokonaiskiintoainepitoisuudes- sa 60–75 tilavuusprosenttia ja vähenee sen jälkeen kiintoainepitoisuuden lisääntyessä.
Myös jauhettavan materiaalin pH vaikuttaa hienontamiseen, koska leikkausjännitys on sidoksissa aineen happamuuteen. Myös Bel Fadhel et al.3 ovat saaneet tutkimuk- sissaan samoja tuloksia.[3,25]
4.1 Sekoitinelimet
Jauhatuksen tehokkuuden lisäämiseksi on kehitetty erilaisia sekoitinelimiä. Hienon- tuminen perustuu siihen, että jauhettava materiaali jauhautuu - pääasiallisesti hiertyy - helmien ja sekoitinelimen välissä, johtuen sekoitinelimen antamasta voimakkaasta liikkeestä. Sekoitinelimen nopeus on yleensä 4–20 m/s. Jos sekoitinelimen nopeus on
alle 8 m/s, puhutaan hitaista sekoitinelinmyllyistä ja nopeuden ollessa välillä 8–20 m/s, puhutaan puolestaan nopeista myllyistä. [9]
Kolme yleisintä sekoitinelintä ovat tappimainen, levymäinen ja putkimainen sekoi- tinelin. Myös spiraalisekoitinelimiä käytetään varsin yleisesti. Yksinkertaisin rakenne on levymäisellä sekoitinelimellä. Käytettäessä levymäistä sekoitinta, energian siirty- minen sekoittimesta jauhinkappaleisiin ja jauhettavaan materiaaliin perustuu adheesi- oon. Levyt voivat olla myös varustettu rei’illä ja viilloilla sekä järjestetty eksentrises- ti, jolloin energia siirtyy siirtymävoimien avulla. Tappimaisella sekoitinelimellä jau- hinkappaleiden ja jauhettavan materiaalin sekoittuminen perustuu siirtymävoimiin.
Jos käytetään tappimaista sekoitinta, jossa tapit on järjestetty niin, että ne sijaitsevat vastakkain, niin voimatiheys on suurempi kuin käytettäessä levysekoitinta. Suurin voimatiheys saavutetaan kuitenkin putkimaisella sekoitinelimellä. Jos putkimainen sekoitinelin on täysin sileä ja myös myllyn seinämä on täysin sileä, niin energian siir- tyminen perustuu pelkästään adheesioon. Jos putkeen lisätään viiltoja, niin energian- siirtyminen perustuu adheesion lisäksi myös siirtymävoimiin, jolloin voidaan saavut- taa vielä korkeampi energiatiheys. Nykyään putkimaiset sekoitinelimet ovat erityisen suosittuja. Yhden putkimaisen sekoitinosan sijaan, putkimainen sekoitin voi koostua myös kahdesta putkesta. [9]
Radziszewski[17] on tutkinut eri sekoitinelimien energiankulutusta. Tutkimuksissaan Radziszewski käytti halkaisijaltaan metrin kokoista myllyä, joka oli täytetty jauhin- kappaleilla ja lietteellä metrin verran pohjasta. Käytetyt sekoitinelimet olivat levy- mäinen, tappimainen, spiraalimainen ja putkimainen sekoitinelin. Myllyn seinämän rakenne oli joko tyhjä, tapeilla varustettu tai levyillä varustettu. Pyörimisnopeudet olivat 100 rpm, 500 rpm ja 1000 rpm. Tutkimuksissa käy ilmi, että pyörimisnopeuden kasvaessa energiankulutus lisääntyy. Energiankulutus kasvaa 10-kertaisesti pyörimis- nopeuden noustessa nopeuteen 500 rpm nopeudesta 100 rpm. Noustessa nopeuteen 1000 rpm nopeudesta 500 rpm energiankulutus kasvaa enää 3 kertaa suuremmaksi.
Vertaillessa eri sekoitinelimiä keskenään voidaan todeta, että levymäisen sekoitineli- men energiankulutus on 10 kertaa suurempi kuin tappimaisen sekoitinelimen pyöri- misnopeudella 100 rpm. Pyörimisnopeuden kasvaessa levymäisen sekoitinelimen
energiankulutus lisääntyy verrattaessa tappimaiseen sekoittimeen. Spiraalinmuotoisen sekoitinelimen energiankulutus on noin 4 kertaa suurempi kuin tappimaisen sekoi- tinelimen. Jos myllyn seinämä on varustettu levyillä tai tapeilla, niin myllyn energi- ankulutus kasvaa verrattaessa rakenteeseen, jossa myllyn seinämä on sileä. Levyillä varustetun myllyn energiankulutus on noin 30 % suurempi kuin tapeilla varustetun myllyn. Putkimaisen sekoitinelimen energiankulutus oli suurin jokaisella pyörimis- nopeudella. Pyörimisnopeudella 100 rpm putkimaisen sekoitinelimen energiankulutus oli 2 kertaa suurempi kuin levymäisellä sekoittimella.[17]
Yleisimpiä sekoitinelimiä ja myllyn geometriaa on esitetty kuvissa 10 ja 11.
Kuva 10 Tappimaisia sekoitinelimiä. [25]
Kuva 11 Yleisimpiä sekoitinelimiä ja myllyn geometria. a. levymäinen, b. tap- pimainen, c. putkimainen. [9]
4.2 Jauhatushelmet
Edellä todettiin, että märkäjauhatuksessa käytetään yleensä helmiä, jotka on valmis- tettu raudasta tai alumiinista. Helmimyllyssä jauhinkappaleena käytetään helmiä, joi- den halkaisija on kokoluokassa 0,5–5 mm. Zheng et al.25 ovat osoittaneet, että ener- giatehokkuuden kannalta paras kokoluokka on 2 mm. Helmet ovat yleensä pallomai- sia, lasista tai zirkoniumista valmistettuja ja niiden täyttöaste suhteessa kiintoaineen- määrään on Zheng et al.25 tutkimusten mukaan 12:1. [25]
Jankovic8 on tutkimuksissaan todennut, että jauhautuminen on voimakkaampaa suu- remmilla jauhinkappaleilla jauhatuksen alkuvaiheessa, mutta pitkällä aikavälillä saa- daan hienojakoisempi tuote, jos jauhatuksessa käytetään pienempiä jauhinkappaleita.
Myös Tuunila21 on päätynyt samanlaisiin tuloksiin omissa tutkimuksissaan.[8,21] Ku- vassa 12 on esitetty jauhautuvuutta helmimyllyssä ajan funktiona käytettäessä eriko- koisia jauhinkappaleita.
Kuva 12 Helmien koon vaikutus jauhautuvuuteen helmimyllyssä ajan funktio- na. [22]
Jauhinkappaleiden tiheydellä ja koolla on myös merkitystä jauhatuksen energiankulu- tuksen kannalta. Jauhinkappaleiden tiheyden kasvaessa lopputuote saadaan hienom- maksi, mutta energiankulutus kasvaa ja energiatehokkuus vähenee. Jankovic8 on ko- keissaan myös osoittanut, että energiankulutus tuotettua tonnia kohti laskee, kun jau- hetaan pienemmillä jauhinkappaleilla. Jauhatuksen energiankulutusta hienonnusas- teen funktiona käytettäessä erikokoisia jauhinkappaleita on esitetty kuvassa 13.[8]
Kuva 13 Jauhatuksen energiankulutus hienonnusasteen funktiona erikokoisilla jauhinkappaleilla. [8]
5 JAUHATUKSEN ENERGIANKULUTUS
Yksi hienonnuksen tärkeimmistä ominaisuuksista on sen energiankulutus. Taulukossa III sivulla 10 on esitetty, että tuotteen hienonnusasteen kasvaessa ominaisenergianku- lutus kasvaa hyvin nopeasti. Lisäksi sivulla 4 taulukossa I on esitetty, että teollisuus- prosessin kulujen jakautumisessa, noin 50 % kuluista aiheutuu jauhatuksesta. Jauhet- taessa kuulamyllyllä, alle prosentti kokonaisenergiasta kuluu itse jauhatukseen, kun taas suurin osa energiasta absorboituu myllyyn. Yleisesti voidaan todeta, että riippuen myllytyypistä ja hienonnusasteesta, noin 1-10 % jauhatusprosessin kokonaisenergias- ta kuluu jauhatukseen. Näin voidaan todeta, että jauhatuksen energiankulutus on suuri ongelmakohta teollisuudessa. Energiankulutus märkäjauhatuksessa on noin 20–30 % alhaisempi kuin kuivajauhatuksessa, mutta huomattavaa on, että kokonaisenergiasääs- tö ei kuitenkaan ole näin suuri, sillä märkäjauhatus vaatii yleensä peräänsä kiintoai- neen ja nesteen erotus- ja kuivausprosessin. [6,10,11,16,23]
Hienontamisen ohella jauhatuksen käyttämästä energiasta suurin osa siis kuluu itse myllyyn, myllyn mekaanisiin häviöihin, lietteen lämpötilan kohottamiseen ja muihin toisarvoisiin asioihin, joten vain murto-osa energiasta saadaan käytettyä hyödyksi.
Nettoenergialla tarkoitetaan pelkästään hienontamiseen käytettyä energiaa, kun taas kokonaisenergia sisältää myllyn koko tehonoton. Jauhettavan aineen parametreista energiankulutukseen vaikuttavat jauhettavan aineen määrä, haluttu tuotekoko ja ai- neen erilaiset ominaisuudet kuten kovuus ja hauraus. Materiaalin kovuutta voidaan kuvata esimerkiksi Mohsin kovuudella. Kovaa materiaalia ovat erilaiset rautaseokset sekä timantit, kun taas pehmeitä materiaaleja puolestaan ovat esimerkiksi talkki ja kipsi. Lisäksi mitä hienommaksi materiaalia jauhetaan, sitä enemmän energiaa kuluu.
[10,13,16,23]
Eri hienonnusasteille on määritetty omat energialakinsa, joilla energian ja hienon- nusasteen välistä suhdetta voidaan kuvata. Nämä yhtälöt perustuvat partikkelien omi- naisuuksiin kuten pinta-alan kasvuun, tilavuuteen ja tuotteen kokoon. Seuraavaksi esiteltävät kolme yhtälöä soveltuvat pääasiassa rumpumaisille myllyille ja perustuvat Grillandin differentiaaliyhtälöön (2)
(2)
jossa E Hienonnustyöhön käytetty energia, kWh/t x Tuotteen hienoutta edustava tekijä
n Prosessin kertalukua edustava eksponentti
C Vakio, jonka numeerinen arvo riippuu materiaalista, hienonnusmene- telmästä ym.
Yhtälöstä 2 voidaan johtaa Rittingerin laki, jonka mukaan hienonnusprosessissa käy- tetty nettoenergia on suoraan verrannollinen saavutettuun pinta-alan lisäykseen. Rit- tingerin laki voidaan esittää yhtälöllä
( ) (3)
jossa x1 Tuotteen alkukoko, m x2 Tuotteen loppukoko, m
Yhtälöstä 2 voidaan johtaa myös murskaukseen hyvin soveltuva Kickin laki, jonka mukaan tarvittava nettoenergian määrä on verrannollinen kappaleen painoon ja tila- vuuteen. Kickin voidaan esittää yhtälöllä
( ) (4)
Kickin ja Rittingerin lakien pohjilta on määritetty hyvin karkeaan jauhatukseen sovel- tuva Bondin laki, jonka mukaan käytetty nettoenergia on kääntäen verrannollinen osaskoon neliöjuureen. Bondin laki voidaan esittää muodossa
(
√ √ ) (5)
Edelle mainitut yhtälöt soveltuivat pääasiassa rumpumaisille myllyille, joten ne eivät ole sellaisinaan sovellettavissa ultrahienojauhatukseen. Helmimyllyn energiankulu- tusta voidaan tarkastella helmimyllyn energiataseen avulla. Kuvassa 14 on esitetty panoshelmimyllyn virtauskaavio.
Tin T out
k, in
v, in
j, in
s, in
k, out
v, out
j, out
s, out
Pm
Kuva 14 Helmimyllyn virtauskaavio.
Helmimyllyn virtauskaavion avulla voidaan kirjoittaa energiatase, joka on esitetty yhtälössä (6)
̇ ̇ ̇ ̇ (6) ̇ ̇ ̇ ̇
jossa hj, in/out Jauhinkappaleiden ominaisenergia sisään/ulos, kJ/kg
hk, in/out Kalkkikiven ominaisenergia sisään/ulos, kJ/kg
hs, in/out Sekoitinelimen ominaisenergia sisään/ulos, kJ/kg
hv, in/out Veden ominaisenergia sisään/ulos, kJ/kg
̇ Massavirta, kg/s Pm Myllyn tehontarve, W
Jauhatuksen ominaisenergiantarve saadaan yhtälöstä
(7)
jossa Em Myllyn energiantarve, kWh/kg t Aika, s
qm,k Kalkkikiven tuotanto, kg/h
Ratkaisemalla yhtälöstä (6) myllyn tehonottotarve ja sijoittamalla se yhtälöön (7) saadaan helmimyllyn nettoenergiantarpeen yhtälöksi
( ) (8)
jossa cp Ominaislämpökapasiteetti, kJ/(kg K)
mj Jauhinkappaleiden massa, kg mk Kalkkikiven massa, kg ms Sekoitinelimen massa, kg mv Veden massa, kg
ΔT Lämpötilan muutos, K
Energiantarve kasvaa nopeasti partikkelikoon pienentyessä. Energiankulutusta jauha- tuksessa ja murskauksessa on kuvattu kuvassa 15.[1,5,7,10,11,12,15]
Kuva 15 Energian ja hienonnusasteen välistä suhdetta edustava hienonnuksen ominaiskäyrä. Pisteillä merkitty käyrä esittää kumulatiivista energian- kulutusta hienonnusasteen funktiona. [7]
Erilaiset myllyt kuluttavat myös eri määrän energiaa. Mitä hienommaksi tuote jauhe- taan, sitä enemmän energiaa mylly kuluttaa. Kuvassa 16 on esitetty eri myllyjen omi- naisenergiankulutus myllyjen hienonnusalueella.
Kuva 16 Eri myllyjen ominaisenergiankulutus myllyjen hienonnusalueella.[2]
II KOKEELLINEN OSA
6 KOKEIDEN TARKOITUS
Työn tarkoituksena oli tutkia hienojakoisen kalkkikiven jauhatusta panostoimisessa helmimyllyssä vertaillen eri sekoitinelimillä. Koetta varten oli suunniteltu uusi la- pasekoitinelin, jota verrattiin jo käytössä oleviin tappimaiseen ja levymäiseen sekoi- tinelimeen. Vertailussa oli tarkoitus selvittää, voiko uudella sekoitinelimellä saavuttaa paremman jauhatusasteen pienemmällä energiankulutuksella.
7 KOELAITTEISTO JA MITTAUSTEN SUORITUS
Tutkittavana materiaalina käytettiin hienojakoista kalkkikiveä, jonka tiheys oli 2700 kg/m3. Kalkin kosteuspitoisuus oli 0,3 %. Jauhatusvaiheessa työssä käytettiin panos- mallista helmimyllyä (V = 5 dm3) ja jauhettu materiaali analysoitiin käyttämällä Beckman Coulter LS 13 320 partikkelikokoanalysaattoria. Kalkkikiven keskiarvoko- ko, moodi ja mediaani määritettiin partikkelianalysaattorin avulla ja tulokset on esi- tetty taulukossa IV.
Taulukko IV Käytetyn kalkkikiven moodi, mediaani ja keskiarvokoot.
Kalkkikivi Mittaus Moodi
[µm]
Mediaani [µm]
Keskiarvo [µm]
Mittaus 1 203,5 177,6 189,1
Mittaus 2 203,5 183,4 194,9
Mittaus 3 203,5 191,4 203,0
Keskiarvo 203,5 184,1 195,7
7.1 Helmimylly
Jauhatus suoritettiin käyttämällä sylinterinmuotoista panoshelmimyllyä, jonka tila- vuus oli 5 dm3. Helmimylly on esitetty kuvassa 17. Sekoitineliminä käytettiin tappi- maista, levymäistä ja uudenlaista lapasekoitinelintä, jotka on esitetty kuvassa 18. Jau- hinkappaleina myllyssä käytettiin 2 mm:n lasihelmiä ja sekoitinelimien pyörimisno- peudet olivat 250 rpm ja 500 rpm.
Kuva 17 Työssä käytetty panoshelmimylly.
Kuva 18 Sekoitinelimet. Vasemmalla levymäinen, keskellä uusi lapamainen ja oikealla tappimainen sekoitinelin.
Ennen jauhatusta valmistettiin panos, jonka massakonsentraatio oli 30 %. Panos koostui kalkkikivestä ja vedestä. Jauhatusapuaineita ei käytetty. Jauhatuksen vakio- olosuhteet on esitetty taulukossa V.
Taulukko V Jauhatuksen olosuhteet Jauhettava materiaali Kalkkikivi Kiintoainepitoisuus (m-%) 30
Määrä (kg) 0,5
Tiheys (kg/m3) 2700
Apuaine Vesi
Määrä (kg) 1,17
Jauhinkappaleet Lasihelmi
Koko (mm) 2
Määrä (kg) 3
Sekoitinelimet
Tappimainen, paino (kg) 1,11 Levymäinen, paino teräsosa (kg) 0,74 Levymäinen, paino muoviosa (kg) 0,74 Lapamainen, paino (kg) 1,21
Kalkkikiven jauhautuvuutta tutkittiin ottamalla näyte (20 ml) lähtöaineesta ja sen jälkeen ajanhetkillä 15, 30, 45 ja 60 minuuttia. Jauhatuksen energiankulutuksen mää- rittämiseksi mitattiin jauhatuksen lämpötilan nousu ensimmäisen 15 minuutin aikana.
7.2 Partikkelikokoanalysaattori
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 koos- ta. 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.
Aika [min]
Mediaani [µm]
Moodi [µm]
Keskiarvo [µm]
Tappi Levy Lapa Tappi Levy Lapa Tappi Levy Lapa 0 184,13 184,13 184,13 203,50 203,50 203,50 195,67 195,67 195,67 15 6,34 4,15 6,13 21,70 7,61 21,70 8,94 6,71 8,89
30 4,13 3,07 4,34 1,75 1,70 1,75 6,96 5,45 7,40
45 3,54 2,53 3,33 1,75 1,67 1,75 6,54 5,05 6,28
60 3,05 2,54 3,02 1,59 1,64 1,70 5,96 5,23 6,02
Taulukko VII Mediaani. moodi ja keskiarvopartikkelikoko kalkkikivelle jauhaessa tappimaisella, levymäisellä ja uudella lapamaisella sekoitinelimellä pyörimisnopeudella 500 rpm.
Aika [min]
Mediaani [µm]
Moodi [µm]
Keskiarvo [µm]
Tappi Levy Lapa Tappi Levy Lapa Tappi Levy Lapa 0 184,13 184,13 184,13 203,50 203,50 203,50 195,67 195,67 195,67 15 5,81 4,47 4,82 22,40 7,48 10,29 8,88 7,13 7,87
30 4,37 3,41 3,33 4,40 1,75 1,75 7,18 6,03 6,04
45 3,79 2,66 2,58 1,86 1,67 1,75 6,52 5,32 4,87
60 3,11 2,47 2,24 1,75 1,62 1,75 5,39 5,17 4,16
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
0 1 2 3 4 5 6 7
0 10 20 30 40
X50, [µm]
Energiankulutus [kWh/t]
Tappisekoitin Levysekoitin Lapasekoitin
0 1 2 3 4 5 6 7
0 50 100 150
X50, [µm]
Energiankulutus [kWh/t]
Tappisekoitin Levysekoitin Lapasekoitin
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 pienellä pyörimisnopeudel- la 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 uudella 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 sekoitinelimen 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
