Файл: Брагинский, Г. И. Технология магнитных лент.pdf

к разрушению агрегатов и созданию условий, необходимых для про­ текания процессов, определяющих получение стабильных суспензий, название «мельница» для некоторых аппаратов, используемых в тех­ нологии получения дисперсии, носит условный характер.

Диспергирование магнитного порошка в растворе полимера обыч­ но ведут до оптимальной концентрации. Причем эту концентрацию определяют в рабочем слое готовой ленты. Ее величина зависит от формы и размеров частиц, насыпной плотности порошка, а также от природы пленкообразующего полимера. Это обусловливает не­ обходимость выбора оптимальной объемной концентрации для каж­ дой разновидности порошка. Так, при объемной концентрации по­ рошка в рабочем слое ленты меньше оптимальной ухудшаются такие рабочие характеристики магнитной ленты, как чувствительность, нелинейные искажения и уровень шума. Если же объемная концент­ рация превышает оптимальную, возникает возможность разрушения кристаллов порошка при его диспергировании, что приводит к уве­ личению уровня копирэффекта ленты.

Сложность процесса диспергирования приводит к необходимости экспериментального определения диспергируемости данного порошка на определенном типе оборудования в каждом отдельном случае. В связи с этим экспериментальная подготовка к проектированию технологических процессов и к выбору или конструированию аппа­ ратов для диспергирования должна осуществляться в условиях, идентичных намечаемым в технологии.

5.2.2. Оборудование для диспергирования

Наиболее старым типом оборудования для диспергиро­ вания магнитного порошка в растворе связующего полимера является горизонтальная шаровая мельница. Это аппарат периодического действия, представляющий собой медленно вращающийся металли­ ческий барабан, частично заполненный свободно движущимися мелющими телами (шарами) и материалом, подлежащим измельче­ нию. Измельчение в таких аппаратах осуществляется ударом, раз­ давливанием и истиранием. Магнитные порошки состоят в основном из очень мелких частиц (0,1—0,7 мкм) и при сухом измельчении нали­ пают на внутреннюю поверхность барабана и шаров. Поэтому в тех­ нологии магнитных лент используют шаровые мельницы для мок­ рого измельчения.

Несмотря на малый к. п. д. (менее 1%) шаровые мельницы в не­ которых случаях оказываются эффективным видом оборудования. Это объясняется прежде всего возможностью использования их для тонкого измельчения абразивных материалов и возможностью изме­ нения тонкости измельчения в достаточно широких пределах. Кон­ струкция их проста и надежна, а шары легко заменяются. Наряду с этим шаровые мельницы обладают рядом существенных недостат­ ков, и в последние годы их заменяют новыми типами оборудования. Основные недостатки шаровых мельниц: трудность очистки при переходе с одного ассортимента продукции на другой; истирание

234

шаров, приводящее к тому, что материал, из которого они сделаны, примешивается к измельченному продукту; быстрая изнашиваемость внутренней поверхности барабанов. Они весьма громоздки, требуют резкого повышения удельного расхода электроэнергии при недо­ грузке, работа их сопровождается сильным шумом, что вызывает необходимость установки их в специальных помещениях.

Шаровая мельница периодического действия для диспергиро­ вания магнитного порошка в растворе связующего полимера пред­ ставляет собой герметичный барабан, снабженный водяной рубашкой. Цапфы барабана вращаются в двух подшипниках. Барабан, приводя­ щийся во вращение электродвигателем через редуктор, имеет люк для загрузки компонентов суспензии, люк для ремонтных работ, патрубок для освобождения мельницы от паров растворителей перед

Рис. 87. Лавинообразный (а) и водопадный (б) режимы движения шаров.

открытием ее люка. Мельница заполнена металлическими или стеа­ титовыми шарами.

Оптимальная производительность и качество диспергирования в шаровой мельнице определяются характером движения шаров. Многообразный характер их движения условно разделяют на два идеализированных режима: водопадный и лавинообразный (рис. 87).

Под водопадным режимом понимают такой вид движения, когда шары под действием центробежных сил перемещаются по стенке мель­ ницы значительно выше угла естественного откоса, затем под дей­ ствием силы тяжести шары отрываются от стенки и, падая, ударяют слои диспергируемого или измельчаемого материала, находящиеся на стенке мельницы или на поверхности шаров.

При лавинообразном режиме шары поднимаются по направлению движения барабана несколько выше угла естественного откоса и ска­ тываются лавинообразно вниз. При этом шары верхних слоев вра­ щаются вокруг своих осей, увлекая измельчаемый или дисперги­ руемый материал. Лавинообразное скатывание шаров приводит к раздавливанию и истиранию материала. При этом не исключено также и некоторое ударное воздействие, так как шары скатываются по неровной поверхности слоев шаров, расположенных ниже. Прак­ тически эти режимы сопутствуют друг другу.

235

Режим движения шаров определяется главным образом числом оборотов барабана, степенью заполнения его шарами, формой внут­ ренней стенки цилиндра и коэффициентом трения шаров о стенку, покрытую измельчаемым материалом. Изменяя эти факторы, можно получать различные режимы движения шаров и, следовательно, различное соотношение между работой удара, раздавливания и ис­ тирания, обеспечивая наиболее выгодные условия измельчения ма­ териала.

С возрастанием числа оборотов барабана лавинообразный режим движения шаров переходит в смешанный и далее в водопадный, после чего по достижении критического числа оборотов все шары начинают вращаться с барабаном, распределившись по его стенке. Теоретиче­ ское обоснование водопадного режима движения шаров заключается в следующем. При полном отсутствии скольжения шаров относительно стенки барабана (коэффициент трения / = 1) окружная скорость шара будет равна скорости барабана. В этом случае шар оторвется от стенки барабана в тот момент, когда центробежная сила инерции с будет меньше радиальной слагающей веса шара:

радиус окружности, по которой происходит вращение шаров данного слоя (условно принято г = R), м; а — угол отрыва шаров, °.

Подставив в формулу (74) выражение для ѵ = nRn/30, где п — число оборотов барабана в минуту, получим следующее выражение:

Когда скорость вращения достигает величины, при которой цен­ тробежная сила инерции будет равна весу шара или превысит его, шар будет вращаться вместе с барабаном. Эту скорость вращения называют критической теоретической. При критическом числе обо­ ротов барабана cos а = 1, так как угол отрыва шаров а = 0. Тогда, в соответствии с формулой (75), получим следующее выражение:

где щ кр — теоретическая критическая скорость вращения барабана для внешнего слоя шаров, об/мин; D — внутренний диаметр барабана мельницы, м.

Формула (76) характеризует зависимость теоретической крити­ ческой скорости от веса шаров для принятого условия R = г. Она показывает, что теоретическая критическая скорость не зависит от веса шаров и увеличивается с уменьшением расстояния слоя шаров от оси вращения.

Таким образом, когда для шаров внешнего слоя критическая скорость уже будет достигнута, шары внутренних слоев будут дви­

236

гаться со скоростью менее критической и большая часть их будет отрываться от стенки барабана и падать.

Установлено, что чем выше степень заполнения барабана мель­ ницы шарами, тем большей долита быть скорость его вращения, при которой все шары будут вращаться вместе со стенкой. Это уве­ личение скорости, выраженное в процентах по отношению к теоре­ тической критической скорости, изменяется в зависимости от сте­ пени заполнения барабана мельницы шарами ср и, при условии от­ сутствия скольжения шаров о стенки барабана (/ = 1), выражается следующими величинами [275]:

показывают, что во вращающемся барабане мельницы шары движутся по параболическим кривым. В зависимости от числа оборотов бара­ бана изменяется высота падения шара и, следовательно, его ки­ нетическая энергия, определяющая эффективность работы шара ударом.

Максимальная высота падения шара достигается при угле его отрыва а = 54° 40' [277]. При водопадном режиме работы шаровой: мельницы возможны два варианта измельчения: а) когда происходит-

шаров в полете, установив предельную степень заполнения барабана шарами. Наиболее выгодными условиями работы ударом для внеш­ него слоя шаров являются скорость вращения барабана 76% от-

в первом случае 0,4, а во втором 0,54 с учетом того, что около 46% всех шаров находится в полете.

Однако способ выражения оптимального числа оборотов барабана через теоретическое критическое число оборотов, рассчитываемое по формуле (76), не учитывает скольжения шаров по стенке барабанаДействительное же число оборотов барабана п рассчитывают по фор­ муле:

Ф

где ф — коэффициент, учитывающий скольжение шаров относительно!

стенки барабана.

Коэффициент скольжения зависит от ряда взаимосвязанных фак­ торов: коэффициента трения шаров о стенку барабана при наличии между ними измельчаемого материала, степени заполнения бара­ бана мельницы шарами, формы и характера внутренней поверх­ ности барабана. При гладкой поверхности и степени заполнения

23?

ф = 0,15—0,20 коэффициент скольжения шаров является функцией угла трения и может быть определен по формуле:

ф = l^sin со

где со — угол трения.

Обычно при сухом измельчении и гладкой внутренней поверхно­ сти барабана при ф = 0,2—0,25 значение ф может колебаться от 0,7 до 0,9, а при ф = 0,35—0,50 коэффициент скольжения ф прибли­ жается к единице.

Число оборотов барабана мельницы выбирают с учетом режима движения шаров, зависящего от необходимой степени измельчения (крупное, тонкое, сверхтонкое), характера внутренней поверхности барабана и коэффициента заполнения барабана шарами.

В процессе приготовления суспензии применяют мокрую сверх­ тонкую дезагрегацию магнитного порошка. В этом случае размеры агрегированных частиц измеряются долями миллиметра, вследствие чего отпадает необходимость в предварительном измельчении их ударом. Поэтому преобладающим режимом движения шаров в бара­ банах является лавинообразный. Число оборотов барабана при этом обычно не превышает 50—60% от теоретического критического.

Существенные недостатки описанных выше горизонтальных шаро­ вых мельниц — периодичность их действия, неудобство загрузки и выгрузки. Следует также отметить, что полезная работа совер­ шается только при перекатывании шаров. При этом значительное количество энергии расходуется на перемещение шаров, необходимое для осуществления рабочего цикла, что является одной из причин низкого к. п. д. шаровых мельниц.

В работе [278] было показано, что при степени заполнения бара­ бана шарами 20—30% от его объема большинство шаров неподвижно по отношению друг к другу и работает только сравнительно тонкий слой шаров. При этом вся масса шаров сильно скользит относительно внутренней поверхности барабана. Этого можно избежать, применяя диспергатор типа шаровой мельницы, в которой предусмотрено пере­ мешивание шаров лопастной мешалкой [278]. В местах прохождения лопастей обеспечивается высокая интенсивность движения шаров. Кроме того, наличие лопастей значительно уменьшает скольжение шаров по стенке барабана и повышает высоту их подъема, увеличивая скорость скатывания. Такой диспергатор может быть использован как при периодической, так и непрерывной схеме технологического процесса.

На рис. 88, а показана принципиальная схема диспергатора пе­ риодического действия емкостью 4 м3. Он представляет собой враща­ ющийся барабан с шарами, внутри которого неподвижно к его стен­ кам закреплен вал с лопастями. Аппарат непрерывного действия (рис. 88, б) разделен перфорированными перегородками на несколько секций. Внутри каждой секции также расположен закрепленный неподвижно относительно стенок барабана вал с лопастями. Суспен­ зия, проходя через отверстия в перегородках, подвергается последо­ вательной обработке в каждой секции.

238

Объемная производительность диспергатора в два-три раза больше объемной производительности шаровой мельницы, а износ шаров и внутренней поверхности барабана меньше. Авторы работы [279] указывают, что переделка функционирующих шаровых мель­ ниц в диспергаторы позволяет быстро и с малыми затратами повы­ сить производительность.

Рис. 88. Схема диспергатора периодического (а) и непрерывного ( б ) действия.

Еще одним типом аппаратов для диспергирования являются вер­ тикальные шаровые мельницы с мешалками — атриторы, в которых шары всегда совершают полезную работу, так как, находясь в не­ прерывном движении, они все время соприкасаются с измельча­ емым материалом. Число контактов возрастает по мере уменьшения диаметра шаров и при увеличении числа оборотов мешалки. Суще­ ственным преимуществом атриторов является меньший удельный расход энергии на единицу обрабатываемого материала, возмож­ ность осуществления процесса непрерывного диспергирования,

239

относительная легкость перехода с обработки одного материала на другой и незначительная площадь, занимаемая ими [273J.

Атритор (рис. 89, а) представляет собой металлический корпус, заполненный шарами, в котором вращается вал с лопастями, распо­ ложенными по спирали под углом 60—90° друг к другу. Длина лопа­ стей составляет около 0,8 длины радиуса корпуса. При вращении мешалки создается интенсивное движение шаров вокруг движущихся лопастей, а при прохождении лопастей через слой шаров возникают колебательные движения. Скорость вращения мешалки в зависимости

Рис. 89. Схема атритора периодического (а), непрерывного ( б ) действия:

1 корпус с рубашкой; 2 — циркуляционная труба; 3 — мешалка.

от размера аппарата лежит в пределах 60—250 об/мин. Корпус снаб­ жен водяной рубашкой. Диаметр стальных и стеатитовых шаров в пер­ вых моделях атриторов составлял 12—15 мм, затем был снижен до 5 —7 мм в аппаратах периодического действия и доведен до 3 мм в аппаратах непрерывного действия. Дальнейшее уменьшение диа­ метра шаров до 3 мм позволило создать атриторы непрерывного действия (рис. 89, б).

Если суспензию получают в аппаратах периодического действия, то в процессе диспергирования осуществляют ее рециркуляцию, отбирая насосом из нижней части корпуса и подавая в верхнюю. Раз­ гружают атритор также при помощи этого насоса.

В аппаратах непрерывного действия загрузку осуществляют также насосом в нижнюю часть корпуса и разгружают через решетку, расположенную в верхней части. В отличие от горизонтальных шаро­ вых мельниц, где движется только верхний слой шаров и степень заполнения барабана шарами составляет 25—50%, в атриторах в движение вовлекается большая часть шаров, а степень заполнения

240