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磨矿制度对皂石超细研磨效果的影响

作者:admin日期:2020-07-18阅读
皂石是蒙皂石家族中的一个分支, 属于 2∶1 型结构的具有膨胀性的含水铝硅酸盐,是非金属矿产资源中一种储量不多且性质独特的矿产资源[1-2]。皂石八面体中的阳离子数量和种属与其他亚族的不同,因此呈独特的三八面体结构。 特殊的结构使皂石具有很多优越 的 性 能 ,如 优 良 的 膨 胀 性 、触 变 性 、增 稠 性 和 胶 体性。 这些性质使皂石矿物成功地应用于制药、化妆品
及其他工业领域[3-4]。
超细粉体具有比表面积大、表面活性高 、遮盖率大、填充补强性能好、化学反应快等优良的物理化学性能[5],因此,高新技术产业所需的粉末状矿产原料几乎都需要超细加工,工业应用对物料微细化的要求是无止境的[6-8]。 皂石作为稀缺的矿物资源,广泛应用于各工业领域, 对其进行超细研磨研究具有重要意义,但是目前相关的报道很少。
行星磨作为一种高效研磨设备,近年来开始得到关注,在基础研究和应用研究方面都取得了一定的成果。如张志胜等[9]、陈世柱等[10]对行星磨的结构尺寸和临界转速等进行了探讨,宋海明等[11]、金叶玲等[12]对行星磨在磨矿过程中的工艺参数进行了实验研究。 已有的研究存在的问题在于采用的行星磨磨矿效率普遍较低,磨矿时间从 1 h 至几十小时不等。 CJXXM 型行星磨是一种高能量密度的新型行星磨, 整机一体化,操作简单,磨矿效率高,磨矿时间为几分钟到几十分钟。 为了研究 CJXXM 型行星磨干法超细研磨皂石的效果,本文中对皂石进行干法超细研磨研究,通过粒度分析考察介质与物料质量比、磨机转速、助磨剂种类及用量、磨矿时间对皂石粒度的影响。
1 实验
1.1 材料与试剂
主要材料与试剂包括:皂石粉,湖南益阳登峰科技有限公司,d50、d97(d50、d97 分别是累积质量分数为 50%、97%时对应的颗粒粒径)分别为 6.59、32.87 μm,粒度分布如表 1 所示;钇稳定氧化锆球,磨矿介质,粒径为0.6~2 mm,北京中轻金石进出口有限公司;聚乙二醇1000,助磨剂,化学纯,pH 为 4.0~7.0,广东省西陇化工股份有限公司;硬脂酸钠,化学纯,广东省西陇化工股份有限公司。
磨矿制度对皂石超细研磨效果的影响
1.2 设备与仪器
主 要 设 备 与 仪 器 包 括 :CJXXM 型 高 能 活 化 行 星磨, 浙江嘉兴禾新机械有限公司; BT-1500 型离心沉降式粒度分布测定仪,辽宁省丹东市百特仪器有限公司。
1.3 实验步骤及表征方法
分别取 25 g 皂石粉置于 2 个研磨罐中,按一定的介质与物料质量比(简称介料比)加入磨矿介质,称取一定质量的助磨剂,倒入研磨罐中,搅拌均匀,连续磨矿一定时间,取样。 采用沉降式粒度分布测定仪对所取样品进行粒度分析, 得到每个样品的粒度分布数据,本文中以 d50 和 d97 为对比分析的依据。
2 结果与讨论
2.1 介质与物料质量比对矿粉粒度的影响
原矿质量为 25 g,磨机转速为 600 r/min,添加质量分数为 0.5%的助磨剂硬脂酸钠, 分别在介料比为1、2、3、4、5 的条件下连续磨矿 24 min,取样检测。 介质与物料质量比对矿粉粒度的影响如图 1 所示。 由图可知, 矿粉的粒度随着介料比的增大而先减小再增大,最后保持稳定。 当介料比小于 3 时,介质质量过小,只有部分大颗粒产生脆弱点和脆弱面的断裂和解离;随着介料比的增大,介质提供给矿粉的能量也逐渐增大,大颗粒断裂和解离的概率越大,同时小颗粒也能够克服内部键能而产生碎 裂 , 当 介 料 比 达 到 3时,具有最好的磨矿效果;当介料比大于 3 时,磨矿效果反而变差,原因是此时介质质量过大,作用于矿粉上的力过大, 致使具有较大表面能的小颗粒重新团聚在一起,同时,已碎裂小颗粒的表面不饱和键在机械力化学作用下生成少量的水,加剧团聚现象。 综上所述,适宜的介料比为 3,产品的 d50、d97 分别为 1.63、6.6 μm。
磨矿制度对皂石超细研磨效果的影响
2.2 磨机转速对矿粉粒度的影响
原矿质量为 25 g,选取介料比为 3,添加质量分数为 0.5%的助磨剂硬脂酸钠, 分别在磨机转速为 400、500、600、700、800 r/min 的条件下连续磨矿 24 min,取样检测。 磨机转速对矿粉粒度的影响如图 2 所示。
磨矿制度对皂石超细研磨效果的影响
由图可知, 矿粉粒度随着磨机转速的增大而先减小后增大。 当转速小于 600 r/min 时,随着转速的增大,介质作用在矿粉上的力逐渐增大, 大颗粒在脆弱点和脆弱面发生断裂的概率也随之增大, 矿粉粒度相应地减小;当转速为 600 r/min 时,介质作用在矿粉上的力足够大,在此转速下,不仅有大颗粒脆弱点和脆弱面断裂的过程, 同时也伴随着小颗粒克服内部键能而产生碎裂的过程,此时磨矿效果最佳;当转速大于 600 r/min时,磨矿效果变差。 原因是转速过大,介质作用于矿粉上的力过大,使得具有较大表面能的小颗粒发生团聚;同时,由于转速的增大,磨矿过程中产生的热量急剧增大,致使矿粉单元层间的结晶水部分或全部析出,加剧团聚现象;再者,在高热量和高转速的条件下,矿粉将受到机械力化学作用, 其边缘不饱和键在此作用下也会产生少量的水,进一步加剧团聚现象。 综上所述,磨矿效果并不总随着磨机转速的增大而得到优化, 而是存在一个临界值, 在本实验中, 磨机转速取 600 r/min为宜,产品的 d50、d97 分别为 1.63、6.6 μm。
2.3 助磨剂种类对矿粉粒度的影响
原矿质量为 25 g, 选取介料比为 3, 磨机转速为600 r/min, 分别选用聚乙二醇 1000 和硬脂酸钠为助磨剂,添加质量分数均为 0.5%,每隔 6 min 取一次样,累计磨矿 30 min,共取样 5 次。 助磨剂种类对矿粉粒度的影响如图 3 所示。 由图可知,硬脂酸钠的助磨效果明显优于聚乙二醇 1000 的, 原因是硬脂酸钠为离子型有机物,在机械力化学作用下,硬脂酸阳离子基团一方面与矿粉颗粒脆弱点和脆弱面处的不饱和键结合,中和不饱和键能,加速矿粉的碎裂过程;另一方面,与已碎裂小颗粒的表面不饱和键紧密结合,利用有机大分子的空间位阻效应防止团聚的发生,从而达
到较小的粉碎极限。 聚乙二醇 1000 为非离子型有机物, 只能借助范德华力与矿粉颗粒发生物理吸附,起到简单的润滑作用,因此磨矿效率较低,大颗粒随着磨矿时间的延长缓慢变小,形成的小颗粒并不能进一步被细化,因此粉碎极限较大。 综上所述,有机阳离子型表面活性剂较非离子型表面活性剂更适于用作皂石的助磨剂。
磨矿制度对皂石超细研磨效果的影响
2.4 助磨剂用量对矿粉粒度的影响
原矿质量为 25 g, 选取介料比为 3, 磨机转速为600 r/min,选取硬脂酸钠为助磨剂,在助磨剂添加质量分数分别为 0、0.2%、 0.3%、 0.4%、 0.5%、 0.6%、 0.7%的条件下进行磨矿实验,连续磨矿 24 min,取样检测。样品的粒度检测结果如图 4 所示。 由图可知,当添加硬脂酸钠的质量分数小于等于 0.4%时, 助磨效果不显著。 硬脂酸钠的质量分数为 0.4%~0.6%时,矿粉粒度随
助磨剂用量的增大而显著减小,并在质量分数为 0.6%时达到最小值,产品的 d50、d97 分别为 1.28、7.00 μm。 当助磨剂用量继续增大时,不但不能起到助磨作用,反而对磨矿过程产生不利影响。 原因是助磨剂用量太小时,不能在矿粉颗粒脆弱点和脆弱面及外表面形成完整的单层吸附,因此助磨效果不明显;当用量适宜时,助磨剂基团恰好在脆弱点和脆弱面形成完整的单层吸附,
既中和了不饱和键能,又发挥了空间位阻作用,从而加速矿粉的碎裂过程,并有效防止团聚现象的发生;当用量过大时,发生“反吸附”作用,使得矿粉颗粒脆弱点和脆弱面及外表面重新荷电,处于不饱和状态,易于发生团聚现象。 综上所述,在干法研磨皂石时添加助磨剂硬脂酸钠的适宜质量分数为 0.6%。
磨矿制度对皂石超细研磨效果的影响
2.5 磨矿时间对矿粉粒度的影响
原矿质量为 25 g, 选取介料比为 3, 磨机转速为600 r/min, 添加质量分数为 0.6%的助磨剂硬脂酸钠,每隔 2 min 取一次样,累计磨矿 30 min。 磨矿时间对矿粉粒度的影响如图 5 所示。 由图可以看出,时间小于 24 min 时,样品粒度随着时间的变化呈现显著的波动性,之后趋于稳定。 由于取样时间间隔较小,因此曲线可以很好地体现出磨矿过程复杂的动态变化,即前24 min 矿粉处于破碎和团聚的不平衡状态,24 min 后破碎和团聚基本达到动态平衡。 最终取磨矿时间为30 min,此时,产品的 d50、d97 分别为 1.55、7.38 μm。
磨矿制度对皂石超细研磨效果的影响
3 结论
1)使用 CJXXM 型高能活化行星磨对皂石进行干式超细粉碎, 以粒径为 0.6~2 mm 的氧化锆球为磨矿介质,适宜的工艺条件如下:介质与物料质量比为 3,磨机转速为 600 r/min, 添加质量分数为 0.6%的硬脂酸钠为助磨剂,磨矿时间为 30 min。
2)CJXXM 型 高 能 活 化 行 星 磨 具 有 较 高 的 磨 矿 效率,在适宜的工艺条件下,磨矿 30 min,矿粉的 d50、d97分别为 1.55、7.38 μm。