Вертикальная струйная мельница (ВСМ)

Cтруйная мельница — разновидность мельниц, используемых для получения ультрадисперсных продуктов сухим способом. Измельчение происходит при столкновении частиц о частицы в псевдосжиженном слое (аэрозоле) потоками воздуха или пара высокого давления.

Определяющим отличием вертикальной струйной мельницы (ВСМ), разработанной компанией «Новые технологии» с целью получения высококачественных ультрадисперсных порошков карбида кремния, от широко-распространенных типов существующих противоточных струйных мельниц является то, что измельчение исходного сырья происходит в ней за счет самоистирания частиц материала, при котором основным фактором разрушения кристаллической структуры зерна выступают напряжения динамического сдвига, возникающего в стесненном объеме разгонных труб, куда с помощью энергоносителя (сжатого воздуха) и подается измельчаемый материал. Многократное повторение циклов измельчения приводит к возникновению процесса огранки частиц с одновременной шлифовкой и полировкой всех граней зерна. В результате чего, при измельчении исходного сырья на вертикальной струйной мельнице, удается получать микропорошок, зерна которого имеют высокую степень однородности как по форме (приближенной к кубу, октаэдру или многогранной призме), так и по размеру.

Вторым существенным преимуществом является возможность оперативного управления качеством конечного продукта, позволяющая без остановки процесса измельчения изменять характеристики получаемых порошков. В зависимости от напряженности режимов помола и классификации конечные продукты могут иметь существенные отличия по следующим характеристикам:

• размер зерна,
• однородность формы зерна,
• равномерность распределения зерен одинаковой формы и размера в составе одной фракции,
• количество граней в зерне и подобие их линейных размеров,
• величина угла наклона граней и, как следствие, острота «режущих вершин»,
• степень износа абразивных зерен при многократном их использовании.

Указанные преимущества позволяют получать большое количество типов микропорошков, обладающих различной степенью абразивной способности, а, следовательно, и существенно расширить области их применения.

В таблице приведен сравнительный анализ эффективности использования различных типов мельниц для получения микропорошков карбида кремния зеленого.

Эффективность использования различных типов мельниц для производства микропорошков карбида кремния

В процессе проведения многочисленных экспериментов были выявлены нижеперечисленные эксплуатационные преимущества вертикальных струйных мельниц:

• низкое энергопотребление процесса измельчения,
• простота управления, ремонта, модернизации узлов и агрегатов,
• возможность оперативной перенастройки оборудования в процессе эксплуатации,
• безопасность эксплуатации оборудования.

Основной процесс измельчения в вертикальной струйной мельнице происходит при восходящем движении плотной газопылевой смеси внутри разгонной трубы. Скорость направленного движения смеси достигает максимума на оси трубы и стремится к нулю при приближении к стенкам трубы. В трубу одновременно подаются как частицы исходного продукта, подлежащие измельчению, так и зерна, прошедшие процесс измельчения.

Основными параметрами, определяющими интенсивность измельчения зерен, являются средняя кинетическая энергия движения отдельных зерен, описывающая энергию их соударения друг о друга, и градиент скорости направленного движения газопылевой смеси, характеризующий взаимную скорость движения соседних слоев смеси.

В то время как скорость движения отдельных зерен в смеси достигает максимума на оси трубы, градиент скорости направленного движения максимален у края трубы. Таким образом, на оси трубы происходит наиболее сильное разрушение зерен, а у края трубы располагается зона шлифовки и полировки поверхности частиц на наноуровне при наименьшем уровне измельчения.

Принцип действия мельницы показан на рис. 1.

Рис. 1. Принцип действия вертикальной струйной мельницы (ВСМ)

Использование принципа воздушно-струйного измельчения с применением ВСМ, разработанного компанией «Новые технологии», позволяет получать одновременно несколько фракций ультрадисперсных порошков с высокоразвитой удельной поверхностью – до 16 м2/г. Сочетая эту технологию с дополнительной динамической классификацией, данный показатель может быть увеличен до 30 м2/г, что позволяет значительно улучшить физико-механические характеристики готовых изделий (например, элементов конструкционной керамики), изготовленных с применением таких высокодисперсных порошков.

Основным потребительским параметром качества микропорошков карбида кремния для проволочной (струнной) резки является их режущая способность.

Режущая способность микропорошков, полученных с помощью противоточных и вертикальных мельниц, сравнивалась в ходе лабораторных измерений (истирание образцовой стеклянной пластины на приборе «Шлиф») и натурных испытаний на станке проволочной резки.

Измерения показали, что режущая способность микропорошков карбида кремния, полученных на ВСМ, выше на 10-12% при лабораторных испытаниях и на 15-20% при струнной резке кремния в условиях реального производства пластин, по сравнению с предлагаемыми сегодня на рынке абразивными микропорошками для струнной резки.

Также, при двухстороннем шлифовании карбидом кремния сапфировых изделий получены результаты, показывающие повышенную абразивную способность карбида кремния (выше на 25% относительно существующих аналогов) и повышение качества «чистоты» обработки (снижение шероховатости с 0,40 до 0,35 мкм).

Вертикальная струйная мельница разработана в ходе работ, проведенных с 2000 по 2010 гг. Технология реализована в опытно-промышленном масштабе (см. схему установки на рис. 2) (производительность до 500 кг/сутки) и апробирована при производстве микропорошков из давальческого сырья с 2008 по 2011 гг. Общий объем произведенных микропорошков – 20 тонн.

Рис. 2. Схема установки тонкого измельчения абразивных материалов компании «Новые Технологии»: 1 – Загрузочное устройство; 2 – Инжектор; 3 – Пневмо-циркуляционный аппарат (ПЦА); 4 – Циклоны осадительные; 5 – Шкаф рукавных фильтров; 6 – Приемные емкости; 7 – Затвор пережимной с герметичными крышками.

3D-модель мельницы (откроется в новом окне)

В процессе измельчения частиц материала в восходящих потоках газовых струй, происходящего в ограниченном объеме разгонных труб, за счет многократных соударений/трений между одиночными частицами и организованными по гранулометрическому составу их сообществами, воспринимающими одновременные разнонаправленные усилия деформации, возникает совокупность параллельно-действующих процессов обработки зерна, таких как непосредственное разрушение частицы, шлифовка и полировка на наноуровне поверхностей граней, «заточка» режущих ребер частицы, что в обобщенном виде может быть охарактеризовано как управляемая огранка частиц. На рис. 3 и 4 представлены изображения с электронного микроскопа микропорошков карбида кремния, полученные на вертикальной струйной мельнице разработки «Новые технологии» и струйной мельнице противоточного типа.

Рис. 3. Микропорошок карбида кремния после измельчения на вертикальной струйной мельнице. Увеличить

Рис. 4. Микропорошок карбида кремния после измельчения на струйной мельнице противоточного типа.

В дальнейшем, совокупность вышеописанных процессов и один из принципов предлагаемого метода струйного измельчения для краткости может именоваться «кинетической огранкой».

Использование особенностей процессов, происходящих при кинетической огранке, позволит выпускать порошки для струнной резки с заранее заданными свойствами, оказывающими влияние на показатели качества обработки поверхности кристалла кремния при его резке, а именно: скорость реза, эффективность съема материала, глубина следов реза (по наличию дефектов на поверхности разрезаемых пластин) после распиловки, шероховатость обработанной поверхности и т.п.