способ получения порошка из кристаллов слюды

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА ИЗ КРИСТАЛЛОВ СЛЮДЫ, включающий измельчение и стадиальную классификацию измельченного материала с выделением грубой и тонкой фракций и с возвращением на доизмельчение грубой фракции, отличающийся тем, что слюду предварительно подвергают обработке, преимущественно электрохимической, и последующему в присутствии реагентов-диспергаторов центробежному измельчению мелющими телами из полимерного материала, а стадиальную классификацию осуществляют в восходящем водном потоке до получения готового по крупности продукта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частота измельчителя составляет 800-1200 мин^-1, а степень заполнения мельницы мелющими телами в 3-6 раз больше степени ее заполнения измельчаемым материалом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что классификацию в восходящем водном потоке ведут в ламинарном режиме с направлением тонкой фракции первой стадии классификации в последующую при скоростях потока в I стадии 0,04 - 0,08 см/с, а в последней - 0,005 - 0,008 см/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к переработке слюды, в частности к способам ее мокрого измельчения, и предназначено для получения молотой слюды различного целевого назначения с последующим ее применением в легкой, обойной, лакокрасочной и любой другой отрасли промышленности, где используется декоративный эффект слюды.

Известен также способ обработки слюды, включающий измельчение ее в водной среде и последующую активацию в растворе 1-200%-ной пероксосерной кислоты, количество которой составляет 10-50% от массы слюды [1]

Недостатком известного способа является невысокая степень расщепления слюды, использование большого количества концентрированной пероксосерной кислоты, что требует специального кислотостойкого оборудования и имеет отрицательное экологическое воздействие.

Известен способ обработки слюды, включающий ее мокрое измельчение и последующую классификацию со сгущением и извлечением из слива тонкодисперсной фракции [2] Данный способ основан на способности разделения материала на отдельные фракции вследствие различия в скоростях падения частиц в жидкой среде после проведения ее измельчения в мельнице.

Недостатком данного способа является низкая степень расщепления слюды при выходе ее из мельницы, особенно со средним приведенным диаметром 20-40 мкм, получение слюды требуемой дисперсности, а также происходящее значительное переизмельчение слюдяного продукта до крупности менее 5 мкм, что уменьшает выход крупных классов, являющихся исходным материалом, используемым в качестве усиливающего наполнителя в полимерных композиционных материалах и для получения пигментов.

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является способ получения порошка из материала с помощью размольной установки, включающий измельчение его в вибрационной мельнице и классификацию в потоке пылевоздушной смеси с выделением крупной и тонкой фракции и с возвращением крупной фракции на доизмельчение, тонкой фракции на дополнительную классификацию в циклон с извлечением при такой классификации мелкой фракции в виде готовой продукции [3]

Недостатком способа является то, что при направлении на сухое измельчение слюды ее частицы больше ломаются в поперечном направлении, чем раскрываются по плоскостям спайности, не имеют блеска и глянца, вследствие чего выделяемая при классификации готовая фракция состоит из частиц с низким значением характеристического отношения (ХАО), что не соответствует требованиям на слюду для ее использования по целевому назначению. Кроме того, процесс сухого измельчения является очень длительным по времени и характеризуется относительно высокими затратами энергии.

Изобретение направлено на повышение степени измельчения и улучшение качества порошка слюды.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе получения порошка из кристаллов слюды, включающем измельчение, многостадиальную классификцию продуктов помола, возвращение на доизмельчение крупной фракции, слюду предварительно подвергают обработке, например, электрохимической и последующему в присутствии реагентов-диспергаторов центробежному измельчению мелющими телами из полимерного материала, а стадиальную классификацию осуществляют в восходящем водном потоке до получения готового по крупности продукта.

Решение данной задачи обеспечивается также тем, что измельчение проводят при числе оборотов измельчителя, равном 800-1200 об/мин и степени заполнения мельницы мелющими телами в 3-6 раз больше степени ее заполнения измельчаемым материалом, а классификацию ведут в ламинарном режиме с направлением тонкой фракции первой стадии в последующую при скоростях потока в I стадии от 0,04 до 0,08 см/см, в последней от 0,005 до 0,008 см/с.

На чертеже изображена технологическая схема, устанавливающая последовательность выполнения операций для осуществления предлагаемого способа получения порошка из кристаллов слюды.

Способ осуществляют следующим образом.

Для нарушения сцепления между пакетами слюды и придания ей свойства легкого расслаивания по плоскостям спайности исходную слюду, представленную кристаллами слюды-флогопита или мусковита, загружают в межэлектродное пространство рабочей камеры электролизера 1. Расщепленный посредством электрохимической обработки продукт поступает в центробежную мельницу 2, где за счет ослабления действия между пакетами ван-дер-ваальсовых сил уменьшается время измельчения, что будет способствовать увеличению степени измельчения слюды. Слив мельницы направляется насосом в конусный классификатор 3 первой стадии классификации, где производится выделение частиц крупностью не более 60(40) мкм. Крупный продукт (разгрузка конуса 3) поступает на доизмельчение вновь в мельницу 2. Тонкая фракция (слив конуса 3) самотеком разгружается в питание второй стадии классификации на конусный классификатор 4, после чего готовый для пигментирования продукт разгружается из конуса, а шламы крупностью менее 5 мкм выводятся из процесса в соответствии с заданными скоростями восходящих потоков. При необходимости выделения более узких фракций подключается 3 или 4 стадии классификации, в которых выделение частиц определенных размеров производится в соответствии со значениями скоростей восходящих потоков в указанных диапазонах.

Для оптимального использования процесса измельчения слюды необходимо выявить основные режимные факторы, влияющие на работу центробежной мельницы.

Получение порошка слюды необходимого гранулометрического состава и качества достигается при соблюдении условий, которые задаются путем регулирования процесса мокрого центробежного измельчения материала в мельнице с непрерывным воздействием на него мелющих тел из полимерного материала в присутствии добавок реагентов-диспергаторов. В качестве параметров измельчения выбрано как изменение скорости вращения измельчителя мельницы, так и определенное соотношение между количеством измельчаемого материала и количеством мелющих тел. Этим обеспечивается наиболее быстрое получение хорошо расслоенной слюды, так как при таком способе измельчения действуют истирающая нагрузка и достигается наибольший истирающий эффект по плоскостям совершенной спайности, чем достигается высокое значение ХАО у частиц материала, доведенного до необходимой крупности. В дальнейшем продукт помола слюды проходит стадиальную классификацию с выделением слюды нескольких фракций, каждая из которых может быть использована в качестве основного компонента для изготовления слюдобумаг, производства наполнителей, перламутровых пигментов и других материалов.

В случае, если скорость вращения измельчителя будет меньше 800 об/мин, силы разрезания, ударного воздействия мелких элементов мелющей среды с частицами слюды, а также силы растирания трением будут недостаточны, чтобы привести к полному расщеплению пластинчатой структуры слюды. Измельчение по контролируемому классу 40 мкм становится неэффективным, что отражается на незначительном его выходе при низком значении ХАО у частиц слюды pазличных фракций крупности.

При частоте вращения измельчителя более 1200 об/мин происходит быстрое движение измельчающей среды и преимущественное расположение ее над измельчителем, что уменьшает время пребывания продукта помола в зоне активного диспергирования из-за неравномерного распределения мелющих тел по высоте центробежной мельницы. Это нарушает нормальный режим работы мельницы и приводит к уменьшению выхода тонких фракций со сливом суспензии слюды.

Для интенсификации процесса получения молотой слюды, т.е. повышения диспергируемости материала измельчение осуществляют в присутствии реагентов-диспергаторов. Их введение позволяет значительно понизить прочность и твердость кристаллов слюды, а также уменьшить их коагуляцию. Эффективность действия вносимых в процесс измельчения ПАВ-диспергаторов оценивалось на примере получения молотого мусковита из исходной слюды крупностью менее 10 мм. Изучено действие добавок кремнефтористого натрия, жидкого стекла, глицерина и полихлорвинилового спирта различных концентраций, изменяющихся от 0,5 до 25 мг/л, на прирост выхода фракции менее 40 мкм.

Существенное влияние на гидродинамическую обстановку в мельнице и на выход тонких фракций слюды оказывает степень заполнения мельницы мелющими телами или их объемная концентрация, так как фактически в рабочем объеме мельницы перемешивается система, в твердую среду которой, кроме измельчаемого материала, входят также и мелющие тела. Движение мелющих тел в объеме аппарата и угловая скорость их вращательного движения и определяют в конечном счете качество процесса диспергирования, т.е. размеры частиц твердой среды суспензии на выходе из мельницы.

Выявление влияния эффективности измельчения слюды в зависимости от предела варьирования соотношения между загрузками мелющих тел и материалом слюды на процесс измельчения проверялось при одной и той же степени заполнения мельницы исходным материалом, составляющим 3,33% от объема мельницы. При степени заполнения мельницы мелющими телами менее 10% от ее объема распределение их по высоте будет неравномерным, со скоплением большого количества тел вблизи дна мельницы, не обеспечивая эффективного диспергирования из-за наблюдаемого увеличения разброса времени пребывания кристаллов слюды в зоне активного диспергирования. Это приводит к тому, что разрушение крупных кристаллов слюды в перерабатываемом материале происходит в основном вдоль плоскостей спайности внизу мельницы за счет сдвиговых усилий, возникающих между мелющими телами не только перемещающимися определенным образом в пространстве между смесительными элементами измельчителя, но и вращающимися вокруг своей оси. Поэтому у слюды происходит уменьшение в основном толщины пакетов, а не ее линейных размеров, что способствует большому выходу крупных фракций со сливом мельницы, значительно снижая долю мелких частиц в тонких фракциях. При такой небольшой степени загрузки мельницы мелющими телами основная энергия диспергирования тратится на разрушение крупных кристаллов, не обеспечивая разрушение более мелких.

При загрузке мельницы мелющими телами, соответствующей степени заполнения более 20% ее объема, что больше в 6 раз степени заполнения мельницы загружаемым материалом, происходит быстрое движение измельчающей среды, приводящей к переизмельчению продукта помола из-за образования в нем повышенного содержания шламов с размером частиц не более 5 мкм. Такое количество шламов препятствует получению порока с требуемыми характеристиками качества, снижая, в частности, в нем блеск и глянец, оптические эффекты световой интерференции за счет уменьшения показателя преломления, что отражается на ухудшении качества пигмента.

Поступающий в дальнейшем на стадиальную классификацию материал разгрузки мельницы для улучшения качества порошка слюды подвергается воздействию восходящего потока воды, расход которого соответствовал гидродинамическим параметрам ламинарного режима обтекания. Этот режим выбирался, исходя как из геометрических размеров чешуек слюды (экспериментального определения диаметра и толщины), коэффициента сферичности, так и определения скоростей стесненного падения частиц пластинчатой формы выделяемых классов крупности. Затем рассчитывались необходимая скорость восходящего потока и параметры классификации обоих конусов, обеспечивающие вынос частиц крупностью меньше 40 мкм и меньше 5 мкм.

При скорости восходящего потока меньше 0,04 см/с в I-ой стадии классификации обнаруживается, что не все частицы крупностью менее 40 мкм переходит со сливом конуса в питании II-ой стадии, что сразу же отмечается снижением выхода фракции данной крупности и уменьшением в целом количества выпускаемого пигмента.

При скорости восходящего потока больше 0,08 см/с напротив в сливе конуса I-ой стадии классификации присутствует, кроме частиц требуемого размера, много чешуек крупнее 40 мкм, которые расширяют шкалу классификации получаемого материала, оказывая отрицательное влияние на качество пигмента из-за уменьшения в покрывающем частицы слюды слое диоксида титана, т.е. из-за уменьшения укрывистости частиц.

Направляемый в последнюю стадию классификации продукт предыдущей стадии подвергается выделению из него частиц крупностью менее 5 мкм, которое осуществляется в конусе 4.

При скорости восходящего потока в последней стадии классификации менее 0,005 см/с расход воды недостаточен для выноса частиц шламов крупностью менее 5 мкм и в готовом для пигментирования продукте их содержания становится значительным, эффективность классификации снижается, что отражается на уменьшении характеристического отношения частиц в выделяемом классе слюды крупностью -40+5 мкм. А это в свою очередь приводит к ухудшению блеска и глянца готового пигмента, т.е. снижению его качества.

При скорости восходящего потока более 0,08 см/с в последней стадии классификации наблюдаются большие потери со сливом 2 конуса, частиц крупнее 5 мкм, которые безвозвратно выводятся из процесса, уменьшая выход разгрузки конуса 4, что сокращает производительность установки по готовому пигменту.

Сущность изобретения поясняется следующими примерами.

П р и м е р 1. Исходную слюду, представленную кристаллами слюды-флогопита Ковдорского месторождения крупностью менее 10 мм в количестве 16 кг, загружают в межэлектродное пространство рабочей камеры электролизера, разделенной на две секции, каждая из которых состоит из двух пар кассет-электродов. Материалом электродов является: анод титан, катод нержавеющая сталь. Расстояние между электродами составляет 15 мм. В рабочей камере создают восходящий поток воды. На электроды подают напряжение постоянного тока величиной 150-200 В. Температуру слюдяной суспензии в процессе ее электрохимической обработки поддерживают в пределах 60-70^оС, которая регулируется скоростью восходящего потока воды. Расщепление слюды ведут в течение 5-7 ч до перехода в суспензию до 20 мас. ионов калия, содержащихся во флогопите, отключают напряжение на электродах, суспензию собирают сначала в накопитель, а затем направляют насосом на измельчение в центробежную мельницу с непрерывной разгрузкой слива мельницы.

Производительность мельницы по исходному питанию была равной 3 кг/ч. В качестве измельчающих тел использовали цилиндрики из полимерного материала полиэтилена с диаметром и образующей, равными 2-3 мм, являющиеся исходным материалом для пластмассового литья, загрузка которых составила 20% от объема мельницы. Отношение Т:Ж в питании было равным 1:4. Многооборотный измельчитель вращался со скоростью 1200 об/мин. Для увеличения скорости измельчения в мельницу вместе с исходным питанием вводились добавки реагентов-диспергаторов. В качестве диспергатора использовался кремнефтористый натрий, концентрация которого составляла 12,5 мг/л. В дальнейшем слив мельницы направлялся в I-ую стадию классификации для выделения тонкой фракции крупностью менее 60(40) мкм с предварительным отбором перед этим средней пробы суспензии и проведением ее рассева на ряд фракций различной крупности.

Эффективность измельчения в зависимости от условий обработки оценивалась по выходу класса 40 мкм и определением методом растровой электронной микроскопии характеристического отношения в выделяемой фракции 63-43 мкм. Содержание частиц в этой фракции составило 60% а характеристическое отношение 218.

П р и м е р 2. Процесс измельчения слюды ведут согласно примеру 1. Отличие состоит в том, что степень заполнения мельницы мелющими телами составляет 16,7% от ее объема. Выход порошка молотой слюды в классе 40 мкм составляет 49,7% что на 10% меньше, чем в примере 1, а ХАО равно 187.

П р и м е р ы 3-13. Процесс измельчения ведут согласно примеру 1-2 при изменении следующих параметров: количество загружаемых мелющих тел, частоты вращения измельчителя, вида реагента-диспергатора.

Конкретные значения параметров и результирующие данные сведены в табл. 1.

Анализ табл. 1 показывает, что при измельчении слюды-флогопита крупностью менее 10 мм, прошедшей предварительную электрохимическую обработку с уменьшением степени загрузки мельницы мелющими телами (примеры 1-4) при постоянной частоте вращения измельчителя мельницы, равной 1200 об/мин происходит уменьшение выхода частиц в классе меньше 40 мкм и последовательно возрастает выход крупных фракций более +315 мкм. Наряду с этим происходит и уменьшение характеристического отношения от 218 до 154. При изменении числа оборотов измельчителя, но одинаковой степени заполнения мельницы мелющими телами, соответствующей загрузке в 16,7% от ее объема (примеры 7-8), с увеличением скорости вращения измельчителя происходит и увеличение выхода фракции менее 40 мкм от 42,3 до 47,1% с ХАО, равными 145 и 172.

При одних и тех же параметрах измельчения (примеры 11-13) было оценено влияние реагентов-диспергаторов на измельчаемость материала. Установлено, что наилучшим действием обладают добавки Na₂SiF₆, затем полихлорвинилового спирта, жидкого стекла и глицерина, что и подтверждается соответствующим снижением значений выхода фракций менее 40 мкм (от 53,0 до 45,1%) и ХАО от 202 до 161. Запредельные значения заявляемых параметров измельчения слюды отражены в примерах 5, 6, 9, 10.

П р и м е р 14. По условиям ведения технологического процесса молотый продукт разгрузки мельницы проходил две стадии классификации. Классификация проводилась в классифицирующих конусах с рассчитанной площадью их зеркал. Для выноса из конуса частиц крупностью менее 40 мкм подбирался такой расход воды, который обеспечивал скорость восходящего потока 0,04 см/с. При такой скорости слив I-ой стадии классификации поступал во вторую для выделения из процесса тонких частиц шламов крупностью менее 5 мкм. Во втором классифицирующем конусе с соответствующей площадью зеркала создавалась скорость восходящего потока, равная по значению 0,005 см/с, а разгрузка первого классифицирующего конуса крупностью более 40 мкм вновь направлялась на доизмельчение в центробежную мельницу. Разгрузка второго конуса крупностью -40+5 мкм являлась конечным продуктом для пигментирования. Оценка гранулометрической характеристики слива I конуса и разгрузки II конуса, являющейся готовым продуктом, производилась путем отбора средних проб и рассева их на следующие классы: +71; -71+63; -61+50; -50+40; -40+5; -5 мкм. Выход фракции крупностью менее 40 мкм составил 76,5% ХАО определялось для частиц фракции крупностью -63+5 мкм в готовом для пигментирования продуктов разгрузки II-го классификатора, значение которого было равным 154.

П р и м е р ы 15-22. Процесс классификации ведут согласно условиям примера 14. Отличие состоит в том, что попеременно меняют скорость восходящего потока в I-й стадии классификации при неизменной скорости во II-й стадии (примеры 15-18) и наоборот (примеры 19-21). Конкретные значения параметров и гранулометрические характеристики сливов классификаторов представлены в табл. 2, которые показывают, что увеличение скорости потока в I-м конусе от 0,06 до 0,08 см/с приводит к уменьшению выхода класса менее 40 мкм от 65,4 до 57,9% с увеличением характеристического отношения до 183 (примеры 15 и 16). С увеличением скорости восходящего потока от 0,005 до 0,008 см/с падает выход шламов крупностью менее 5 мкм с 2,3 до 1,5% с одновременным уменьшением значений ХАО с 169 до 157 (примеры 15,20). Запредельные значения заявляемых параметров классификации отражены в примерах 17, 18, 21.