CC BY
37УДК 691.215.5
В.В. НАЗАРОВА, канд. техн. наук, ООО «Полигон-Сервис» (Белгород); Н.П. КУДЕЯРОВА, канд. техн. наук, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Размолоспособность отдельных фракций природного мела при сухом измельчении
Одним из самых распространенных и широко используемых наполнителей для композиционных материалов (полимеров, герметиков, лакокрасочных материалов, резинотехнических изделий) является природный мел — рыхлая горная порода, в основном состоящая из остатков микроорганизмов. Для измельчения природного мела наибольшее распространение получил сухой способ помола с использованием мельниц ударно-отражательного принципа действия — роторных, вихревых мельниц, дезинтеграторов, позволяющих получать продукт разного гранулометрического состава. Анализ требований производителей композиционных материалов к тонине измельчения карбонатного наполнителя показал, что в настоящее время многие отрасли промышленности нуждаются в тонкодисперсном меле со средним размером частиц (диаметр 50% частиц) 1—1,5 мкм при максимальном размере 4—6 мкм.
Ужесточение требований к дисперсности мела со стороны производителей композиционных материалов требует поиска новых подходов к измельчению природного мела. В связи с этим был разработан ряд сепараторов, работающих как в замкнутом цикле с различными помольными агрегатами, так и автономно. Сепаратор по а. с. №1660772 в комплексе с дезинтегратором способствует доизмельчению мела и уменьшает содержание в порошке фракции более 140 мкм до 0,15%. Разработаны конструкции комбинированного динамического сепаратора, применение которого позволяет производить мел со средним размером частиц 2 мкм, однако максимальный размер частиц превышает 10 мкм [1-3].
В настоящее время для тонкого измельчения мела с одновременной сушкой широкое распространение получили молотковые мельницы-сушилки. Для оценки эффективности сухого способа измельчения природного мела на молотковой двухроторной мельнице-сушилке
фирмы HAZEMAG (Германия) со встроенным стержневым сепаратором была проведена серия промышленных экспериментов на заводе KREIDER. В качестве сырья на данном предприятии используется мел Шеинского месторождения (Корочанский район Белгородской области) с содержанием СаСО3 не менее 98%. Сепаратор способствует доизмельчению частиц за счет их удара о стержни. Степень измельчения мела при данном технологическом процессе можно регулировать скоростью вращения сепаратора.
В ходе проведенных экспериментов установлено, что повышение скорости вращения сепаратора с 290 до 1450 об./мин (максимально возможная) приводит к уменьшению количества полного остатка на сите № 0045 за счет измельчения фракции размером более 100 мкм (табл. 1). Средний размер частиц мела (массовая доля 50 % частиц) при повышении скорости вращения сепаратора практически не изменяется, однако максимальный размер (массовая доля 90 % частиц) уменьшается в 2 раза — с 17,5 до 8,69 мкм (табл. 2).
Исследование отдельных фракций мела после сухого измельчения с помощью растрового электронного микроскопа показало, что основная часть измельченного порошка состоит из остатков микроорганизмов - кок-колитов, диаметр которых не превышает 10 мкм (рис. 1, а). Фракция мела размером 45-140 мкм представлена раковинами фораминифер, остатками лучей радиолярий, встречаются крупные кокколиты типа крибролит (рис. 1, б). Фракция мела размером более 100 мкм практически полностью состоит из крупных раковин фора-минифер (рис. 1, в). Полученные данные свидетельствуют, что фракция мела размером более 45 мкм в основном состоит из раковин фораминифер, по составу и строению относящихся к многокамерным секреционным видам.
С целью определения состава и свойств отдельных фракций мела был проведен сравнительный анализ ча-
Таблица 2
Зависимость размера частиц заданной весовой доли от скорости вращения сепаратора
Таблица 1
Гранулометрический состав мела после сухого измельчения
Номер сита Частные остатки на ситах, %, при скорости вращения сепаратора (об./мин)
290 580 725 870 1160 1450
014 0,08 0,05 0,03 0,01 отсутствие
8,4 5,7 3,5 1,3
010 0,31 0,27 0,2 0,17 0,1 0,05
32,6 30,7 23,5 23 14,5 8
0045 0,56 0,56 0,62 0,56 0,59 0,57
59 63,6 73 75,7 85,5 92
Полный остаток на сите № 0045 0,95 0,88 0,85 0,74 0,69 0,62
100 100% 100 100 100 100
Примечание. Над чертой - частный остаток на сите, %; под чертой - % частного остатка от величины полного остатка.
Весовая доля частиц, % Размер частиц, мкм, при скорости вращения сепаратора, об./мин
290 580 725 870 1160 1450
10 0,95 0,87 0,88 0,85 0,9 0,89
20 1,38 1,24 1,26 1,22 1,3 1,27
30 1,87 1,61 1,65 1,58 1,69 1,65
40 2,69 2,1 2,16 2,03 2,2 2,14
50 3,58 2,9 2,96 2,76 2,99 2,95
60 5,05 3,77 3,93 3,62 3,86 3,81
70 6,55 5,22 5,36 5,15 5,25 5,24
80 8,99 6,58 6,67 6,49 6,57 6,59
90 17,5 9,54 8,52 8,97 8,53 8,69
84
научно-технический и производственный журнал
август 2013
б - ' , ' „ ^ %* •
183.68 цт г; ^
v- %т
11/25/2011 таэ WD spot И HV I t mm ■
1il3 34PW 100* Ювтт 6.0 ETD 20 СО KV
- ' iy Й T
' ■ p ? - -J*
J .
12KS6PV 100* I0 8mrn 60 ETD 20CO kV
Рис. 1. Микрофотография отдельных фракций мела после сухого измельчения: а - мел (общая проба, Х5000); б - фракция 45-140 мм (Х100); в - фракция более 140 мм (Х100)
стиц, прошедших через сито № 0045 (далее — мелкая фракция) и оставшихся на нем (далее — крупная фракция). По результатам рентгенофазового анализа обе фракции представлены кальцитом. Для мелкой фракции мела интенсивность основных пиков СаСО3 на 11—17 % выше, чем крупной. Полуширина основного пика СаСО3 крупной фракции на 25 % больше, чем мелкой. Полученные результаты свидетельствуют о том, что кристаллическая решетка кальцита, из которого состоит крупная фракция мела, содержит примеси или изоморфные замещения ионов Са2+. Методом ИК-спектроскопии установлено, что в крупной фракции наряду с кальцитом (2514, 1800, 1436, 875, 715 см-1) присутствуют арагонит (1460, 1061, 858 см-1) и доломитизи-рованный кальцит (2605, 1424 см-1). Фракция мела менее 45 мкм полностью состоит из кальцита.
Различия в структуре отдельных фракций природного мела подтверждаются дифференциально-термическим анализом в интервале температур 20— 1000оС. Наличие примесей арагонита и доломита в раковинах фораминифер снижает максимальную температуру разложения карбоната кальция в образце крупной фракции до 827,9оС; для мелкой кокколитовой фракции максимум соответствует 836,5оС.
Кальцит и арагонит при одинаковом химическом составе в результате различного строения кристаллической решетки сильно отличаются по свойствам. В кальците группы С032- расположены таким образом, что каждый атом кислорода связан с двумя атомами кальция (рис. 2). Эти группы располагаются точно посередине между выше- и нижележащими тройками атомов кальция. В арагоните каждый атом кислорода связан с тремя атомами кальция. Группы С032- связаны одна с другой центрами инверсии и поочередно приближены то к вышележащим, то к нижележащим атомам кальция. Таким образом, по распределению связей Са—О эти минералы отличаются друг от друга. Более высокая плотность и твердость арагонита обеспечиваются гексагональной упаковкой атомов, но расположение группы СО32- относительно атомов кальция делает его менее устойчивым к химическому и термическому воздействию по сравнению с кальцитом. Структура доломита аналогична структуре кальцита. У кальцита все ионы Са2+ структурно эквивалентны с последовательностью вдоль тройной оси элементарной ячейки ...Са—Са—Са... В доломите позиции ионов Са2+ попеременно заняты Mg2+. Эти точки структуры становятся неэквивалентными и точечная симметрия кристалла понижается. Из-за относительно большой разницы в размерах ионов Са2+ и Mg2+ распространение в природе серии кальцит-магнезит с отношением Са:Mg « 1:1 ограничено. Поэтому для доломита характерны изоморфные примеси до нескольких процентов железа и марганца. Это приводит к сни-
Верхний слой атомов кальция обозначен высотой 1, нижний - 0
Рис. 2. Характер окружения группы СО32- катионами в структуре кальцита (а) и арагонита (б)
жению симметрии кристаллов. Энергия кристаллической решетки доломита, рассчитанная с помощью закона Гесса по циклу Борна — Габера, в два раза больше по сравнению с кальцитом и арагонитом, что и обеспечивает его твердость и плотность.
Полученные экспериментальные данные подтверждают различие в минералогическом составе кокколито-вой и фораминиферовой фракций природного мела. Присутствие арагонита и доломита даже в небольших количествах в составе раковин фораминифер способствует увеличению их прочности и твердости относительно основной кокколитовой составляющей, чем и объясняется различие в размолоспособности отдельных фракций мела.
Таким образом, несмотря на усовершенствование мельниц ударно-отражательного принципа действия, из-за наличия в природном меле крупных раковин фо-раминифер, получить тонкодисперсный мел со средним размером частиц 1—1,5 мкм и максимальным размером частиц не более 4—6 мкм не представляется возможным.
Список литературы
1. Богданов В.С., Дмитриенко В.Г., Александрова Е.Б. Новое в области разделения тонкодисперсного мела // Международная научно-практическая конференция «Проблемы производства и использования мела в промышленности и сельском хозяйстве». Белгород. 5-7 июня 2001. С. 32-34.
2. Богданов В.С. Перспективы совершенствования и создания оборудования для производства дисперсного мела // Международная научно-практическая конференция «Проблемы производства и использования мела в промышленности и сельском хозяйстве». Белгород. 5-7 июня 2001. С. 6-7.
3. Семикопенко И.А., Вялых С.В. Дезинтегратор с внутренней классификацией измельчаемого материала // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. № 3. С. 45-48.
rj научно-технический и производственный журнал
v.-Jy^Arb:® август 2013 85
