CC BY
28
УДК 666.3.022.4
Беляков А.В., Пашков О.Д., Дементьева А.Г., Алымова Я.А., Климова М.А.
СПОСОБЫ ГРАНУЛИРОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ПОРОШКОВЫХ МАСС (ОБЗОР)
Беляков Алексей Васильевич - доктор химических наук, профессор кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров
Пашков Олег Дмитриевич - магистрант 1-го года обучения кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров; [email protected]
Дементьева Александра Георгиевна - магистрант 1-го года обучения кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров;
Алымова Яна Анатольевна - студентка 4-го обучения кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров;
Климова Мария Андреевна - студентка 3-го обучения кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В работе рассмотрен современный подход к гранулированию керамических порошковых масс. Обсуждаются возможности получения плотных керамических гранул доступными способами с применением различного оборудования. Приводится сравнительная характеристика гранул, получаемых различными методами. Ключевые слова: керамические порошки, гранулирование, плотные керамические гранулы.
GRANULATION METHODS OF CERAMIC POWDER MASSES (REVIEW)
Belyakov A.V.1, Pashkov O.D.1, Dementyeva A.G.1, Alymova Y.A.1, Klimova M.A.1 1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The paper considers a modern approach to the granulation of ceramic powder masses. The possibilities of obtaining dense ceramic granules by available methods using various equipment are discussed. A comparative characteristic of granules obtained by various methods is given. Keywords: ceramic powders, granulation, dense ceramic granules.
протекающих процессов. Те способы, что будут
Введение
Операции гранулирования чаще всего применимы к массовым технологическим процессам, данные процессы нашли свое широкое распространение в керамической технологии. Распространение гранулированных материалов обусловлено рядом преимуществ перед порошковыми материалами, а именно: уплотнение порошка внутри гранулы, хорошая текучесть формовочной массы, ускорение выхода воздуха из заготовки при формовании и повышение ее равноплотности, отсутствием налипания на поверхность бункеров хранения, отсутствие слеживания и дополнительного уплотнения гранул, отсутствие пыли при транспортировке, облегчение процесса дозирования. Правильный выбор гранул для конкретного материала обеспечивает получение качественного продукта с требуемыми свойствами (прочность, равноплотность заготовки, пористость, гранулометрический состав гранул). Необходимо получение плотных гранул, в связи с этим совершенствуют методы компактирования, создают новые подходы, ведут работы по поиску наилучшего связующего. Перспективным направлением в данной области является выбор правильного водорастворимого связующего для применения гранул в шликерном литье. Развитие методов компактирования неразрывно связано с тенденциями развития технологии оборудования и потому требует междисциплинарного подхода к изучению
применимы для компактирования полимерных, металлических порошков могут не подходить для керамических порошковых масс. В случае использования непластичных несыпучих материалов предпочтительным является метод прессования и окатывания с одновременным введением связующего компонента. Весьма эффективным является метод получения гранул в установках псевдоожижженного слоя.
Цель данной работы - анализ имеющихся методов компактирования керамических
порошковых материалов, систематизация данных для последующего практического применения и получения достаточно плотных керамических гранул, а также разработка технологических схем. Гранулирование - совокупность физических и физико-химических процессов, способных обеспечить получение плотных гранул с требуемым размером, округлой формой, заданной структурой, а также другими физическими свойствами. При гранулировании керамических порошковых масс необходимо учитывать, что оно связно с изменением их агрегатного состояния, формы, а также поведением гранул в процессе компактизации.
Гранулирование принято классифицировать по исходному агрегатному состоянию, из которого получены гранулы:
1) из жидкой фазы, диспергированием керамического шликера на капли с последующей
сушкой растворенного вещества при обезвоживании или охлаждении этой фазы;
2) из твердой фазы прессованием с последующим дроблением брикетов и просевом через сито для получения гранул требуемого размера;
3) из смеси жидкой и твердой фаз -агломерация порошков с последующим покрытием агломератов связующим и упрочнением гранул при удалении жидкой фазы;
4) из газообразной фазы - конденсацией (десублимацией) с образованием твердых гранул;
5) из смеси жидкой и газообразной фазы при протекании химических реакций;
6) из смеси жидкой, твердой и газообразной фазы при протекании химической реакции.
В технологии самыми часто реализуемыми являются методы прессование и окатывание, все большее применение находят методы гранулирования в псевдоожиженном слое или сублимация, которая является более сложно реализуемой, но широко распространенным методом получения гранул.
Метод прессования - данный метод отличается высокой плотностью гранул, что делает его предпочтительным для получения гранул в крупнотоннажном производстве. Данный метод базируется на приготовлении порошковой массы с предварительно введенным связующим, которую в последствии подвергают прессованию. Типичными связующими в данных процессах являются: поливиниловый спирт (ПВС),
карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), парафин, поливинил ацетат (ПВА). Прессование можно осуществлять в матрице с получением гранул в форме брикетов, плиток, таблеток путем уплотнения формовочной массы, содержащей порошок, смешанный со связующим. Отформованные таким образом заготовки подвергают дроблению, для чего применяют, например, валковые или вальцовые прессы, зубчатые роторные грануляторы (рис. 1).
Метод окатывания - уплотнение частиц в данном методе происходит за счет удара частиц порошка о стенку гранулятора. В момент удара выделяется большая доля кинетической энергии, происходит перемещение зерен, на поверхности которых находится связка, и уплотнение материала. Процесс гранулирования методом окатывания включает в себя 4 стадии:
1) смешение исходных порошков и введение временной технологической связки (ВТС);
2) образование гранул из мелких частиц и дробление комков из-за неравномерности распределения связующего;
3) уплотнение гранул в результате их перемещения и окатывание за счет соприкосновения с рабочими органами агрегата и соседними гранулами;
4) упрочнение связей при переходе жидкой фазы ВТС в твердую и стабилизации размеров гранул.
В течение всех стадий неизбежно происходят процесс распределения частиц по гранулам, то есть протекает процесс гранулообразования. Кинетика гранулообразования зависит от технологии, вида ВТС, аппаратутного оформления процесса гранулирования и свойств гранулируемого материала. Применение смесителей в качестве грануляторов периодического действия позволяет получать гомогенные смеси с гранулами шарообразной формы, что также положительно для равномерного распределения материала в объеме заготовки. За счет варьирования количества связующего в системе можно достигать различной конечной влажности, гранулометрического состава и управлять временем образования гранул (рис. 2).
Порошок
Сдязующее
Рис. 1. Валковый и вальцовый прессы[1]
Гранулы
Рис. 2. Тарельчатый гранулятор [2]
Гранулирование в псевдоожиженном слое -
данный метод является результатом
междисциплинарного подхода для решения поставленных задач. В данном методе объединены процессы традиционного смешивания,
гранулирования и сушки в одном агрегате, что значительно сокращает количество технологических операций. Дополнительным преимуществом данного метода является возможность гранулирования в
специальной атмосфере, такой атмосферой могут выступать различные газы и их смеси, обладающие хорошей растворимостью в воде. Вместе с тем, возможно газ нагревать, что позволяет получать более сухие гранулы, там, где это важно для технологии процессов. Предварительно очищенный и нагретый воздух из блока воздухоподготовки поступает в газораспределительную решетку в нижнем отсеке башенной сушилки, порошок и влажные гранулы переходят в состояние псевдокипящего слоя. После протекания процессов смешения, нагрева и перехода в псевдоожижение, происходит распыление шликера с ВТС через форсунку. Распыляемая связка при сушке склеивает частицы, образует прочные контакты и способствует уплотнению с образованием гранул. Одновременно этим гранулы непрерывно высушиваются горячим воздухом, что вызывает твердение связки и упрочнение (рис. 3) [4].
Рис. 3. Гранулы формы сфера, полученные в псевдоожиженном слое
Гранулирование сублимацией - метод гранулирования керамических порошков в хладогент. Метод схож с распылением в псевдожижженом слое, но в данном случае распыление происходит в емкость с жидким азотом, за счет чего происходит мгновенное замерзание капель шликера (гранул). После замороженные гранулы (криогранулы) необходимо подвергнуть сублимационной сушке, что означает удаление воды без появления жидкости и связанных с ней явлений миграции [4].
Получаемые данным способом гранулы обладают сферической формой, хорошей текучестью и позволяют достичь высокой производительность при процессах прессования (рис. 4).
Рис. 4. Процесс грануляции с применением криосушки [3]
Вспомогательные средства для прессования (ВТС) также необходимы для достижения дополнительно прочности при работе с полученными гранулами. Сублимационная грануляция предотвращает процессы миграции ВТС на поверхность гранул, как это наблюдается в кипящем слое. Это обеспечивает однородность гранул и простоту работы с ними.
Заключение
Таким образом, благодаря аппаратурному развитию стало возможным получать качественные, плотные гранулы с близкой к сферической форме. Метод псевдоожиженного слоя также позволяет осуществлять насыщение гранул необходимым газом.
Список литературы
1. Шкарпеткин Е.А. Анализ методов получения гранул и средств для их реализации // Наука и современность . - 2010. - С. 378 - 383.
2. А.Ю. Столбоушкин, А.И. Иванов, В.Н. Зоря, Г.И. Стороженко, С.В. Дружинин Особенности грануляции техногенного и природного сырья для стеновой керамики // Результаты научных исследований. - 2012. - №5. - С. 85 -89.
3. П.В, Классен, И.Г. Гришаев Основы техники гранулирования. - 1-е изд.- Москва: Химия, 1982. -272 с.
4. O. Lyckfeldt1, K. Rundgren2 and M. Sjostedt3 Freeze Granulation for the Processing of Silicon Nitride Ceramics // Material Science and Engineering. - 2004. -С. 281-284.
