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钛白粉生产中固体颗粒粉碎设备的选型及技术优化

作者:admin日期:2020-10-23阅读
钛白粉的颜料性能是其光学性质的具体体现,而其光学性质又取决于它的粒径和粒径分布。当钛白粉粒径为 0. 2~0. 4 μm 时,其光散射力高,颜色白[1]。在钛白粉生产过程中,先酸解过程要求有合适的矿粉细度以控制反应过程; 另一方面,落窑品粉碎要控制适当的细度。因此粉碎、研磨设备的正确选择和合理利用是钛白生产中至关重要的环节。

 
钛矿的粉碎酸解是硫酸法生产钛白的一步,采用硫酸来分解钛铁矿,属于固液两相反应。
根据固液反应动力学理论可知:
( 1) 在固液反应体系中,颗粒愈小,反应愈剧烈;
( 2) 固体颗粒尺寸可改变反应扩散截面以及颗粒表面结构。也就是说,钛矿的粒径愈小,比表面积就越大,与硫酸的接触面也就越大,与硫酸的反应就越充分,可以得到较高的酸解率。
但矿粉过细又会使酸解反应过于剧烈难以控制,造成生产事故。
所以钛矿在使用前必须进行粉碎并合理控制其粒径范围,以达到工艺要求的矿粉细度指标。对于容积 90 m3以上的大型酸解反应器,一般控制 200 目筛余≤2%或325 目筛余 8% ~ 10%。目前国内的钛铁矿采用 2 种粉碎机进行粉碎: 雷蒙机粉碎、风扫磨粉碎。
雷蒙机粉碎是常见的钛矿粉碎机,早期国内没有万吨级生产线,钛矿的粉碎配置 1~2 台雷蒙机就能够满足生产的要求。
但随着钛白粉生产规模的扩大,受雷蒙机产能效率所限,在万吨级以上生产线的钛铁矿粉碎中已经不再使用蒙机粉碎工艺,而改用风扫磨装置。20 世纪 90 年代,国内( 渝钛白、济南裕兴、中核华原) 引进了 3 套硫酸法金红石型钛白粉生产线。
这 3 套生产线中矿的粉碎均采用了风扫磨粉碎工艺,开启了风扫磨在钛矿粉碎工艺中的应用先河。目前新上的大型生产线均选用风扫磨来粉碎钛矿。
常见风扫磨主体结构造
工作原理为: 圆柱形筒体内壁装有 40 ~ 100 mm厚的耐磨衬板,筒体内装有约 1 /2 ~ 1 /4 筒体体积的耐磨钢球( 根据被磨物料的性质和细度要求有不同的直径和配比) ; 筒体慢速转动时,钢球在筒体内跟随转动,当钢球随筒体转动至一定高度后,受重力和惯性的双重作用,钢球呈抛物线的轨迹落下或者泻落下滑,钢球的滑动对接触到的其他物质有研磨、挤压的作用,抛落的钢球则对被砸物质有冲击的作用,如果此时有硬度于钢球的物质,就会被研磨、挤压或者冲碎。
球磨机内部钢球的运动如图 2 所示。

系统风机送出的大量空气从进料端与较粗的物料一起进入筒体,然后由空气将粉碎好的细物料夹带出去,经过分级设备,将不合格的物料返回至进料端重新进入磨机被继续粉碎,合格的物料则进入收尘设备被收集下来进入料仓。

1. 2 
风扫磨系统流程的改进风扫磨粉碎钛铁矿应用于我国钛白粉行业已经有 10 多年历史,在工艺流程的优化上大致经历了 2个阶段。
较早的工艺是采用静态选粉机进行选粉,物料主要是利用旋风式收尘器来收集,经旋风收尘器出来含微量细粉的含尘气体大部分经风机返回磨机,部分外排风采用袋式收尘器进行过滤后排空,其工艺流程如图 3 所示。

部分微粉未被收集,导致系统产能降; 另外该部分微粉通过风机再次回到磨机时,不会磨损风机,而且其再次进入磨机后会产生过磨现象,粒径更细,从而增加后续酸解工序的控制难度。
另一方面,该系统能耗高,运行效率。
目前大部分的工厂都采用以下的流程: 来自磨前料仓的钛铁矿砂进入风扫磨中,被磨机中的研磨球研磨成粉状物料后,由主风机产生的气流穿过磨机将粉状物料带出,进入动态分级机中。
在分级机中,粒径大于生产要求的粗颗粒被选出,用输送机再次输送到磨机进料口,返回至磨机继续研磨; 粒径符合生产要求的粉状物料则全部被吸入袋式收尘器中,在袋式收尘器中 99. 9%的物料被收集后通过输送机进入成品储料仓中。
通过袋式收尘器的洁净的空气经主风机排放到大气中。
整个系统空气的动力来自于主风机,靠主风机产生的风来进行负压输送。具体工艺流程如图 4

1. 2 影响风扫磨粉碎细度和产能的因素
1. 2. 1 
钢球的级配钢球的级配指的是磨机内装填的钢球直径的大小、钢球数量的多少以及不同钢球所占的比例等参数。
钢球的级配是影响风扫磨产量的一个很重要的因素。
先,钢球的直径决定了钢球在滑落和碰撞的过程中所产生的冲击力,而这个冲击力必须能够保证足以破碎颗粒物料,因此钢球必须足够大。
同时,对于已经确定了规格的磨机,钢球的填充量已经确定,钢球直径的大小和数量的多少就决定了物料在磨机内部的填充量。
如果物料填充量较少,为了提高产能就势必要提高物料的通过速度,那么就难以满足物料粉碎的细度要求,因此,钢球的大小和数量必须适合。
一般说来,装入磨机的钢球中,较大的钢球主要起到冲碎的作用,较小的钢球则一方面填充较大钢球之间的堆积缝隙,增加钢球与物料的碰撞几率,另一方面也可以将大钢球的冲击动能传递下去,也起到破碎的作用。
钛铁矿粉碎用的磨机装填钢球时,钢球的装填量和级配一般依据以下几个原则进行选择:
( 1) 钢球的填充率一般不超过 35%。磨机产能较大而不需完全发挥时,可以根据生产的运行状况选取较的填充率,反之则选择较高的填充率; 以磨机运行时钢球不会滚落出出料口为原则。
( 2) 钢球的种类不易较多,一般选取 3 ~ 4 种即可。
如果钢球种类较多,小钢球数量的增加会严重影响到物料的填充量,大球对小球也会有大的破碎作用,反而影响了产能和粉碎细度。
( 3) 根据钛铁矿砂的硬度、粒径和粉碎后的细度要求,选用的钢球的直径应该控制在 20~50 mm。
( 4) 以直径为依据来计算不同规格的钢球所占的比例,其质量比例与直径成正比。
钛白行业中风扫磨的钢球材质一般为锰钢或中、高铬钢,将钢球近似为球体,以 ? 2 400 cm×4 500 cm的磨机为例,按式( 1) 计算其总装填量 W[2]

式中,D 为磨机直径,m; H 为磨机长度,m; η 为磨机的有效体积百分比,%( 刨除了衬板和垫层等,? = 2 400 cm的磨机除掉衬板后体积约为总体积的80%,大直径的磨机建议用减去衬板厚度后的实际直径来计算体积) ; ρ 为钢球实际堆积密度,约为4 800 ~5 200 kg / m3,式( 1) 中取5 000 kg /m3
目前业内一般选用直径为 50 mm、40 mm、30 mm的钢球来粉碎钛铁矿,则可以根据式( 2) ~ 式( 4) 计算出每种钢球的装填量。


1. 2. 2 分级机的配置
分级机对风量的处理能力也是影响风扫磨系统产能的一个重要因素。
如果分级机的处理能力不足,就会使得已经粉碎好的矿粉无法被及时带走,导致矿粉过细; 如果处理能力过大无法调节时,会使得较粗粒子通过分级机,无法满足生产要求。分级机分为静态分级机和动态分级机。
静态分级机又称粗粉分离器,是依靠调整叶片角度和调节风门开度来进行选粉的。
含尘空气进入分级机,在分级机内气流由重力分离、惯性分离和离心分离 3 个环节达到气固分离。
动态分级机是根据重力及涡流调整装置所形成的涡流作多次分级分离的。
它在静态分级机的基础上增加了分级叶轮和反射锥,强化了分级效果,并且可以通过变频器控制电机,调节叶轮转速,控制通过分级机分离的颗粒大小。
动态分级机有以下优点:
( 1) 采用目前先进的涡流平面分选原理,从功能上兼具了分级机和选粉机的性能,可替代原来的静态分级机和旋风分离器,直接从下部引入含有高浓度矿粉的气体进行选粉,大大简化了工艺流程,降了设备、土建等一次性投资。
( 2) 采用变频调速的交流电机传动,且导向叶片设有调节装置。因此,可根据产品的细度、生产状况等不同要求,方便地进行调节。由于设计中对电机、润滑设备等选型及其结构的先进性、可靠性、经济性等方面已作了详细的论证比较,因此,本选粉机不先进,而且可靠、经济。
( 3) 选粉效率高,可大大改善磨机的粉磨条件,使系统进入良性,从而达到节能增产的目的。
( 4) 内部各易损件区均采取了防磨损措施,延长了 磨 损 件 的 使 用 寿 命,大 大 节 省 维 修 时 间 及费用。
( 5) 适用于多种细度要求,适应范围广泛,效率高、增产幅度大、产品电耗。

雷蒙磨系统设备选择及流程优化
传统的雷蒙磨系统采用的是闭路旋风分离器流程: 从磨机出来的气固混合物经过旋风分离器、主风机后气流进入磨机底部的回风腔,形成粉磨的闭路系统,主要依靠旋风分离器收集固体钛白粉。
考虑到系统的工作环境,雷蒙磨气流系统必须是负压操作,在主风机的出口抽出系统多余的气体以维持系统的负压。
抽出的含尘气体进入布袋除尘器后由风机排空[4]。
具体流程如图 6 所示。由于粉碎后的钛白粉粒径细、粘性大,采用旋风分离器收集存在很多问题。
一方面,由于钛白粉颗粒细小,旋风分离器收集效率; 另一方面钛白粉粘结在旋风分离器内壁,清理非常困难。
为了解决钛白粉的粘壁问题,提高钛白粉的收集效率,降主风机入口气体的含尘量,改善风机工作条件,同时减少合格物料的返磨和过磨现象,采用袋式除尘器替代原有的旋风分离器和布袋除尘器,可以简化流程,方便操作。
具体流程如图 7 所示。

2. 3 助磨剂在落窑品粉碎过程中的应用
经过煅烧后的落窑品,颗粒粗而硬,必须经过雷蒙粉碎后才可以进入下一工序。
粉碎效率和粉后颗粒的粒度分布直接影响到成品的产量和无机包膜的质量。
因此落窑品在粉碎过程中不同程度上存在以下问题:
( 1) 其表面被性基团( 如—OH) 所包覆,钛白粉容易因性吸附或吸潮而产生团聚,粘接在雷蒙磨的壁上,需要花大量时间来清理,影响了雷蒙磨的出粉率。
( 2) 粉碎后的钛白粉棱角很多,粒径分布很宽使得无机包膜不完整、不均匀,影响钛白粉的颜料性能。
( 3) 粉碎后物料分子表面能高,有自我团聚的现象,对后续无机包膜产生负面影响。
为了解决上述问题,在雷蒙磨的进料口加入硅助磨剂,在钛白粉表面形成一层非性硅润滑膜层,该助磨剂在钛白粉粉碎过程中具有以下功能:
( 1) 对钛白粉具有形状功能,可以促使钛白粉颗粒呈均匀球形,提高颗粒的均匀性和完整性,减小粒度分布。
( 2) 硅助磨剂的加入可降分子表面的自由能,降颗粒的团聚,帮助颗粒微粒化,提高粉碎效率。
( 3) 钛白粉在雷蒙磨内壁的粘壁问题,提高钛白粉的干粉流动性。
通过生产实验,助磨剂的加量一般为物料量的0. 08%; 可以有效提高粉碎效率 ( 产量增加 50% 以上) ,避免了物料粘壁现象。
3 结 语
( 1) 风扫磨粉碎钛铁矿,要注意钢球数量、大小的配比适当。
( 2) 风扫磨风机及袋滤器的选择,要有充分的理论计算依据,选择适当的设备配备。
( 3) 雷蒙机是当前落窑品粉碎的适合设备,自动化程度高、控制精确。
( 4) 助磨剂雷蒙机粉碎,可以有效避免物料粘壁现象,并显著提高粉碎质量及粉碎效率。