книги из ГПНТБ / Брагинский, Г. И. Технология магнитных лент

ими корпуса достигает 75—80%. Это позволяет сократить продол­ жительность диспергирования магнитного порошка в растворе свя­ зующего полимера в 4—5 раз по сравнению с диспергированием в обычных шаровых мельницах при одновременном улучшении ка­ чества суспензии. Максимальная производительность аппарата до­ стигается, когда объем загружаемой в нее суспензии равен межша­ ровому пространству [280]. Оптимальное время пребывания суспен­ зии в атриторе при непрерывном процессе составляет от 2 до 5 мин. Увеличение этого времени нецелесообразно, так как при этом умень­ шается производительность, а разогрев содержимого атритора даже при интенсивном охлаждении может неблагоприятно сказаться на качестве суспензии. Поэтому при необходимости увеличить про­ должительность диспергирования суспензию пропускают через не­ сколько последовательно расположенных аппаратов, что позволяет производить в атриторах окончательное диспергирование.

Диспергирование магнитного порошка в обычных шаровых мель­ ницах и атриторах осуществляется за счет сил трения, возникающих в суспензии при взаимном скольжении и перекатывании шаров. Важнейшими факторами (если не считать состав суспензии), опре­ деляющими производительность этих аппаратов, отнесенную к еди­ нице объема, являются размеры мелющих тел и интенсивность их движения. Рассмотрим зависимость между диаметром шаров и про­ изводительностью аппаратов, выведенную на основании исследова­ ния работы шаровых мельниц и атриторов [281].

Число контактов между шарами в единице объема т пропорцио­ нально числу шаров. При заполнении одного и того же объема мель­ ницы их число обратно пропорционально кубу диаметра шаров d:

Это можно проиллюстрировать следующим примером. Если при плотной упаковке шаров диаметром 10 мм число контактов на 1 м3 будет 1 млн, то при диаметре шаров 1 мм число контактов возрастет до 1 млрд. С уменьшением диаметра шаров должен уменьшаться также объем суспензии, на которую воздействуют шары в местах контакта.

Установлено [276], что силы, способные дезагрегировать частицы, могут возникать только в узких каналах, т. е. на небольших участ­ ках шаров. Величины активного объема суспензии в местах контакта были рассчитаны с учетом того, что d имеет одинаковое значение в пределах 0,5—1 мм. Для шаров с диаметром от 5 до 50 мм активный объем пропорционален диаметру шара ѴакТ = / (d). Зависимость межу активным объемом суспензии, заключенной в единице объема шаров, и их диаметром можно выразить следующим соотношением:

Наряду с этим, изучение явления трения в шарикоподшипниках, работающих в вязких средах, показало, что касательные напряжения

пропорциональны диаметру шаров [276]. Если допустить, что работа измельчения в шаровых мельницах пропорциональна произведению активного объема суспензии на касательные напряжения и что по­ следние пропорциональны диаметру шаров, то производительность мельницы на единицу объема шаров А можно вычислить по формуле:

Таким образом, производительность аппаратов, при прочих рав­ ных условиях, обратно пропорциональна диаметру шаров [282, 284]. Однако процессы, протекающие при приготовлении суспензии, весьма сложны, и приведенную зависимость можно рассматривать только как приближенную. Следует учитывать, что при уменьшении диаметра шаров возрастает сопротивление трения, снижающее ско­ рость их движения в суспензии. Поэтому для шаров определенного диаметра, в соответствии с разностью плотностей материала шара

исуспензии, а также с типом мельницы, следует подбирать опти­ мальную вязкость суспензии и температуру ее переработки.

Впоследние годы в связи со значительным прогрессом в области производства магнитных лент для диспергирования начинают при­ менять атриторы, которые выпускаются в различных конструктив­ ных вариантах, различных типов и размеров, начиная от лаборатор­ ных и кончая высокопроизводительными производственными аппа­ ратами, которые могут быть использованы для весьма тонкого дис­ пергирования магнитного порошка. В качестве примера в табл. 4 приведены технические данные атриторов, изготовляемых одной из зарубежных фирм [284].

Кроме шаровых мельниц для смешения компонентов суспензии

ипредварительного диспергирования магнитного порошка могут быть использованы скоростные смесители (рис. 90). Принцип работы таких смесителей заключается в том, что при больших скоростях вращения мешалки возникает интенсивное трение между частицами порошка, приводящее к диспергированию магнитного порошка в рас­ творе связующего полимера.

Мешалка смесителя представляет собой разрезной диск, части

которого, отогнутые в противоположные стороны, образуют лопасти— зубцы. При вращении мешалка сообщает жидкости движение, на­ правленное под углом к касательной диска —30—50°. Диаметр диска составляет 0,1—0,15 диаметра аппарата. Окружная скорость равна 5—35 м/с, что при небольших размерах диска соответствует очень высоким числам оборотов. Потребление энергии для вязких смесей колеблется от 15 до 20 кВт. Дисковые мешалки применяют для перемешивания жидкостей в аппаратах объемом до 4 м3.

Смесители с дисковыми мешалками иногда называют дисольве­ рами, а мешалку — импеллером. Около 75% кинетической энергии, развиваемой мешалкой, расходуется на периферии диска импеллера на расстоянии не более 5 см от лопасти импеллера (рис. 91) [274]. Под действием центробежной силы, возникающей при вращении импеллера, агломераты магнитного порошка устремляются по

242

направлению к стенке смесителя (рис. 92). При этом агломераты под­ вергаются ударному воздействию и действию сил сдвига. Чем больше скорость, с которой суспензия магнитного порошка отбрасывается

Рис. 90. Схема скоростного смесителя:

1 — п о д ш и п н и к ; 2 — з а гр у з о ч н ы й л ю к ; 3 — к р ы ш к а ; 4 — в о д я н а я р у б а ш к а ; 5 — к о р п у с см есителя; 6' — д и с к о в а я м еш а л ка ; 7 — ва л м еш ал ки ; 8 — к р о н ш т е й н ; 9 — эл е к тр о д в и га ­ тель.

зубцами импеллера, тем сильнее ударное воздействие между агломе­ ратами частиц и окружающей их средой и тем вероятнее разрушение агломератов. Если количество суспензии, возвращающейся к импел­

244

леру, будет меньше отбрасываемого к стенке смесителя, возможно возникновение турбулентного движения суспензии. В этом случае агломераты частиц магнитного порошка, отбрасываемые импеллером, будут двигаться параллельно перемещающейся среде и эффект дис­ пергирования будет зависеть от разности скоростей движения агло­ мератов и среды.

Кроме того, агломераты частиц магнитного порошка, находящиеся выше и ниже зоны действия импеллера, будут увлекаться турбу­ лентным потоком и не будут подвергаться действию напряжения сдвига. В результате этого возрастают непроизводительные потери энергии. Таким образом, эффективность диспергирования и опти­ мальные условия работы скоростного смесителя в основном опре­ деляются диаметром и углом наклона зубцов диска импеллера, угло­ вую скорость которого выбирают в зависимости от реологических характеристик суспензии магнитного порошка в растворе связующего полимера.

Скоростной смеситель (см. рис. 90) представляет собой емкость из нержавеющей стали со сферическим дном, укрепленную на свар­ ной станине и снабженную водяной рубашкой для охлаждения. Над емкостью на специальном кронштейне укреплено приводное устрой­ ство. Внутри смесителя расположена ось мешалки с зубчатым дис­ ком, находящимся на расстоянии 500 мм от дна. Вал мешалки и зуб­ чатый диск изготовлены из нержавеющей стали, кроме того, поверх­ ность зубчатого диска хромирована. Крышка смесителя сферическая, снабженная смотровым стеклом. Привод мешалки обеспечивает плавное регулирование числа оборотов, достигающее в конце про­ цесса 750—1000 об/мин. Подшипник вала мешалки в крышке сме­ сителя уплотнен специальным эластичным сальником, предохраня­ ющим от потерь легколетучих растворителей. В нижней части емкости имеется сливной патрубок, через который суспензию при по­ мощи шестеренчатого насоса передают на окончательное дисперги­ рование в бисерную машину или атритор.

Для окончательного диспергирования магнитного порошка при­ меняют аппараты, в которых обеспечивается максимально возможный контакт между измельчающими телами и агломератами порошка, а также высокие значения деформации сдвига. Такие аппараты, кото­ рые называют бисерными машинами (рис. 93), состоят из следующих основных частей: корпус смесительной емкости, мешалка дискового типа, подающий и отсасывающий шестеренчатые насосы. Смеситель­ ная емкость представляет собой цилиндрический контейнер, запол­ ненный на 50—60% бисером из специальных сортов стекла или пес­ ком с круглыми и предварительно округленными гранями размерами 0,6—2 мм. В средней части контейнера размещена ось мешалки с на­ саженными на нее дисками. Скорость вращения мешалки может варь­ ироваться в пределах 500—1500 об/мин. В нижней части контейнера расположен входной клапан, через который шестеренчатым насосом нагнетается суспензия. В верхней части смесительной емкости имеется сливное отверстие, закрытое сеткой, задерживающей бисер от попадания в трубопровод вместе с непрерывно циркулирующей

245-

суспензией, которая отсасывается вторым шестеренчатым насосом. Ширина щелевых отверстий сетки в 2—3 раза меньше частиц бисера и обычно составляет 0,3—0,4 мм.

Рис. 93. Схема бисерной машины:

Вследствие вязкого трения, возникающего на поверхности вра­ щающихся дисков, смесь бисера с диспергируемой суспензией центро­ бежной силой отбрасывается к стенкам контейнера и снова возвра­ щается в поток, циркулирующий между дисками. Наиболее интен­ сивное диспергирование происходит, по-видимому, в небольшой зоне, в которой частицы бисера не только скользят вдоль поверхно­

246

сти дисков, но и перекатываются друг относительно друга (рис. 94) [285].

Усовершенствование бисерных машин шло по пути интенсифика­ ции движения бисера в контейнере. В связи с этим появились раз­ личные конструкции дисков, изображенные на рис. 95 [285, 286]; однако в технологии используют преимущественно круглые сплош­

Большое значение для нормальной работы бисерной машины имеет вязкость диспергируемой суспензии. Суспензия должна обла­ дать вязкостью, при которой возможно ее свободное перемещение под воздействием дисков мешалки.

Рис. 95. Конструкции дисков ротора бисерной машины:

При помощи мешалки в суспензии должны создаваться такие напряжения сдвига, при которых реологические свойства суспензии максимально приближались бы к свойствам ньютоновских жидкостей. Этому способствует также повышение температуры суспензии вслед­ ствие возникающего трения. Обычное время пребывания суспензии в контейнере машины не превышает 10 мин, поэтому относительно непродолжительное пребывание суспензии в рабочей зоне, малая поверхность испарения и, наконец, достаточная герметичность кон­ тейнера предохраняют суспензию от нежелательных явлений,

247

вызываемых повышением температуры. Иногда в суспензии обнаружи­ вается явление дилатансии — возрастание кажущейся вязкости с увеличением напряжения сдвига, что может привести при больших скоростях вращения мешалки к полному прекращению дисперги­ рования [272]. При недостаточной вязкости суспензии уменьшается адгезия между бисером и суспензией: частицы бисера работают вхо­ лостую, что приводит к уменьшению эффективности процесса, а также к быстрому износу бисера и дисков мешалки.

Основное преимущество бисерных машин — высокая производи­ тельность при относительно небольших габаритах, простота конст­ рукции, хорошая степень герметизации, что значительно уменьшает потери растворителей, небольшой шум, производимый при работе, и, наконец, малый объем бисера, что позволяет в отдельных случаях не регенерировать его при переходе с приготовления одного типа суспензии на другой. Вместе с тем для эффективного использования бисерных машин необходима соответствующая подготовка суспен­ зии, что требует включения в схему технологического процесса ша­ ровых мельниц и других аппаратов для предварительного диспер­ гирования.

Ниже приведены некоторые характеристики бисерных машин

Одна из отечественных бисерных машин (мельница песочная ди-

•сковая) имеет следующие параметры:

:248

5.2.3.Расчетная характеристика процесса диспергирования в шаровой мельнице

Вопросы измельчения различных материалов при помощи шаровых мельниц хорошо разработаны. Имеются формулы для рас­ чета прочности привода, подробно изучено влияние степени запол­ нения барабана шарами и материалом на мощность, потребляемую шаровой мельницей. Однако формулы, выведенные для расчета мель­ ниц, работающих в режиме измельчения, не могут быть использо­ ваны при математическом описании процесса диспергирования ма­ териала в растворе связующего полимера вследствие значительных различий в режимах работы шаровых мельниц на измельчение и дис­ пергирование.

До самого последнего времени в литературе не было данных о рас­ четах мощности шаровых мельниц при диспергировании порошкооб­ разных материалов в растворах связующих полимеров. Однако этот вопрос представляет особый интерес для технологии получения магнитных лент, так как, наряду с требованиями экономичности и, сле­ довательно, уменьшения продолжительности диспергирования маг­ нитного порошка, этот процесс должен обеспечить только дезагре­ гацию агломератов, не нарушая формы и магнитных свойств кристал­ лов гамма-окиси железа. Поэтому представляет интерес одна из последних работ [290], связанная с экспериментальным исследова­ нием и расчетным обоснованием изменения мощности, потребляемой шаровой мельницей в процессе диспергирования.

Установлено, что по потребляемой мощности процесс дисперги­ рования можно разделить на три периода: период пуска, период сме­ шения компонентов и период диспергирования. В первом периоде, продолжающемся десятые доли секунды, потребляемая мощность мгновенно и значительно повышается. В этом периоде она превышает мощность, потребляемую в третьем периоде, в 3,2—3,4 раза. По­ скольку длительность первого периода очень мала, кратковременная перегрузка электродвигателя практически не имеет значения [291, 292]. Вместе с тем детали кинематической схемы привода следует проверить на прочность по пусковой нагрузке с учетом предела те­ кучести материала [293, 294]. Коэффициент запаса прочности дета­ лей привода, исходя из предела текучести материала, должен быть не менее 1,1—1,2.

Далее было установлено, что независимо от степени заполнения барабана мельницы шарами и материалом потребляемая мощность ІѴ2 во втором периоде больше, чем в третьем на 7—10%. С учетом того, что второй период продолжается 30—40 мин, расчеты конструктив­ ных элементов привода следует производить исходя из величины N% во втором периоде.

В третьем периоде, наиболее длительном, N% практически не зависит от времени, поэтому удельные нормы расхода электроэнергии нужно рассчитывать по периоду диспергирования. С изменением степени заполнения барабана мельницы шарами фш мощность ІѴ2 возрастает не пропорционально величине заполнения, а вначале

249’

быстро, и по мере приближения фш к оптимальной величине (20— 25% для металлических шаров) приращение мощности уменьшается. Размеры шаров практически не влияют на характер изменения мощ­ ности, однако с уменьшением диаметра шаров 7Ѵ2 несколько умень­ шается.

Наиболее интересным выводом является экспериментально под­ твержденное заключение о том, что потребляемая мощность при изменении коэффициента заполнения барабана мельницы материа­

вподшипниках качения, используемых

вцапфах оси барабана шаровой мель­ ницы, также способствует тому, что увеличение количества загружаемого

материала, приводящее к возрастанию силы трения в цапфах, практически не влияет на мощность, потребляемую ша­ ровой мельницей.

Рассмотрим пример определения мощности, потребляемой шаро­ вой мельницей, для диспергирования пигмента в растворе пленкооб­ разующего вещества [290]. При этом вполне допустимо принять, что процесс диспергирования магнитного порошка по сути дела не отли­ чается от процесса диспергирования пигмента. В случае дисперги­ рования магнитного порошка режим работы мельницы должен обес­ печить только дезагрегацию агломератов до отдельных кристаллов у-окиси железа, не разрушая последних.

При диспергировании энергия расходуется на: поддержание массы шаров Ѳш в положении, определяемом углом Ѳ(ІѴп); преодоление со­ противления трения скольжения шаров о внутреннюю стенку бара­ бана (УѴп); подъем шаров на высоту, обеспечивающую их скатывание (NK э); преодоление вредных сопротивлений механического привода (ІѴтр); потери в электродвигателе (Л7ДВ).

Суммарная потребляемая мощность будет равна:

Последние два слагаемых уравнения (78) называют мощностью холостого хода N x х, в то время как первые три слагаемых составляют полезную мощность, потребляемую электродвигателем.

250