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方解石的湿法超细研磨工艺与动力学研究

日期:2013/1/24 17:50 点击数:13385 
        (中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京 100083)方解石的湿法超

细研磨工艺与动力学研究
       摘要:方解石是一种用途十分广泛的碳酸盐类矿物。本实验采用实验型SDF砂磨机为湿法

超细研磨设备,考察分散剂的品

种及用量、矿浆浓度和研磨时间对方解石超细研磨效果的影响,并采用数学回归方法研究了

磨矿动力学方程。结果表明,方解

石湿法超细研磨的适宜工艺务件为:分散剂采用六偏磷酸钠,用量为方解石质量的0.5%,矿

浆浓度为55%,研磨时间为90min

方解石湿法超细研磨的动力学方程为:y(x,t)=1-[1-y(x,0)]e(-0.01921t-0.09363) 。

     关键词:方解石;湿法超细粉碎;磨矿动力学

    方解石是一种碳酸盐类矿物,其化学成分主要是碳酸钙,含极少量的氧化镁、氧化铁、

二氧化硅等[1]。超细重质碳酸钙是

方解石最主要的深加工产品之一,广泛用于造纸、塑料、橡胶、电缆、胶粘剂等领域[2]

是目前市场需求量最大的非金属矿深

加工产品之一。

    当前超细重质碳酸钙,特别是造纸颜料(浆料)级碳酸钙主要的生产技术是湿法超细研磨[3-4]

其主要设备是超细搅拌磨或砂

磨机。在研磨设备确定的条件下,矿浆浓度、研磨时间、分散剂的品种及其用量对方解石超

细研磨效果有重要影响。

    本实验以超细砂磨机为湿法超细研磨设备,研究了分散剂的品种及其用量、矿浆浓度和研磨

时间对方解石超细研磨效果的

影响,得出了方解石湿法超细研磨的适宜工艺条件,归纳得出了方解石在适宜工艺条件下的

磨矿动力学方程。

实验部分

1.1 原料

    实验用方解石粉,其原料的粒度组成:D50=28.75μmD97=115.17μm-1μm含量为2.76%

由江苏溧阳非金属矿粉末厂提

供。实验所用研磨介质为氧化铝陶瓷微珠,其密度为2.66g/cm3,粒径为0.61mm。实验中研

磨介质/物料质量比为41,磨

机转速始恒为2000r/min

1.2 试剂

    实验用分散剂:聚丙烯酸钠,密度为1.08pH=7.0,美国罗门哈斯公司;六偏磷酸钠,AR

,密度为2.48g/cm3,碱性,无

锡市灵达化工试剂厂。

1.3 主要实验设备及仪器

    实验型SDF分散砂磨机,昆山雷城兴业机械有限公司;BT-9300H激光粒度分布仪,丹东

市百特仪器有限公司。

结果与讨论

2.1 工艺条件试验

2.1.1 分散剂种类

    研磨样品200g,矿浆浓度为50%,分散剂的用量为方解石粉质量的0.5%。累计研磨2h,研磨过程

中每30min检测物料

粒度,本试验采用聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠进行比较试验,试验结果中位粒径D50与研磨时

间的关系见图1

    图1  分散剂种类对研磨效果的影响
    由图1可知,在同样的研磨时间下,六偏磷酸钠相对于聚丙烯酸钠对方解石的助磨效果要

好,在磨矿时间为90min时,

采用六偏磷酸钠为分散剂时,物料中位径D50已经达到了0.66μm,而用聚丙烯酸钠为分散剂,

120min才能达到0.68μm

因此,以六偏磷酸钠作为方解石的分散剂比聚丙烯酸钠的磨矿效率更高。
    2.1.2 分散剂用量

    研磨样品200g,矿浆浓度为50%,分散剂为六偏磷酸钠,累计磨矿90minD50D97与研磨

时间的关系见图2

    图2  分散剂用量对研磨效果的影响

    由图2可以看出,随着分散剂用量的增加,磨矿样品的细度降低,用量0.5%时,物料的中位粒

D50达到了最低的0.66μm

此后,随着分散剂用量的增加,粒度减小已不明显,继续增加分散剂的用量对超细磨矿已无显

著性的改善作用,只会增加

生产成本。因此,分散剂的适宜用量为物料质量的0.5%

      2.1.3 矿浆浓度

     研磨样品200g,分散剂为六偏磷酸钠,用量为方解石粉质量的0.5%,累计磨矿90minD50

D97与研磨时间的关系见图3

     图3  矿浆浓度对研磨效果的影响 
     由图3可以看出,随着矿浆浓度的增加,相同时间(90min)内物料的细度降低,磨矿效率提高,

当磨矿浓度到55%时,

产物中位径D500.61μm,再提高磨矿浓度,矿浆和研磨介质粘附在一起无法进行搅拌研磨。

因此,适宜矿浆浓度为55%

     2.1.4 研磨时间

    研磨样品200g,分散剂为六偏磷酸钠,用量为方解石质量的0.5%,磨矿浓度为55%D50

D97与研磨时间的关系见图4

    图4  研磨时间对研磨效果的影响

    从图4中可见,随着磨矿时间的增加,D50D97减小,当时间到90min以后,物料的粒度基本

不再减小,比表面积和

表面自由能增加,颗粒达到了粉碎和团聚的平衡状态,再增加磨矿时间只是在浪费能量。

因此,适宜磨矿时间为90min

    由以上实验可以得出方解石湿法超细研磨的适宜工艺条件为:分散剂采用六偏磷酸钠,

用量为方解石质量的0.5%

矿浆浓度为55%,研磨时间为90min
    2.2 磨矿动力学[5-7]

    Epstein提出了描述超细粉碎过程的选择函数和分布函数,Reid用这两个函数建立了间歇式超

细粉碎过程的动力学微分方程:
    y(x,t)=1-[1-y(x,0)]e-s(x)t0≤x≤xmax    (1)

    式中:y(x0)为原料中小于粒度X的质量百分数;y(xt)t时刻小于粒度x的质量百分数;

s(x)为粉碎选择函数(表示

某一粒度的粉碎比速率)

    南非学者Tuzun经过研究发现有函数适用于间歇式搅拌磨超细粉碎过程的描述,并给出了

选择函数的表示式:

    s(x)=αxβ    (2)

    式中:α为常数;β为指数。

    将(2)式代入(1)式,可得:
    y(x,t)=1-[1-y(x,0)]e-αxβt0≤x≤xmax       (3)

    经过变换,并把(2)式代入,可得:
    ln{[(1-y(xt)]/[1-y(x0)]}=-s(x)t=-αxβt    (4)

    研磨样品200g,矿浆浓度为55%,研磨时间为90min,分散剂采用六偏磷酸钠,其用量为方

解石质量的0.5%,检测不同

时刻样品的-1μm的含量(%),结果见表1。按照(4)式计算并绘出磨矿动力学曲线,结果见图5

    图中分布的动力学点呈近似线性的关系,为一阶线性磨矿动力学关系,即ln{[(1-y(xt)]/[1-y(x0)]}

与时间t呈一次线

性关系。通过回归分析得方解石的粉碎比速率(曲线的斜率)s(x)-0.01921

     Y=A+BX

    其中X为研磨时间tYln{[(1-y(xt)]/[1-y(x0)]}A为截距,值为-0.09363B为斜率,

值为-0.01921x为粒度;

y(x0)为原料中小于粒度x的质量百分数;y(xt)为研磨t时间后样品中小于粒度x的质量百分数。

曲线方程为:

ln{[(1-y(xt)]/[1-y(x0)]}= A+BX=-0.09363-0.01921t

通过换算,可以得出方解石湿式超细研磨的动力学方程为:

y(x,t)=1-[1-y(x,0)]e(-0.01921t-0.09363)

结论

    1.方解石湿法超细研磨的适宜工艺条件为:分散剂采用六偏磷酸钠,用量为方解石

质量的0.5%,矿浆浓度为55%

研磨时间为90min,此时,样品的D50可达0.61μmD97可达1.46μm

    2.通过数学回归分析得出方解石湿法超细研磨动力学方程为:y(x,t)=1-[1-y(x,0)]e(-0.01921t-0.09363)

    参考文献

[1] 郑水林.非金属矿加工与应用[M].北京:化学工业出版社,200317.

[2] 李金发.池州地区方解石资源及开发利用[J].安徽地质,200010(4)313-314.

[3] 郑水林.非金属矿加工工艺与设备[M].北京:化学工业出版社,200940-59.

[4] 丁浩,邢锋.矿物粉体搅拌磨湿法超细磨矿中研磨介质的行为与作用[J].中国粉体技术,

2000(8)9-12.

[5] Reid K J. A solution to the batch grinding equation[J]. Chem Eng Sci, 1965, 20: 953-963.

[6] TuzunMA, etal. Effect ofpintip velocity, ball density and ball size on grinding kinetics in a stirred 

ballmill[J]. Int JMinerProcess, 

1995, 43: 179-191.

[7] 潘新章,马振华.搅拌磨微粉碎氧化铝数学模型的反求[J

 
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