LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA

Transkriptio

1 LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA Kemiantekniikan koulutusohjelma Erotustekniikan laboratorio BJ10A0102 Kandidaatintyö ja seminaari Tuomas Melanen HELMIMYLLYN TOIMINTAPARAMETRIEN VAIKUTUS JAUHAUTUVUUTEEN Kandidaatintyö Ohjaaja: TkT Ritva Tuunila Lappeenrannassa

2 Tiivistelmä Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Kemiantekniikan koulutusohjelma Tekijä: Tuomas Melanen Nimi: Helmimyllyn toimintaparametrien vaikutus jauhautuvuuteen Kandidaatintyö sivua, 15 taulukkoa, 23 kuvaa ja 2 liitettä Työnohjaaja ja tarkastaja: Tkt. Ritva Tuunila Hakusanat: Jauhatus, ultrahienojauhatus, helmimylly, sekoitinelin, jauhinkappale Työn teoriaosassa tutkittiin materiaalin hienontamista jauhatuksen näkökulmasta. Jauhatuksessa keskityttiin ultrahienojauhatukseen ja siinä käytettäviin myllyihin, joista lähimmin tarkasteltiin helmimyllyä ja sen toimintaparametrien vaikutusta jauhautuvuuteen. Lisäksi teoriaosassa tutkittiin jauhatuksen energiankulutusta, joka on yksi jauhatuksen suurimmista ominaisuuksista. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin kalkkikiven jauhautuvuutta ja jauhatuksen ominaisenergiankulutusta käyttäen kolmea erilaista sekoitinelintä. Kokeissa myllynä käytettiin helmimyllyä ja jauhinkappaleina 2 mm:n lasihelmiä. Jauhautuvuutta tutkittiin analysoimalla tuotteiden partikkelikokojakaumat Beckman Coulter LS partikkelikokoanalysaattoria. Energiankulutukset määritettiin lietteen lämpötilan muutoksen perusteella ensimmäisen viidentoista minuutin aikana. Työn tavoitteena oli selvittää, onko uusi lapamainen sekoitinelin tehokas jauhattavuuden kannalta mutta samalla myös energiatehokas. Tämän työn perusteella uusi lapamainen sekoitinelin on tehokas jauhautuvuuden kannalta suuremmilla pyörimisnopeuksilla. Ominaisenergiankulutus on puolestaan samaa luokkaa suuremmilla pyörimisnopeuksilla verrattaessa eri sekoitinelimiä.

3 Abstract Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Department of Chemical Engineering Author: Tuomas Melanen Title: Variables Affecting Grinding in Bead Mills Bachelor s Thesis pages, 15 tables, 23 figures and 2 appendices Supervisor and examiner: D.Sc. Ritva Tuunila Keywords: Grinding, ultrafine grinding, bead mill, grinding impeller, grinding media In the theoretical section the comminution and ultrafine grinding were studied. The main purpose of the study was in different grinding mills used in ultrafine grinding and in different variables of stirred bead mill affecting grinding. Also the specific energy consumption of grinding was studied because it s one of the biggest features of grinding. In the experimental part size reduction and the specific energy consumption of grinding were studied by using three different stirrers. Bead mill with 2 millimeter grinding media (glass) was used. Comminution was studied by analyzing the particle size distribution of the products by using Beckman Coulter LS particle analyzer. Energy consumptions were defined by the temperature change of the slurry. The aim of this work was to find out is the new blade impeller efficient in grinding when studying comminution but also the specific energy consumption. According to results the new blade impeller is efficient in higher stirring speeds in perspective of size reduction. The specific energy consumption of the blade impeller is equal comparing to traditional impellers in higher stirred speeds.

4 Sisällysluettelo I KIRJALLISUUSOSA JOHDANTO MATERIAALIN HIENONTAMINEN JAUHATUS Karkea- ja hienojauhatus Ultrahienojauhatus HELMIMYLLY JA SEN TOIMINTAPARAMETRIT Sekoitinelimet Jauhatushelmet JAUHATUKSEN ENERGIANKULUTUS II KOKEELLINEN OSA KOKEIDEN TARKOITUS KOELAITTEISTO JA MITTAUSTEN SUORITUS Helmimylly Partikkelikokoanalysaattori MITTAUSTULOSTEN KÄSITTELY JA MITTAUSTULOKSET TULOKSET JOHTOPÄÄTÖKSET JA TULOSTEN TARKASTELU Kirjallisuuslähteet... 42

5 2 Symboliluettelo C Vakio, jonka numeerinen arvo riippuu materiaalista, hienonnusmenetelmästä ym., - c p Ominaislämpökapasiteetti, kj/(kg K) E Hienonnustyöhön käytetty energia, kwh/t E m Myllyn energiantarve, kwh/kg g Putoamiskiihtyvyys, m/s 2 h j, in/out Jauhinkappaleiden ominaisenergia sisään/ulos, kj/kg h k, in/out Kalkkikiven ominaisenergia sisään/ulos, kj/kg h s, in/out Sekoitinelimen ominaisenergia sisään/ulos, kj/kg h v, in/out Veden ominaisenergia sisään/ulos, kj/kg m j Jauhinkappaleiden massa, kg m k Kalkkikiven massa, kg m s Sekoitinelimen massa, kg m v Veden massa, kg Massavirta, kg/s n Prosessin kertalukua edustava eksponentti, - n c Kriittinen pyörimisnopeus, 1/s P m Myllyn tehontarve, W q m,k Kalkkikiven tuotanto, kg/h R Myllyn säde, m r Kuulan halkaisija, m t Aika, s x Tuotteen hienoutta edustava tekijä, - x 1 Tuotteen alkukoko, m x 2 Tuotteen loppukoko, m ΔT Lämpötilan muutos, K

6 3 I KIRJALLISUUSOSA 1 JOHDANTO Materiaalia hienonnetaan lähes jokaisella kemian prosessiteollisuuden alalla. Hienontamisen tavoitteena on yleensä tuotteen saattaminen tiettyyn kokoluokkaan tai muotoon sekä pinta-alan kasvattaminen kemiallisia reaktioita varten. Materiaalin hienontamista käytetään hyväksi maatalouskemikaalien tuotannossa, lääketeollisuudessa, elintarviketeollisuudessa, pigmenttien valmistuksessa, metallurgiassa ja lähes kaikissa prosesseissa, joissa kiinteää materiaalia prosessoidaan pienempään kokoon. Hienontamista käytetään myös mineraalien rikastusprosesseissa, joissa tarkoituksena on erottaa arvomineraalit arvottomista kivilajeista. Ennen rikastusprosessia mineraali esikäsitellään murskaamalla ja jauhamalla, jonka jälkeen arvomineraalit voidaan helpommin erottaa kivimurskeesta erilaisilla rikastusmenetelmillä kuten vaahdotuksella, painovoimaan perustuvilla menetelmillä tai kemiallisesti liuottimilla. [7,11,13] Ensimmäinen sekoitinelintä käyttävä mylly otettiin käyttöön vuonna Suurin osa nykyään käytetyistä hienonnusmenetelmistä on vanhaa teknologiaa, joten viimeisen kahdenkymmenen vuoden aikana uusien myllyjen ja sekoitinelimien kehitykseen on panostettu paljon. Ultrahienojauhatuksessa yleisemmin käytössä olevat myllyt ovat ensimmäisenä myllynä mineraaliteknologiassa käytetty niin sanottu Tower mill ja 1990-luvulla kehitetty Verti mill, joita vuonna 2002 oli käytössä yli 400. Muita yleisesti käytössä olevia myllyjä ovat ISAMILL, Svedala detritor ja Sala agitated mill. [8] Tämän työn tavoitteena kirjallisuusosassa on selvittää materiaalin hienonnusprosessia ja kuvata sen tärkeimmät yksikköprosessit, jotka ovat murskaus ja jauhatus. Työ keskittyy tarkemmin jauhatukseen ja jauhatuksessa käytettäviin myllyihin, joista tässä työssä tarkastellaan helmimyllyä ja sen toimintaparametrien vaikutusta jauhatuksen tehokkuuteen ja energiankulutukseen.

7 4 Työn kokeellisessa osassa käytetään helmimyllyä, jolla testataan uudenlaista lapasekoitinelintä ja sen soveltuvuutta jauhatukseen. Uutta sekoitinelintä verrataan perinteisiin sekoitinelimiin. Kokeellisen osan tavoitteena on selvittää, onko uusi sekoitinelin tehokas jauhattavuuden kannalta mutta samalla myös energiatehokas. Lisäksi työssä selvitetään jauhatuksen energiankulutusta, jonka voi luonnehtia jauhatuksen ongelmakohdaksi, koska jauhatusprosessi kuluttaa suuren määrän energiaa. Jauhatus on energia-intensiivisin yksikköoperaatio mineraaliteollisuudessa. Se vie suuren energiankulutuksen vuoksi noin 50 prosenttia kaikista kuluista, jotka sisältyvät hienonnusprosesseja käyttävän laitoksen menoihin. Jauhatuksen energiankulutuksen ongelmallisuutta kuvataan taulukossa I, jossa esitetään kulujen jakautuminen mineraaliteollisuudessa tuotettaessa tonnia päivässä kuparikonsentraattia. [16,23] Taulukko I Osa Kulujen jakautuminen tuotettaessa tonnia päivässä kuparikonsentraattia. [23] Hinta Osuus [US$/t] [%] Murskaus 0,088 2,8 Jauhatus 1,482 47,0 Flotaatio 0,510 16,2 Sakeutus 0,111 3,5 Suodatus 0,089 2,8 Jätehuolto 0,161 5,1 Lähtöaineet 0,016 0,5 Putkisto 0,045 1,4 Vesi 0,252 8,0 Laboratorio 0,048 1,5 Työvoima 0,026 0,8 Työnjohto 0,052 1,6 Hallinto 0,020 0,6 Muut kulut 0,254 8,1 Summa 3,

8 5 2 MATERIAALIN HIENONTAMINEN Hienontamisen tavoitteena on tuotteen saattaminen tiettyyn kokoluokkaan tai muotoon sekä pinta-alan kasvattaminen kemiallisia reaktioita varten. Mineraalien hienonnusprosessi voidaan jakaa kahteen pääkategoriaan, murskaukseen ja jauhatukseen, sekä niiden kanssa samaan aikaan tapahtuvaan raekoon jakautuman ohjaukseen seulomalla tai luokittamalla. Murskauksella tarkoitetaan suurien lohkareiden koon pienentämistä kokoluokkaan millimetriä. Murskaus toteutetaan erilaisilla murskaimilla yleensä kolmessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa louhinnasta tuleva mm:n kokoinen kiviaines hienonnetaan mm:n kokoiseksi. Toisessa vaiheessa hienonnuksen jälkeinen koko on mm ja lopulta kolmannen vaiheen jälkeen päästään mm:n kokoluokkaan. Murskaimet jaetaan viiteen pääryhmään - leukamurskaimet, kartiomurskaimet, valssimurskaimet, iskumurskaimet ja erikoismurskaimet - rakenteen ja toimintatavan mukaan. Leukamurskainta käytetään tyypillisesti esimurskaimena. Jauhatuksessa murskauksen jälkeiset millimetrien kokoiset partikkelit jauhetaan mikrometrien kokoisiksi. Murskaus suoritetaan yleensä kuivaprosessina, mutta jauhatus voidaan suorittaa kuiva- tai märkäjauhatuksena. Märkäjauhatusta käytetään enemmän, koska märkäjauhatuksen energiankulutus on pienempi kuin kuivajauhatuksessa. Kuvassa 1 on esitetty yllämainittujen murskainten periaatekuvat. [6, 7, 10, 12, 13,14,19,20, 23]

9 6 Kuva 1 Periaatekuvat leukamurskaimesta, valssimurskaimesta, iskumurskaimesta ja kartiomurskaimesta. [14] Mineraalien hienonnuksen viimeinen vaihe on jauhatus, joka suoritetaan myllyissä. Jauhatuksessa jauhettava aine hienonnetaan tuotteen käyttötarkoituksen edellyttämää raekokojakaumaa, puhtaaksijauhatusastetta tai ominaispinta-alaa vastaavaksi. Jauhatus ja jauhatuksessa käytettävät myllyt esitetään tarkemmin kappaleessa 3. Taulukossa II on esitetty murskainten ja jauhatusmyllyjen eri parametreja. Energiankulutus esitetään myöhemmin kappaleissa 3 ja 5. [5,7,10,11,13,23]

10 7 Taulukko II Parametreja murskaimille ja myllyille - syötön maksimikoko, tuotteen maksimikoko, kapasiteetti, olosuhteet. [13] Laite Syötön maksimikoknimikoko Tuotteen mi- Kapasiteetti [t/vrk] [mm] [mm] Märkä/Kuiva Murkaimet Kartiomurskain > 10 3 K Leukamurkain < 1 - > 10 3 K Kartiomurskain (secondary) > 10 3 K Kartiomurskain (tertiary) K Iskumurskain > 10 3 K Valssimurskain (double) > 10 3 K Valssimurskain (single) > 103 K Karkea- ja hienojauhatusmyllyt Autogeenimylly > 10 3 M Tankomylly , > 10 3 M Kuulamylly 6-2 0, > 10 3 M/K Roller, bowl 50 0, K Ultrahienojauhatusmyllyt Pin ,02-0, K Turbo ,02-0, K Rullamylly ,15-0, > 10 3 K Ring-ball ,15-0, K Vasaramylly ,8-0,01 < 1 - > 10 3 K Tärymylly , M/K Suihkumylly 60-0,1 < 0,001 < K Helmi-, hiekkamylly 0,075 0,005 < M/K Materiaalin hienonnus voidaan suorittaa jatkuva- tai panostoimisesti. Suuret tuotantomäärät tuotetaan yleensä jatkuvatoimisesti. Suurin osa teollisuuden hienonnusprosesseista on jatkuvatoimisia. Panostoimisia prosesseja käytetään yleensä alustavissa prosessitutkimuksissa sekä tutkiessa hienonnukseen liittyviä ilmiöitä. Hyvä partikkelikokokontrolli saavutetaan käyttämällä suljettua jauhatuspiiriä, johon kuuluu tuot-

11 8 teeksi liian suurten partikkelien kierrätys takaisin jauhatukseen. Murskauksen jälkeen jauhettava materiaali syötetään hienonnusvaiheeseen, jossa partikkelit jauhetaan myllyllä pienempään kokoluokkaan. Jauhatuksen jälkeen partikkelit erotetaan luokittimella, jolla haluttu kokoluokka saadaan talteen tuotteena ja liian karkea aines palautetaan kiertokuormana takaisin jauhatusvaiheeseen. Luokituslaitteen avulla prosessissa pystytään hienontamaan vain niitä partikkeleita, joita tarvitsee hienontaa. Luokituslaitteena voidaan käyttää joko seulaa tai syklonia. Suljettu jauhatuspiiri on esitetty kuvassa 2. [6,13,23] Syöttö Hienonnus Luokitus Tuote Kiertokuorma Kuva 2 Suljettu jauhatuspiiri Suljetun jauhatuspiirin sijasta voidaan käyttää avointa jauhatuspiiriä, jossa partikkeleita ei kierrätetä takaisin jauhatusvaiheeseen luokittimen kautta. Avoimen piirin etuna on, että se on yksinkertaisempi kuin suljettu järjestelmä. Avoimessa järjestelmässä tuotteen partikkelikokojakauma on kuitenkin leveä ja jauhatus tapahtuu vaikeimmin jauhautuvien partikkelien mukaan, jolloin tuloksena on usein ylijauhatus osalle materiaalista, jolloin energiaa tuhlaantuu. Avoin jauhatuspiiri on esitetty kuvassa 3. [6,13,23] Syöttö Hienonnus Tuote Kuva 3 Avoin jauhatuspiiri Jauhatus voidaan suorittaa märkä- tai kuivajauhatuksena. Märkäjauhatuksessa nesteenä käytetään yleensä vettä, mutta myös muita liuottimia voidaan käyttää. Valinta märän ja kuivan prosessin välillä riippuu siitä, mitä hienonnusoperaation jälkeen tapahtuu. Märkäjauhatusta ei välttämättä kannata suorittaa kahden kuivan operaation välis-

12 9 sä, koska silloin tarvitaan kuivauslaitteita, jotka lisäävät käyttökustannuksia. Energiankulutus märkäjauhatuksessa on puolestaan noin % alhaisempi kuin kuivajauhatuksessa. Tämä johtuu siitä, että vedellä ja siihen ennen jauhatusta ja jauhatuksen aikana liuenneilla elektrolyyteillä on luontainen taipumus alentaa jauhatuksen energiankulutusta. Märkäjauhatuksen etuna on, että se poistaa pölyongelman, jolla on vaikutusta jauhatuksen tehokkuuteen. Lisäksi kiinteät aineet ovat helpompia käsitellä ja laitoksen tuotantokapasiteetti kasvaa. [6,7,10,13,23] Materiaalin hienontamisessa voidaan käyttää hyväksi lisäaineita. Edellä todettiin, että märkäjauhatuksessa energiankulutus on % pienempi kuin kuivajauhatuksessa. Lisäaineita käytetään enemmän hyödyksi kuivajauhatuksessa kuin märkäjauhatuksessa. Käytettäessä lisäaineita, joilla on taipumus adsorboitua kiinteän aineen pinnalle, voidaan pinnan kovuutta saada pienennettyä 70 %. Alle yhden mikrometrin jauheiden tuottaminen on vaikeaa partikkelien agglomeroitumisen takia, mutta lisäaineiden avulla agglomeroitumiselta voidaan välttyä. Alle mikrometrin tuotekokoon on päästy, suorittamalla jauhatus orgaanisessa liuottimessa esimerkiksi etyylialkoholissa ja käyttämällä lisäaineena epäorgaanista suolaa kuten K-ferrosyanidia tai Na-bikromaattia. Esimerkkejä käytetyistä lisäaineista jauhatuksessa ovat rasvahappo, joka sopii kvartsin jauhatukseen ja kalkkikivelle sopiva amiini. Märkäjauhatuksessa lisäaineina on käytetty muun muassa silikaatteja, fosfaatteja ja pieniä määriä öljyhappoja. Käytettäessä pientä määrää öljyhappoa kalkkisälvän jauhatukseen, on jauhautuminen parantanut. Huomattavaa kuitenkin on, että suurella happolisäyksellä on kuitenkin ollut päinvastainen vaikutus. Sementtiteollisuus hyödyntää lisäaineita, koska jauhettavat määrät ovat suuria ja lopputuotteet hienoja. [7, 10, 20] Partikkelin murtumisen edellytyksenä on, että sen sisäiset atomien väliset voimat saadaan rikotuksi. Tämä saadaan aikaan joko normaali- tai tangentiaalijännityksen avulla. Kappaleella on eri muodonmuutostapoja, joita ovat esimerkiksi isku, puristus, leikkaus, hankaus ja taivutus. Kappaleen joutuessa ulkoisen rasituksen aiheuttamaan jännitystilaan, sen hajoaminen alkaa juuri näistä epäjatkuvuuskohdista. Mitä pienemmäksi kappale tulee, sitä vähemmän kappaleessa on epäjatkuvuuskohtia ja kappa-

13 10 le muuttuu lujemmaksi. Tämä selittää sen, että kappaleen hienontaminen vaikeutuu syötteen hienotessa. [6,7] 3 JAUHATUS Jauhatukseen tulevan materiaalin rae- tai kappalekoko vaihtelee, mutta on tavallisesti mm. Jauhatuksen jälkeisen tuotteen raekoko vaihtelee jauhatukseen käytetyn myllyn ja prosessin mukaan. Jauhatushienous jaetaan karkeaan jauhatukseen, hienojauhatukseen ja ultrahienojauhatukseen. Mitään selkeää rajaa jauhatushienouteen ei ole, mutta seuraavaksi esitetään muutama vaihtoehto hienousrajoiksi. Lukkarisen 10 mukaan jauhettaessa alle 200 meshin eli 75 µm:n hienouteen puhutaan hienojauhatuksesta. Wills 23 määrittää hienousasteet siten, että karkeassa jauhatuksessa tuotteen partikkelikoko on µm, hienojauhatuksessa µm ja ultrahienossa jauhatuksessa alle 15 µm. Yaws 24 puolestaan toteaa, että karkeajauhatus määritetään siten, että tuote hienonnetaan 10 meshin eli 2 mm:n kokoon. Hienojauhatuksessa tuotteen partikkelikoko, jota pienempiä partikkeleita on 95 %, on 200 meshia eli 74 µm. Hyvin hienossa jauhatuksessa tuotteen partikkelikoko, jota pienempiä partikkeleita on 99,9 %, on 300 meshia eli 48 µm. Superhienossa jauhatuksessa tuotteen partikkelikoko on alle 44 µm. Hukin 7 näkemys hienonnusasteeseen ja ominaisenergiankulutukseen on esitetty taulukossa III. [7,10,15,23,24] Taulukko III Jauhatusprosessien jaottelu eri jauhatusluokkiin tuotteen partikkelikoon mukaan [15] Jauhatustaso Tyypillinen laite Partikkelikoko, jota pienempi partikkeleita 80 % [µm] Ominaisenergia [kwh/t] Karkeajauhatus Tankomylly Hienojauhatus Kuulamylly Hyvinhienojauhatus Superhienojauhatus Putkimylly Suihkumylly

14 11 Jauhatus on prosessiteollisuuden tärkeimpiä yksikköprosesseja ja se on mineraalien hienontamisprosessin lopullinen vaihe. Jauhettava aine hienonnetaan jauhatuksessa rikastusprosessin tai jonkun muun käyttötarkoituksen edellyttämää raekokojakaumaa, puhtaaksijauhatusastetta tai ominaispinta-alaa vastaavaksi. Tärkeimpiä jauhatushienouteen vaikuttavia rakennetekijöitä ovat jauhettavan materiaalin raekoko, määrä, sulkeutumat ja keskinäiset yhteenkasvettumat. Jauhatus käsittelee suuria ainemääriä ja palvelee erilaisia teollisuuden aloja, joista vuoriteollisuus on yksi sen suurimmista hyödyntäjistä. Jauhatus kuluttaa paljon energiaa ja sen takia sitä voidaan pitää ongelmana. Liian hieno jauhatusaste kuluttaa tarpeettomasti energiaa ja vaikeuttaa rikastusprosessia. [7,10] Karkeampi jauhatus suoritetaan yleensä rumpumaisissa, vaakatasossa pyörivissä myllyissä jauhinkappaleiden avulla. Myllyn pyöriessä tasaisella nopeudella, jauhinkappaleet pääsevät jauhatukseen sopivaan liiketilaan, jolloin jauhautuminen perustuu iskuihin, puristukseen ja hiertoon. Jauhinkappaleina voidaan käyttää terästankoja, teräs- ja valurautakuulia tai jauhinlieriöitä. Posliini- ja aluniittikuulia sekä piikiviä käytetään, jos tuotteeseen ei haluta rautaa. Rumpumaisten myllyjen lisäksi käytetään erikoismyllyjä, joilla päästään muutamien mikrometrien tuotekokoon. Hieno- ja ultrahienojauhatuksessa käytetään yleensä apuna sekoitinelimiä, joiden avulla myllyn sisällä olevaa jauhettavaa ainetta sekoitetaan samalla, kun myllyn sisällä olevat jauhinkappaleet - helmet, hiekka - jauhavat jauhettavaa ainetta. Lisäksi käytetään suihkumyllyjä. [6,10,13,20,23] Myllyn kapasiteetti määritellään tavallisesti myllyn aikayksikössä käsittelemän jauhettavan aineen määränä, myllyn aikayksikössä tekemän määrättyä raekokoa hienomman uuden tuotteen määränä tai myllyn aikayksikössä perusmyllyä kohti tekemän uuden tiettyä raekokoa hienomman tuotteen määränä esimerkiksi yksiköllä t/h. Käytännössä kapasiteetti on sama kuin läpi mennyt tavaramäärä ja se on yhdessä tehonoton kanssa tarkimmin seurattavia jauhatuksen suureita. Myllyn koon lisäksi tärkeimmät myllyn toimintaan ja sen kapasiteettiin vaikuttavat tekijät ovat myllyn pyörimisnopeus, myllyn täyttöaste, jauhettava aine, jauhinkappaleet ja myllyn rakenne. [6,10]

15 12 Rumpumaisen myllyn nopeus valitaan jauhatustehtävän, tarvittavan kapasiteetin ja koon mukaan. Mylly pyörii tasaisella nopeudella sen käynnistämisen ja kiihdytyksen jälkeen. Myllyn kehänopeus on yleensä 2 3 m/s, mutta myllyn nopeutta seurataan yleensä kierrosluvun avulla ja laskemalla, kuinka monta prosenttia se on kriittisestä myllyn nopeudesta. Myllyn kriittinen nopeus on se nopeus, jolla myllyn sisäkehään nojaava liukumaton kappale, kuula, ei enää irtoa kehältä myllyn pyöriessä. Myllyjen nopeudet ovat tavallisesti alueella % kriittisestä nopeudesta ja usein käytetään arvoa 76 %, jonka esimerkiksi Bake 5 on määrittänyt tutkimuksissaan. Jos myllyn pyörimisnopeus on alle kriittisen nopeuden, sanotaan, että mylly toimii alikriittisellä pyörimisalueella. Vastaavasti nopeuden ollessa yli kriittisen nopeuden, mylly toimii ylikriittisellä nopeusalueella. Pyörimisnopeuden lisääminen lisää myllyn kapasiteettiä, mutta sillä on vain vähän vaikutusta myllyn tehokkuuteen, kun myllyn pyörimisnopeus on % kriittisestä nopeudesta. Myllyn kriittisen kierrosluvun arvo riippuu myllyn läpimitan lisäksi jauhinkappaleen läpimitasta. Yleensä myllyn säde on huomattavasti suurempi kuin jauhinkappaleen säde, jolloin jauhinkappaleen säde voidaan jättää huomioimatta kriittistä pyörimisnopeutta laskettaessa. Myllyn kriittisen pyörimisnopeus lasketaan yhtälöllä (1) jossa g Putoamiskiihtyvyys, m/s 2 R r Myllyn säde, m Kuulan halkaisija, m Myllyn täyttöasteella tarkoitetaan myllyn sisällä olevan jauhekappaleiden määrää suhteessa vuoratun myllyn sisätilavuuteen. Myllyn täyttöaste on tavallisesti % ja yleensä käytetään 50 %:n täyttöastetta. [5,6,7,10,23]

16 13 Jauhettavan aineen tärkeimmät omanaisuudet ovat sen ominaispaino ja jauhautuvuus. Rakenteensa ja lujuutensa vuoksi jokainen aine jauhautuu eri tavalla. [10] Jauhatustyöhön myllyssä käytetään jauhinkappaleita. Jauhinkappaleiden pitää olla sitä raskaampia ja isompia, mitä karkeampaa ja kovempaa syöttö on. Karkeassa jauhatuksessa käytetään suurempia ja raskaampia jauhinkappaleita kuin hienojauhatuksessa, koska pienet kappaleet eivät pysty murskaamaan karkeaa ainetta. Raskaammasta materiaalista valmistettu jauhinkappale on siten tehokkaampi kuin kevyestä materiaalista valmistettu jauhinkappale. Kuitenkin jauhettaessa hienoa syötettä vielä hienommaksi, tarvitaan paljon hiertopintaa, jota pienissä kuulissa on enemmän kuin suurissa kuulissa. Lisäksi pieniä kuulia mahtuu myllyyn enemmän, joten myös osumatarkkuus on parempi. Pienet kuulat puolestaan kuluvat suuria nopeammin hitaissa myllyissä, koska kuluminen tapahtuu hiertymällä ja pienillä kuulilla pintaa on suhteellisesti enemmän kuin suurilla kuulilla. [6,10] Myllyn rakenne vaikuttaa myös jauhatusominaisuuksiin. Pitkä mylly tekee hienomman tuotteen kuin lyhyempi mylly. Karkeasti vuoratun myllyn tuote on karkeampaa kuin sileäksi vuoratun, koska tällöin jauhinkappaleet nousevat ylös ja jauhatus perustuu enemmän iskuun kuin hiertoon. Tankomyllyllä jauhettaessa, tankojen iskuvaikutuksen tulee edustaa huomattavan suurta liikemäärää, joten tankojen täytyy nousta tehokkaasti myllyn pyöriessä, ilman että tankomassa liukuisi myllyn vuorausta nähden. Tämä saadaan aikaan riittävän voimakkaalla myllyn vuorauksen hammastuksella tai pelkästään palkkeja käyttäen, jolloin pääosa palkeista on matalia ja osa palkeista korkeampia. Tankomyllyn syöttöpääty on yleensä vino, jotta syötettävälle materiaalille jää tilaa päätyvuorauksen ja tankokuorman väliin. Poistopää on puolestaan pystysuora, koska tangoilla on luontainen taipumus pyrkiä kohti poistopäätä. Suurin eroavaisuus tanko- ja kuulamyllyn toiminnassa vuorauksen kannalta on se, että putoamisliikkeeseen sisältyvä liikemäärä on tangoilla suurempi kuin kuulilla. Näin ollen kuulamyllyn vuoraus voidaan perustaa suureen kulumiskestävyyteen. Vuorauksessa pyritään mahdollisimman pitkään kestoikään ja yleisenä periaatteena valittaessa vuorausmateriaalia on, että kulumiskestävyys paranee kovuusasteen noustessa. Erilaisia

17 14 vuorausvaihtoehtoja ovat aaltopalkki, tasaiset palkit, limipalkki, porraspalkki ja Osborn-vuoraus ja niitä on kuvattu kuvassa 4. [7,10] Kuva 4 Erilaisia vaippojen vuorauspalkkityyppejä. a tasainen, erilliskiinnitys, b sileä, suora kiinnitys, c aaltopalkki, d Ship-lap palkki, e porraspalkki, f Osborn-vuoraus. [10] 3.1 Karkea- ja hienojauhatus Karkeassa jauhatuksessa tuotteen partikkelikoko on µm ja hienojauhatuksessa µm. Karkea- ja hienojauhatus suoritetaan rumpumaisissa, vaakatasossa pyörivissä myllyissä jauhinkappaleiden avulla, joista yleisimmät ovat tanko-, kuula- tai autogeenimyllyt. Rumpumaisissa myllyissä käytetään apuna jauhinkappaleita, joten jauhatus perustuu iskuihin ja hiertoon. Tankomylly soveltuu parhaiten karkeajauhatukseen ja kuula- ja autogeenimyllyjä käytetään vuorostaan hienojauhatukseen. Myllyt voidaan vielä jakaa eri kategorioihin lietteen poistotavan mukaan, jolloin puhutaan ylite-, arina- ja kehäpoistomyllyiistä. Rumpumaisilla vaakatasossa pyörivillä sylinterimäisillä myllyillä on paljon yhteisiä piirteitä ja myllyjen pääosat on esitetty kuvassa 5. [7,10,13,20,23,24]

18 15 Kuva 5 Rumpumaisen myllyn pääosat. 1. Myllyn vaippa, 2. Päädyt, 3. Hammaskehä, 4. Kaulalaakerit, 5. Kaulatapit, 6. Syöttösuppilo, 7. Syöttöholkki, 8. Poistoholkki, 9. Laakeripukit, 10. Vuorauspalkki, 11. Kiilasegmentti, 12. Päätylevy. [10] 3.2 Ultrahienojauhatus Ultrahienojauhatuksen tuotteen partikkelikoko on noin 15 µm, mutta ultrahienojauhatuksella voidaan päästä alle 1 µm:n keskimääräiseen partikkelikokoon. Yleisimpiä ultrahienojauhatusmyllyjä ovat helmi-, suihku-, planeetta, täry-, rulla- ja iskumylly, joista suihku- ja planeettamyllystä annetaan seuraavaksi lyhyt kuvaus. Helmimylly on käsitelty tarkemmin kappaleessa 4. Rumpumaisilla myllyillä ei selviydytä kaikista jauhatustehtävistä, koska esimerkiksi tuottaessa maalipigmenttejä, peitosteaineita, keraamisia jauheita, kosmeettisia aineita ja lääkeaineita, tarvitaan lopputuotteena erittäin hienoa tuotetta. Tähän tarkoitukseen tarvitaan myllyjä, jotka pystyvät jauhamaan lopputuotteen muutaman mikrometrin kokoiseksi. Ultrahienojauhatuksessa käytetään yleensä apuna sekoitinelimiä, joiden avulla myllyn sisällä olevaa jauhettavaa ainetta sekoitetaan samalla, kun myllyn sisällä olevat jauhinkappaleet helmet tai hiekka jauhavat jauhettavaa ainetta. Sekoitinelin voi pyöriä joko vaaka- tai pystysuorassa.

19 16 Sekoitinelintä käyttävien myllyjen väitetään olevan noin 50 % energiatehokkaampia kuin rumpumaisten myllyjen. [10,13, 23] Suihkumyllyksi sanotaan laitetta, jossa jauhautuminen tapahtuu nopeasti liikkuvan kaasuvirran avulla. Kaasuvirta on yleensä ilmaa tai höyryä. Jauhettava aine on sekoitettu kaasuseokseen ja jauhatus perustuu partikkelien jauhautumiseen hiertymällä toisiaan vasten. Suihkumyllyjä on useita eri tyyppejä ja niille yhteistä on se, ettei niissä ole liikkuvia osia. Kiekkotyyppisessä suihkumyllyssä jauhettava materiaali syötetään ilmainjektoinnin avulla matalan sylinterin muotoiseen jauhatuskammioon, jonka pohja on syklonin mallinen. Jauhettu materiaali poistuu syklonista alitteena ja ilma ylitteenä. Jauhatushienous on 1 10 µm ja myllyn kapasiteetti koosta riippuen 0, kg/h. Jauhinkaasu syötetään syöttökohdan vastakkaiselta puolelta ja sen nopeus on noin 100 m/s ja paine 5 25 baaria. Jauhinkammioon ilma purkautuu tarkoin suunnattujen aukkojen läpi. Kiekkotyyppinen suihkumylly on esitetty kuvassa 6. Kiertoputki-suihkumylly on läpimitaltaan mm pystysuunnassa oleva suljettu putki, jonka alaosaan kaasuvirta syötetään. Jauhettava materiaali kiertää myllyssä kaasuvirran avulla ja poistuu myllyn yläpäässä olevan luokitussäleikön avulla, kun se on jauhettu haluttuun kokoon. Leijukerrossuihkumyllylle on tyypillistä, että jauhettava aine syötetään ruuvilla jauhatustilan alaosaan. Alaosaan syötetään myös kaasuvirta vähintään kolmen suuttimen kautta. Jauhautuminen perustuu siihen, että kaasusuihkujen törmäyskohdissa rakeet törmäävät vastakkain ja hienontuvat. Ilma vie jauhettavaa materiaalia ylöspäin luokittimelle, josta liian karkea aines valuu seiniä pitkän takaisin alaosaan. Tarpeeksi hieno materiaali kulkeutuu kaasuvirran mukana syklonille, jossa hieno rae erotetaan tuotteeksi. Käytettävä ilman paine on 7 12 baaria ja huomioitavaa on, että korkea ilmanpaine alentaa energiankulutusta. Suihkumyllyn etuina pidetään sen soveltuvuutta kuivajauhatukseen ja sen kapeaa tuotekokojakaumaa. Suihkumyllyn huonona puolena verrattuna iskuihin perustuviin myllyihin voidaan pitää sen suurta energiankulutusta, joka on 5 10 kertaa suurempi iskumyllyjen energiankulutus. [5,10,13,16,20,24] Kiertoputki-suihkumyllyn toimintaperiaate on esitetty kuvassa 6.

20 17 Kuva 6 Vasemmalla kiertoputkisuihkumyllyn toimintaperiaate ja oikealla kiekkotyyppinen suihkumylly. [10,13] Planeettamyllyä voidaan pitää erikoismyllynä, jolla voidaan päästä alle 1 µm:n tuotekokoon. Planeettamylly koostuu pyörivistä jauhatusastioista (Grinding jar), jotka pyörivät vastakkaiseen suuntaan pyörivän aurinkopyörän (Sun wheel) ympärillä. Myllyn pyöriessä, Coriolis-ilmiön seurauksena, kuulat eivät pysy enää paikallaan jauhatusastioissa, vaan lähtevät liikkeelle aiheuttaen kitka- ja iskuvoimia, jotka tehostavat jauhettavan aineen jauhautumista. Planeettamylly soveltuu vain panostoimiseen jauhatukseen pienillä kapasiteeteilla. [18] Planeettamyllyn toimintaperiaate on esitetty kuvassa 7. Kuva 7 Planeettamyllyn toimintaperiaate. [18]

21 18 4 HELMIMYLLY JA SEN TOIMINTAPARAMETRIT Märkäjauhatuksessa yleisesti käytetyin mylly on sekoitinelintä apuna käyttävä helmimylly. Helmimyllyn toiminta perustuu siihen, että sekoittimella varustettuun sylinterinmuotoiseen astiaan syötetään liete, joka koostuu jauhettavasta materiaalista ja liuottimesta. Sylinterin asennosta riippuen, helmimyllyt jaetaan kahteen päätyyppiin pystymyllyyn ja makaavaan myllyyn. Syötön maksimikoko on yleensä 75 µm hiekkamyllylle, mutta helmimylly voi käsitellä jopa 6 mm:n syötettä. Vesi on yleisesti käytetty liuotin ja yleensä syötön massakonsentraatio on %. Lisäksi säiliöön lisätään jauhinkappaleina käytettäviä helmiä. Hienontuminen perustuu siihen, että jauhettava materiaali hienontuu - pääasiallisesti hiertyy - helmien ja sekoitinelimen välissä johtuen sekoitinelimen antamasta voimakkaasta liikkeestä. Sekoitinelimen nopeus on yleensä 4 20 m/s. Helmimyllyä voidaan käyttää panos- tai jatkuvatoimisesti, siten että syöttö tulee myllyn pohjalle ja tuote poistuu ylhäältä. Lisäksi helmimyllyjen väitetään olevan yli 50 % energiatehokkaampia kuin tavallisten rumpumaisten kuulamyllyjen. [4,13,16,19,23] Kuvassa 8 on esitetty kierrätyksellä varustettu helmimylly. Kuva 8 Kierrätyksellä varustettu helmimylly. [20]

22 19 Helmimyllyä käytetään muun muassa pehmeän materiaalin jauhatukseen, kuten pigmenttien ja maalien täyteaineiden valmistukseen. Hiekkaa käytetään jauhinaineena hienonnettaessa kaoliinia. Nämä tuotteet vaativat yleensä alle mikrometrin kokoisia partikkeleita, joihin päästään märkäjauhatuksella. Osassa tapauksissa märkäjauhatuksella pyritään rikkomaan kasaantumat, jotka johtuvat ultrapienistä partikkelikoista, sekä vähentämään energiankulutusta, joka voi olla jopa % pienempi märkäjauhatuksessa kuin kuivajauhatuksessa. Kuvassa 9 on esitetty eri myllyjen ominaisenergiankulutus keskimääräisen partikkelikokoon funktiona. Kuvasta käy ilmi, että jauhettaessa sekoitinelintä käyttävällä myllyllä (stirred ball mill), saavutetaan tavallista kuulamyllyä hienompi tuotekoko, mutta ominaisenergiankulutus kasvaa voimakkaasti partikkelikoon pienentyessä. [16,19] Kuva 9 Eri myllyjen ominaisenergiankulutus keskimääräisen partikkelikoon funktiona. [2] Eri jauhatusmenetelmillä on rajoittavat tuotekoot, joita hienommaksi tuotetta ei voida jauhaa. Kuivajauhatuksessa rajoittava tuotekoko on 1 µm, kun taas märkäjauhatuksella voidaan päästä alle 0,1 µm:n tuotekokoon. Toimintaparametreja säätämällä voidaan löytää parhaat prosessiolosuhteet, joilla päästään haluttuun tuotekokoon. Tärkeimmät parametrit helmimyllyn toiminnassa ovat käytetyt sekoitinelimet ja jauhatushelmien koko, jotka kuvataan seuraavaksi tarkemmin. Muita jauhatukseen vaikut-

23 20 tavia tekijöitä ovat muun muassa jauhatusaika, sekoitinelimen pyörimisnopeus, kiintoainepitoisuus, lietteen ph ja jauhinkappaleiden tiheys. [8,25] Zheng et al. 25 ovat tutkimuksissaan osoittaneet, että jauhatusajan kasvaessa, lopputuote jauhautuu hienommaksi lisäten ominaispinta-alaa. Jauhettaessa kalkkikiveä viiden minuutin sijaan 15 minuuttia, ominaispinta-ala kasvaa kaksi kertaa suuremmaksi. Pyörimisnopeutta lisätessä päästään hienompaan lopputuotteeseen, mutta energiankulutus kasvaa. Energiatehokkuus puolestaan laskee pyörimisnopeutta lisätessä. Myös Bel Fadhel et al. 3 ja Jankovic 8 ovat saaneet tutkimuksissaan samoja tuloksia. [3,8,25] Zheng et al. 25 ovat osoittaneet, että myös kokonaiskiintoainepitoisuus (jauhinkappaleet ja jauhettava materiaali) on tärkeä parametri helmimyllyn toiminnan kannalta, koska sillä voidaan vaikuttaa tuotteen hienouteen, tehonottoon ja energiankulutukseen. Kokonaiskiintoainepitoisuuden kasvaessa sekoitinelimen vääntömomentti kasvaa, jolloin energiankulutus kasvaa. Kuitenkin suuremmalla kokonaiskiintoainepitoisuudella saavutetaan enemmän jauhinkappaleiden ja hienonnettavien partikkeleiden kohtaamisia, jolloin jauhautuminen tehostuu. Jauhinkappaleiden ja jauhettavan materiaalin osuus on yleensä välillä % kokonaistilavuudesta. Zheng et al. 25 ovat osoittaneet, että ominaispinta-ala kasvaa jauhettaessa kokonaiskiintoainepitoisuudessa tilavuusprosenttia ja vähenee sen jälkeen kiintoainepitoisuuden lisääntyessä. Myös jauhettavan materiaalin ph vaikuttaa hienontamiseen, koska leikkausjännitys on sidoksissa aineen happamuuteen. Myös Bel Fadhel et al. 3 ovat saaneet tutkimuksissaan samoja tuloksia. [3,25] 4.1 Sekoitinelimet Jauhatuksen tehokkuuden lisäämiseksi on kehitetty erilaisia sekoitinelimiä. Hienontuminen perustuu siihen, että jauhettava materiaali jauhautuu - pääasiallisesti hiertyy - helmien ja sekoitinelimen välissä, johtuen sekoitinelimen antamasta voimakkaasta liikkeestä. Sekoitinelimen nopeus on yleensä 4 20 m/s. Jos sekoitinelimen nopeus on

24 21 alle 8 m/s, puhutaan hitaista sekoitinelinmyllyistä ja nopeuden ollessa välillä 8 20 m/s, puhutaan puolestaan nopeista myllyistä. [9] Kolme yleisintä sekoitinelintä ovat tappimainen, levymäinen ja putkimainen sekoitinelin. Myös spiraalisekoitinelimiä käytetään varsin yleisesti. Yksinkertaisin rakenne on levymäisellä sekoitinelimellä. Käytettäessä levymäistä sekoitinta, energian siirtyminen sekoittimesta jauhinkappaleisiin ja jauhettavaan materiaaliin perustuu adheesioon. Levyt voivat olla myös varustettu rei illä ja viilloilla sekä järjestetty eksentrisesti, jolloin energia siirtyy siirtymävoimien avulla. Tappimaisella sekoitinelimellä jauhinkappaleiden ja jauhettavan materiaalin sekoittuminen perustuu siirtymävoimiin. Jos käytetään tappimaista sekoitinta, jossa tapit on järjestetty niin, että ne sijaitsevat vastakkain, niin voimatiheys on suurempi kuin käytettäessä levysekoitinta. Suurin voimatiheys saavutetaan kuitenkin putkimaisella sekoitinelimellä. Jos putkimainen sekoitinelin on täysin sileä ja myös myllyn seinämä on täysin sileä, niin energian siirtyminen perustuu pelkästään adheesioon. Jos putkeen lisätään viiltoja, niin energiansiirtyminen perustuu adheesion lisäksi myös siirtymävoimiin, jolloin voidaan saavuttaa vielä korkeampi energiatiheys. Nykyään putkimaiset sekoitinelimet ovat erityisen suosittuja. Yhden putkimaisen sekoitinosan sijaan, putkimainen sekoitin voi koostua myös kahdesta putkesta. [9] Radziszewski [17] on tutkinut eri sekoitinelimien energiankulutusta. Tutkimuksissaan Radziszewski käytti halkaisijaltaan metrin kokoista myllyä, joka oli täytetty jauhinkappaleilla ja lietteellä metrin verran pohjasta. Käytetyt sekoitinelimet olivat levymäinen, tappimainen, spiraalimainen ja putkimainen sekoitinelin. Myllyn seinämän rakenne oli joko tyhjä, tapeilla varustettu tai levyillä varustettu. Pyörimisnopeudet olivat 100 rpm, 500 rpm ja 1000 rpm. Tutkimuksissa käy ilmi, että pyörimisnopeuden kasvaessa energiankulutus lisääntyy. Energiankulutus kasvaa 10-kertaisesti pyörimisnopeuden noustessa nopeuteen 500 rpm nopeudesta 100 rpm. Noustessa nopeuteen 1000 rpm nopeudesta 500 rpm energiankulutus kasvaa enää 3 kertaa suuremmaksi. Vertaillessa eri sekoitinelimiä keskenään voidaan todeta, että levymäisen sekoitinelimen energiankulutus on 10 kertaa suurempi kuin tappimaisen sekoitinelimen pyörimisnopeudella 100 rpm. Pyörimisnopeuden kasvaessa levymäisen sekoitinelimen

25 22 energiankulutus lisääntyy verrattaessa tappimaiseen sekoittimeen. Spiraalinmuotoisen sekoitinelimen energiankulutus on noin 4 kertaa suurempi kuin tappimaisen sekoitinelimen. Jos myllyn seinämä on varustettu levyillä tai tapeilla, niin myllyn energiankulutus kasvaa verrattaessa rakenteeseen, jossa myllyn seinämä on sileä. Levyillä varustetun myllyn energiankulutus on noin 30 % suurempi kuin tapeilla varustetun myllyn. Putkimaisen sekoitinelimen energiankulutus oli suurin jokaisella pyörimisnopeudella. Pyörimisnopeudella 100 rpm putkimaisen sekoitinelimen energiankulutus oli 2 kertaa suurempi kuin levymäisellä sekoittimella. [17] Yleisimpiä sekoitinelimiä ja myllyn geometriaa on esitetty kuvissa 10 ja 11. Kuva 10 Tappimaisia sekoitinelimiä. [25]

26 23 Kuva 11 Yleisimpiä sekoitinelimiä ja myllyn geometria. a. levymäinen, b. tappimainen, c. putkimainen. [9] 4.2 Jauhatushelmet Edellä todettiin, että märkäjauhatuksessa käytetään yleensä helmiä, jotka on valmistettu raudasta tai alumiinista. Helmimyllyssä jauhinkappaleena käytetään helmiä, joiden halkaisija on kokoluokassa 0,5 5 mm. Zheng et al. 25 ovat osoittaneet, että energiatehokkuuden kannalta paras kokoluokka on 2 mm. Helmet ovat yleensä pallomaisia, lasista tai zirkoniumista valmistettuja ja niiden täyttöaste suhteessa kiintoaineenmäärään on Zheng et al. 25 tutkimusten mukaan 12:1. [25] Jankovic 8 on tutkimuksissaan todennut, että jauhautuminen on voimakkaampaa suuremmilla jauhinkappaleilla jauhatuksen alkuvaiheessa, mutta pitkällä aikavälillä saadaan hienojakoisempi tuote, jos jauhatuksessa käytetään pienempiä jauhinkappaleita. Myös Tuunila 21 on päätynyt samanlaisiin tuloksiin omissa tutkimuksissaan. [8,21] Kuvassa 12 on esitetty jauhautuvuutta helmimyllyssä ajan funktiona käytettäessä erikokoisia jauhinkappaleita.

27 24 Kuva 12 Helmien koon vaikutus jauhautuvuuteen helmimyllyssä ajan funktiona. [22] Jauhinkappaleiden tiheydellä ja koolla on myös merkitystä jauhatuksen energiankulutuksen kannalta. Jauhinkappaleiden tiheyden kasvaessa lopputuote saadaan hienommaksi, mutta energiankulutus kasvaa ja energiatehokkuus vähenee. Jankovic 8 on kokeissaan myös osoittanut, että energiankulutus tuotettua tonnia kohti laskee, kun jauhetaan pienemmillä jauhinkappaleilla. Jauhatuksen energiankulutusta hienonnusasteen funktiona käytettäessä erikokoisia jauhinkappaleita on esitetty kuvassa 13. [8] Kuva 13 Jauhatuksen energiankulutus hienonnusasteen funktiona erikokoisilla jauhinkappaleilla. [8]

28 25 5 JAUHATUKSEN ENERGIANKULUTUS Yksi hienonnuksen tärkeimmistä ominaisuuksista on sen energiankulutus. Taulukossa III sivulla 10 on esitetty, että tuotteen hienonnusasteen kasvaessa ominaisenergiankulutus kasvaa hyvin nopeasti. Lisäksi sivulla 4 taulukossa I on esitetty, että teollisuusprosessin kulujen jakautumisessa, noin 50 % kuluista aiheutuu jauhatuksesta. Jauhettaessa kuulamyllyllä, alle prosentti kokonaisenergiasta kuluu itse jauhatukseen, kun taas suurin osa energiasta absorboituu myllyyn. Yleisesti voidaan todeta, että riippuen myllytyypistä ja hienonnusasteesta, noin 1-10 % jauhatusprosessin kokonaisenergiasta kuluu jauhatukseen. Näin voidaan todeta, että jauhatuksen energiankulutus on suuri ongelmakohta teollisuudessa. Energiankulutus märkäjauhatuksessa on noin % alhaisempi kuin kuivajauhatuksessa, mutta huomattavaa on, että kokonaisenergiasäästö ei kuitenkaan ole näin suuri, sillä märkäjauhatus vaatii yleensä peräänsä kiintoaineen ja nesteen erotus- ja kuivausprosessin. [6,10,11,16,23] Hienontamisen ohella jauhatuksen käyttämästä energiasta suurin osa siis kuluu itse myllyyn, myllyn mekaanisiin häviöihin, lietteen lämpötilan kohottamiseen ja muihin toisarvoisiin asioihin, joten vain murto-osa energiasta saadaan käytettyä hyödyksi. Nettoenergialla tarkoitetaan pelkästään hienontamiseen käytettyä energiaa, kun taas kokonaisenergia sisältää myllyn koko tehonoton. Jauhettavan aineen parametreista energiankulutukseen vaikuttavat jauhettavan aineen määrä, haluttu tuotekoko ja aineen erilaiset ominaisuudet kuten kovuus ja hauraus. Materiaalin kovuutta voidaan kuvata esimerkiksi Mohsin kovuudella. Kovaa materiaalia ovat erilaiset rautaseokset sekä timantit, kun taas pehmeitä materiaaleja puolestaan ovat esimerkiksi talkki ja kipsi. Lisäksi mitä hienommaksi materiaalia jauhetaan, sitä enemmän energiaa kuluu. [10,13,16,23] Eri hienonnusasteille on määritetty omat energialakinsa, joilla energian ja hienonnusasteen välistä suhdetta voidaan kuvata. Nämä yhtälöt perustuvat partikkelien ominaisuuksiin kuten pinta-alan kasvuun, tilavuuteen ja tuotteen kokoon. Seuraavaksi esiteltävät kolme yhtälöä soveltuvat pääasiassa rumpumaisille myllyille ja perustuvat Grillandin differentiaaliyhtälöön (2)

29 26 (2) jossa E Hienonnustyöhön käytetty energia, kwh/t x n C Tuotteen hienoutta edustava tekijä Prosessin kertalukua edustava eksponentti Vakio, jonka numeerinen arvo riippuu materiaalista, hienonnusmenetelmästä ym. Yhtälöstä 2 voidaan johtaa Rittingerin laki, jonka mukaan hienonnusprosessissa käytetty nettoenergia on suoraan verrannollinen saavutettuun pinta-alan lisäykseen. Rittingerin laki voidaan esittää yhtälöllä ( ) (3) jossa x 1 Tuotteen alkukoko, m x 2 Tuotteen loppukoko, m Yhtälöstä 2 voidaan johtaa myös murskaukseen hyvin soveltuva Kickin laki, jonka mukaan tarvittava nettoenergian määrä on verrannollinen kappaleen painoon ja tilavuuteen. Kickin voidaan esittää yhtälöllä ( ) (4)

30 27 Kickin ja Rittingerin lakien pohjilta on määritetty hyvin karkeaan jauhatukseen soveltuva Bondin laki, jonka mukaan käytetty nettoenergia on kääntäen verrannollinen osaskoon neliöjuureen. Bondin laki voidaan esittää muodossa ( ) (5) Edelle mainitut yhtälöt soveltuivat pääasiassa rumpumaisille myllyille, joten ne eivät ole sellaisinaan sovellettavissa ultrahienojauhatukseen. Helmimyllyn energiankulutusta voidaan tarkastella helmimyllyn energiataseen avulla. Kuvassa 14 on esitetty panoshelmimyllyn virtauskaavio. Pm Tin T out k, in k, out v, in v, out j, in j, out s, in s, out Kuva 14 Helmimyllyn virtauskaavio. Helmimyllyn virtauskaavion avulla voidaan kirjoittaa energiatase, joka on esitetty yhtälössä (6)

31 28 (6) jossa h j, in/out Jauhinkappaleiden ominaisenergia sisään/ulos, kj/kg h k, in/out h s, in/out h v, in/out P m Kalkkikiven ominaisenergia sisään/ulos, kj/kg Sekoitinelimen ominaisenergia sisään/ulos, kj/kg Veden ominaisenergia sisään/ulos, kj/kg Massavirta, kg/s Myllyn tehontarve, W Jauhatuksen ominaisenergiantarve saadaan yhtälöstä (7) jossa E m Myllyn energiantarve, kwh/kg t q m,k Aika, s Kalkkikiven tuotanto, kg/h Ratkaisemalla yhtälöstä (6) myllyn tehonottotarve ja sijoittamalla se yhtälöön (7) saadaan helmimyllyn nettoenergiantarpeen yhtälöksi ( ) (8) jossa c p Ominaislämpökapasiteetti, kj/(kg K)

32 29 m j m k m s m v ΔT Jauhinkappaleiden massa, kg Kalkkikiven massa, kg Sekoitinelimen massa, kg Veden massa, kg Lämpötilan muutos, K Energiantarve kasvaa nopeasti partikkelikoon pienentyessä. Energiankulutusta jauhatuksessa ja murskauksessa on kuvattu kuvassa 15. [1,5,7,10,11,12,15] Kuva 15 Energian ja hienonnusasteen välistä suhdetta edustava hienonnuksen ominaiskäyrä. Pisteillä merkitty käyrä esittää kumulatiivista energiankulutusta hienonnusasteen funktiona. [7] Erilaiset myllyt kuluttavat myös eri määrän energiaa. Mitä hienommaksi tuote jauhetaan, sitä enemmän energiaa mylly kuluttaa. Kuvassa 16 on esitetty eri myllyjen ominaisenergiankulutus myllyjen hienonnusalueella.

33 30 Kuva 16 Eri myllyjen ominaisenergiankulutus myllyjen hienonnusalueella. [2]

34 31 II KOKEELLINEN OSA 6 KOKEIDEN TARKOITUS Työn tarkoituksena oli tutkia hienojakoisen kalkkikiven jauhatusta panostoimisessa helmimyllyssä vertaillen eri sekoitinelimillä. Koetta varten oli suunniteltu uusi lapasekoitinelin, jota verrattiin jo käytössä oleviin tappimaiseen ja levymäiseen sekoitinelimeen. Vertailussa oli tarkoitus selvittää, voiko uudella sekoitinelimellä saavuttaa paremman jauhatusasteen pienemmällä energiankulutuksella. 7 KOELAITTEISTO JA MITTAUSTEN SUORITUS Tutkittavana materiaalina käytettiin hienojakoista kalkkikiveä, jonka tiheys oli 2700 kg/m 3. Kalkin kosteuspitoisuus oli 0,3 %. Jauhatusvaiheessa työssä käytettiin panosmallista helmimyllyä (V = 5 dm 3 ) ja jauhettu materiaali analysoitiin käyttämällä Beckman Coulter LS partikkelikokoanalysaattoria. Kalkkikiven keskiarvokoko, moodi ja mediaani määritettiin partikkelianalysaattorin avulla ja tulokset on esitetty taulukossa IV. Taulukko IV Käytetyn kalkkikiven moodi, mediaani ja keskiarvokoot. Kalkkikivi Mittaus Moodi Mediaani Keskiarvo [µm] [µm] [µm] Mittaus 1 203,5 177,6 189,1 Mittaus 2 203,5 183,4 194,9 Mittaus 3 203,5 191,4 203,0 Keskiarvo 203,5 184,1 195,7

35 Helmimylly Jauhatus suoritettiin käyttämällä sylinterinmuotoista panoshelmimyllyä, jonka tilavuus oli 5 dm 3. Helmimylly on esitetty kuvassa 17. Sekoitineliminä käytettiin tappimaista, levymäistä ja uudenlaista lapasekoitinelintä, jotka on esitetty kuvassa 18. Jauhinkappaleina myllyssä käytettiin 2 mm:n lasihelmiä ja sekoitinelimien pyörimisnopeudet olivat 250 rpm ja 500 rpm. Kuva 17 Työssä käytetty panoshelmimylly.

36 33 Kuva 18 Sekoitinelimet. Vasemmalla levymäinen, keskellä uusi lapamainen ja oikealla tappimainen sekoitinelin. Ennen jauhatusta valmistettiin panos, jonka massakonsentraatio oli 30 %. Panos koostui kalkkikivestä ja vedestä. Jauhatusapuaineita ei käytetty. Jauhatuksen vakioolosuhteet on esitetty taulukossa V. Taulukko V Jauhatuksen olosuhteet Jauhettava materiaali Kalkkikivi Kiintoainepitoisuus (m-%) 30 Määrä (kg) 0,5 Tiheys (kg/m 3 ) 2700 Apuaine Vesi Määrä (kg) 1,17 Jauhinkappaleet Lasihelmi Koko (mm) 2 Määrä (kg) 3 Sekoitinelimet Tappimainen, paino (kg) 1,11 Levymäinen, paino teräsosa (kg) 0,74 Levymäinen, paino muoviosa (kg) 0,74 Lapamainen, paino (kg) 1,21

37 34 Kalkkikiven jauhautuvuutta tutkittiin ottamalla näyte (20 ml) lähtöaineesta ja sen jälkeen ajanhetkillä 15, 30, 45 ja 60 minuuttia. Jauhatuksen energiankulutuksen määrittämiseksi mitattiin jauhatuksen lämpötilan nousu ensimmäisen 15 minuutin aikana. 7.2 Partikkelikokoanalysaattori Hiukkaskokojen analysoinnissa käytettiin Beckman Coulter LS partikkelikokoanalysaattoria, joka käyttää laserdiffraktiomenetelmää, jossa hiukkaskoko määritetään optisesti. Laite lähettää valonsäteen, jonka taittokulma riippuu partikkelin koosta. Lopulta saadaan jauhenäytteen diffraktiomalli, josta voidaan Fraunhofer - laskentamallin avulla määrittää näytteen partikkelikokojakauma (tilavuusjakauma). Partikkelikokoanalyysissä mitattiin kolme rinnakkaisanalyysiä jokaisesta näytteestä lähtöaine mukaan lukien. Analysaattorissa käytettiin eluenttina käänteisosmoosipuhdistettua vettä. Dispergointiaineita ei käytetty. 8 MITTAUSTULOSTEN KÄSITTELY JA MIT- TAUSTULOKSET Beckman Coulter LS partikkelikokoanalysaattorilla määritettiin moodi, mediaani ja keskiarvopartikkelikoko kolmelle rinnakkaisnäytteelle. Levymäisellä sekoitinelimellä tehtiin kaksi rinnakkaista jauhatuskoetta. Tulokset on esitetty taulukoissa VI - VII. Tulokset eri rinnakkaisnäytteille on esitetty liitteessä I taulukoissa X - XIII.

38 35 Taulukko VI Mediaani. moodi ja keskiarvopartikkelikoko kalkkikivelle jauhaessa tappimaisella, levymäisellä ja uudella lapamaisella sekoitinelimellä pyörimisnopeudella 250 rpm. Mediaani [µm] Moodi [µm] Keskiarvo [µm] Tappi Levy Lapa Tappi Levy Lapa Tappi Levy Lapa 0 184,13 184,13 184,13 203,50 203,50 203,50 195,67 195,67 195, ,34 4,15 6,13 21,70 7,61 21,70 8,94 6,71 8, ,13 3,07 4,34 1,75 1,70 1,75 6,96 5,45 7,40 Aika [min] 45 3,54 2,53 3,33 1,75 1,67 1,75 6,54 5,05 6, ,05 2,54 3,02 1,59 1,64 1,70 5,96 5,23 6,02 Taulukko VII Mediaani. moodi ja keskiarvopartikkelikoko kalkkikivelle jauhaessa tappimaisella, levymäisellä ja uudella lapamaisella sekoitinelimellä pyörimisnopeudella 500 rpm. Mediaani [µm] Moodi [µm] Keskiarvo [µm] Tappi Levy Lapa Tappi Levy Lapa Tappi Levy Lapa 0 184,13 184,13 184,13 203,50 203,50 203,50 195,67 195,67 195, ,81 4,47 4,82 22,40 7,48 10,29 8,88 7,13 7,87 Aika [min] 30 4,37 3,41 3,33 4,40 1,75 1,75 7,18 6,03 6, ,79 2,66 2,58 1,86 1,67 1,75 6,52 5,32 4, ,11 2,47 2,24 1,75 1,62 1,75 5,39 5,17 4,16 Jauhatuksen energiankulutuksen määrittämiseksi mitattiin lämpötilan nousu ensimmäisen 15 minuutin aikana, sillä jauhatuksessa alkaa tapahtua lämpöhäviöitä jauhatusajan kasvaessa. Myllyn ottotehon oletettiin olevan vakio. Mittaukset suoritettiin kaksi kertaa. Tulokset lämpötilan nousulle jauhettaessa tappimaisella, levymäisellä ja uudella lapamaisella sekoitinelimellä on esitetty taulukossa VIII. Taulukko VIII Pyörimisnopeus [rpm] Jauhatuksen lämpötilan nousu ensimmäisen 15 minuutin aikana tappimaisella, levymäisellä ja uudella lapamaisella sekoitinelimellä. Pyörimisnopeudet olivat 250 rpm ja 500 rpm. Lämpötilan muutos [ C] Tappimainen Levymäinen Lapamainen 250 1,3 1,0 2, ,5 5,5 7,8

39 X50, [µm] 36 Energiankulutusta laskiessa on käytetty taulukossa IX esitettyjä ominaislämpökapasiteetteja. Taulukko IX Ominaislämpökapasiteetit kalkille, lasihelmille, muoville, teräkselle ja vedelle. [26] Ominaislämpökapasiteetti [kj/(kg K)] Kalkki 0,91 Lasihelmi 0,75 Muovi 1,67 Teräs 0,49 Vesi 4,18 9 TULOKSET Partikkelikokotulosten pohjalta jauhautuvuutta tutkittiin ajan funktiona. Jauhatustuotteiden mediaanit jauhatusajan kasvaessa on esitetty kuvissa 19 ja ,0 100,0 Tappisekoitin 10,0 Levysekoitin Lapasekoitin 1, AIka, [min] Kuva 19 Kalkkikiven jauhautuvuus ajan funktiona käyttäen tappimaista, levymäistä ja uutta lapamaista sekoitinelintä pyörimisnopeudella 250 rpm.

40 X50, [µm] ,0 100,0 Tappisekoitin 10,0 Levysekoitin Lapasekoitin 1, AIka, [min] Kuva 20 Kalkkikiven jauhautuvuus ajan funktiona käyttäen tappimaista, levymäistä ja uutta lapamaista sekoitinelintä pyörimisnopeudella 500 rpm. Jauhatuksen ominaisenergiankulutusta tutkittiin tuotteen hienonnusasteen funktiona. Eri sekoitinelimien ominaisenergiankulutukset on laskettu käyttäen yhtälöä (8) ja tulokset on esitetty liitteessä I taulukoissa XIV ja XV. Ominaisenergiankulutuksen kasvua tuotekoon hienontuessa on esitetty kuvissa 21 ja 22.