Этап измельчения при производстве высокочистого глинозема (ВЧГ) сопряжен с двумя конкурирующими ограничениями, которые обычно не встречаются вместе в стандартной переработке минералов. Во-первых, энергозатраты: глинозем — один из самых твердых материалов, измельчаемых в промышленности. Удельное энергопотребление на тонну значительно выше, чем для более мягких минералов. Во-вторых, загрязнение: марки чистоты, которые обуславливают высокие цены. 4N (99,99%) для сепараторов батарей электромобилей, 5N (99,999%) для люминофоров светодиодов и полупроводниковых подложек. Он не выдерживает металлического загрязнения, которое вносит обычное оборудование для измельчения стали. В данной статье сравниваются... струйное фрезерование и керамическое шаровое измельчение для HPA по параметрам, которые фактически определяют выбор технологии: удельное энергопотребление при различных целевых показателях тонкости помола, уровни загрязнения железом, достижимая степень распределения частиц по размерам и общая себестоимость производства на килограмм. ЭПИК Порошок Оборудование поставляет обе технологии для производства HPA.
Эти два ограничения тянут в противоположных направлениях. Наиболее энергоэффективный способ измельчения — стальная шаровая мельница, работающая при высокой циркуляционной нагрузке. Она вносит железо, хром и другие металлы, которые исключают продукт из высокодоходных рынков ГПА. Наиболее чистый способ измельчения — струйное фрезерование При использовании керамических поверхностей потребление энергии на тонну значительно выше. Правильный ответ зависит от целевого сорта и экономической целесообразности конкретного применения.
Что на самом деле означает ‘глинозем высокой чистоты’ — и почему марка определяет тип заводской обработки
Высокочистый оксид алюминия определяется содержанием Al2O3, выраженным в виде девяток чистоты. Основные марки, используемые в современном коммерческом производстве, следующие:
| Оценка | Содержание Al2O3 | Общее содержание металлических примесей | Основные приложения |
| HPA-3N | 99.9% | < 1000 ppm | Полировальные материалы, каталитические носители, стандартная керамика. |
| HPA-4N | 99.99% | < 100 ppm | Сепараторы для аккумуляторов электромобилей, передовая керамика, люминофоры |
| HPA-5N | 99.999% | < 10 ppm | Люминофоры для светодиодов, полупроводниковые подложки, оптические покрытия. |
Переход от 3N к 4N и 5N — это не просто изменение требований к чистоте, это фундаментальное изменение в том, какое измельчающее оборудование считается приемлемым. При 3N шаровая мельница с керамической футеровкой адекватно справляется с загрязнениями. При 4N и 5N вклад мельницы в общее количество металлических примесей становится основным конструктивным ограничением. Стальная шаровая мельница, которая вносит 200-500 ppm Fe за один проход, несовместима со спецификацией 4N независимо от качества очистки на исходном этапе. Это наиболее важное решение при выборе технологии измельчения HPA — и оно определяется степенью чистоты, а не целевым размером частиц.
Струйная фрезеровка для HPA: как это работает и когда это приносит успех.
В струйной мельнице с псевдоожиженным слоем струи сжатого газа ускоряют частицы ГПА (гидроксипропилацетата) в сходящиеся потоки, где они сталкиваются друг с другом на высокой скорости (200-400 м/с). Измельчающие элементы отсутствуют. Единственными твердыми поверхностями в зоне измельчения являются стенки камеры и классификационное колесо, которые могут быть футерованы керамикой. Механизм измельчения основан на пошаговом разрушении частиц — каждая тонна переработанного ГПА не содержит металла, поступающего из самого механизма измельчения.
Профиль энергопотребления
Струйное измельчение — энергоемкий процесс. В качестве энергоносителя используется сжатый воздух или азот под давлением 5-8 бар, а термодинамическая эффективность сжатого газа в качестве измельчающей среды низка по сравнению с механическим измельчением. Для высокопористого каучука (ВПКА) при типичных целевых показателях тонкости помола (D50 1-5 микрон) удельное энергопотребление струйной мельницы с псевдоожиженным слоем составляет приблизительно 80-160 кВт·ч на тонну в зависимости от размера частиц исходного сырья, целевого показателя D50 и давления газа.
Это не является принципиально непреодолимым препятствием для производства ГПА, поскольку ГПА продается по цене $25-80/кг в зависимости от сорта — затраты энергии даже при 160 кВт·ч/т и $0,10/кВт·ч составляют $16/тонну, или $0,016/кг, при стоимости продукта $25-80/кг. Затраты энергии составляют скромную долю от общей себестоимости производства премиального ГПА. Реальным ограничением становится энергетический профиль струйного измельчения в крупномасштабном производстве ГПА более низкого сорта, где маржа невелика.
Производительность PSD для HPA
Струйное измельчение обеспечивает превосходную четкость распределения размеров частиц (PSD) для HPA. Встроенное динамическое классификационное колесо контролирует значения D50 и D97 независимо от давления измельчения. Целевые значения D50 в диапазоне 0,5–5 микрон легко достижимы, а классификатор обеспечивает жесткий контроль верхнего предела размера — значение D97 ниже 8 микрон для тонкозернистых сепараторов батарей является стандартным в производстве. Для HPA полупроводникового класса (5N), требующего значения D50 ниже 1 микрона, струйное измельчение в настоящее время является единственным практически осуществимым вариантом сухого процесса.
Шаровая мельница с керамическими шарами для HPA: как она работает и когда выигрывает
В шаровой мельнице с керамической футеровкой используются мелющие элементы из оксида алюминия или диоксида циркония во вращающемся барабане с керамической футеровкой. Измельчение достигается за счет ударов и истирания между мелющими элементами и частицами ГПА. Механизм измельчения представляет собой непрерывный контакт мелющих элементов с частицами, а не кратковременные столкновения частиц, как при струйном измельчении. Именно это делает шаровое измельчение более энергоэффективным в пересчете на единицу измельчения, но также создает путь загрязнения даже при наличии керамических компонентов.
Профиль энергопотребления
Для высокопористых нефтяных аэрозолей (ВРОА) с размером частиц D50 3-15 микрон керамическая шаровая мельница в замкнутом контуре с воздушным классификатором потребляет приблизительно 30-70 кВт·ч на тонну — обычно на 40-60 Т/л меньше, чем струйное измельчение при эквивалентной тонкости помола. Энергетическое преимущество шаровой мельницы возрастает по мере увеличения размера частиц: при D50 10 микрон удельная энергия шаровой мельницы примерно на 50 Т/л меньше, чем у струйного измельчения. При D50 1-2 микрона разница сокращается, поскольку шаровые мельницы становятся менее эффективными при очень малых размерах частиц (частота контакта среды с частицами снижается по мере уменьшения размера частиц относительно размера среды).
Загрязнение керамическими мелющими элементами.
Даже при использовании мелющих элементов из оксида алюминия или диоксида циркония в мельнице с футеровкой из оксида алюминия происходит загрязнение. Вопрос в том, происходит ли оно на уровне, совместимом с целевым классом ГПА. Для мелющих элементов из оксида алюминия в шаровой мельнице с футеровкой из оксида алюминия, перерабатывающей ГПА:
- Оксид алюминия (Al2O3) от износа шлифовальных материалов: не добавляет примесей — обрабатывается тот же самый материал.
- ZrO2 из диоксида циркония: Содержание циркония обычно составляет 5-50 ppm в зависимости от интенсивности измельчения и качества абразивного материала — приемлемо для 3N, на грани допустимого для 4N, несовместимо с 5N.
- Содержание железа в лайнере и следах в среде: Качественно изготовленные керамические футеровки и мелющие элементы мельницы обеспечивают содержание железа в диапазоне 1-10 ppm. При правильной обработке материала его содержание не превышает 4N.
Ключевое отличие заключается в следующем: хорошо сконфигурированная керамическая шаровая мельница с высококачественными алюмооксидными или ZTA (алюмооксид, упрочненный диоксидом циркония) шаровыми футеровками может производить HPA-4N с содержанием металлов менее 50 ppm. Она не может надежно производить HPA-5N. Струйное измельчение с полностью керамическими контактными поверхностями может производить HPA-5N, поскольку отсутствует непрерывный контакт шаровой футеровки с частицами.
Сравнительный анализ: какая технология подходит для какого класса HPA?
| Фактор | Струйная мельница (керамика) | Керамическая шаровая мельница + классификатор |
| Типичный диапазон D50 | 0,5-10 мкм | 1-20 мкм |
| контроль D97 | Отлично (резка с жестким классификатором) | Хороший (зависит от классификатора) |
| Удельная энергия при D50 3 мкм | 80-120 кВт·ч/т | 40-65 кВт·ч/т |
| Удельная энергия при D50 1 мкм | 130-180 кВт·ч/т | 90-140 кВт·ч/т (при такой мощности эффективность снижается) |
| Загрязнение железом при каждом проходе | < 1 ppm (только при контакте с керамикой) | 3-15 ppm (износ керамического носителя/лайнера) |
| Общее количество добавленных металлических примесей | < 5 ppm | 10-50 ppm (в зависимости от качества носителя) |
| Подходит для HPA-3N | Да | Да |
| Подходит для HPA-4N | Да | Да (с использованием высококачественного керамического наполнителя) |
| Подходит для HPA-5N | Да | В целом нет — уровень загрязнения медиаконтента превышает допустимый. |
| Капитальные затраты (относительные) | Выше | Середина |
| Эксплуатационные расходы при уровне 4N | Более высокая (энергия газа) | Более низкий уровень энергосбережения (30-50%) |
Как сделать выбор: структура принятия решений для фрезерования HPA
Выбор технологии становится простым, если известны три параметра: целевая марка глинозема, целевой показатель D50 и годовой объем производства.
| Руководство по выбору технологии для фрезерования HPA HPA-3N, D50 3-15 мкм, любой объем: Керамическая шаровая мельница + воздушный классификатор. Максимальная энергоэффективность, надлежащий контроль чистоты. Значительные преимущества с точки зрения капитальных и эксплуатационных затрат. HPA-4N, D50 3-10 мкм, объем более 500 т/год: Керамическая шаровая мельница с высококачественным наполнителем из оксида алюминия ZTA или 99,9%. Перед принятием решения необходимо подтвердить наличие загрязнений с помощью ICP-MS-анализа на первых производственных партиях. HPA-4N, D50 1-3 мкм, любой объем: Струйная мельница. При размере частиц менее D50 (3 микрона) преимущество шаровой мельницы в эффективности уменьшается, и преимущество струйной мельницы в отношении керамической контактной поверхности становится доминирующим фактором. HPA-5N, любая мишень D50: Струйная мельница с полностью керамическими контактными поверхностями (классификационное колесо из ZrO2, футеровка камеры из Al2O3). Шаровое измельчение не позволяет надежно достичь концентрации общих металлических примесей < 10 ppm. HPA-4N, мелкосерийные исследования и разработки или пилотные испытания: Струйная мельница для максимальной гибкости — изменение параметров без смены среды, отсутствие перекрестного загрязнения между небольшими партиями. |
Результаты производства: две обработки на фрезерном станке HPA.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 1
Шаровая мельница HPA-4N с керамическим покрытием снижает энергопотребление на 351 тонну по сравнению с предыдущей струйной мельницей.
Ситуация
Производитель HPA, поставляющий производителям сепараторов для батарей порошок оксида алюминия марки 4N (содержание Al2O3 выше 99,991 TP3T, общее содержание металлических примесей ниже 80 ppm), использовал струйную мельницу с псевдоожиженным слоем при тонкости помола D50 3,5 микрона и D97 ниже 12 микрон. При этой целевой тонкости помола затраты на энергию на тонну стабильно превышали 110 кВт·ч/т. По мере роста годового объема производства с 200 до 800 тонн, затраты на энергию сжатого газа стали значительной статьей операционных расходов — приблизительно 401 TP3T переменных производственных затрат на килограмм.
Оценка
ЭПИК Порошок Компания Machinery провела сравнительные испытания исходного материала HPA заказчика, используя как керамическую шаровую мельницу с высококачественными наполнителями ZTA, так и существующую конфигурацию струйной мельницы. Анализ методом ICP-MS был проведен для выходных данных обоих процессов при эквивалентных значениях D50.
Результаты
- Шаровая мельница D50: 3,4 микрона, D97 11,8 микрона — эквивалентно выходной мощности струйной мельницы.
- Общее содержание металлических примесей (шаровая мельница): 42 ppm — в пределах спецификации 4N, где максимальное значение составляет 80 ppm.
- Вклад железа (шаровая мельница): 8 ppm — основной металл, поступающий из среды ZTA.
- Удельная энергия (шаровая мельница): 71 кВт·ч/т против 112 кВт·ч/т для струйной мельницы — снижение на 371 ТТ3Т
- Ежегодная экономия на затратах на электроэнергию: При расходе 800 т/год и цене $0,09/кВт·ч экономия составила приблизительно $29 000 в год.
Решение: Заказчик перешел на керамическую шаровую мельницу для производства сепараторов 4N для батарей с размером частиц D50 3-5 микрон. Конфигурация струйной мельницы сохранена для любого будущего производства 5N.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 2
HPA-5N — полупроводниковый класс, полученный методом струйной обработки, обеспечивает содержание железа < 10 ppm для применения в светодиодных люминофорах.
Ситуация
Специализированной химической компании, производящей HPA для изготовления люминофоров для светодиодов, потребовалось измельчить оксид алюминия марки 5N (Al2O3 выше 99,999%) до размера частиц D50 (1,5 микрона) и D97 (менее 5 микрон). Для этого требовалось содержание железа ниже 10 ppm и общее содержание металлических примесей ниже 8 ppm. Предыдущий поставщик использовал керамическую шаровую мельницу, но анализ методом ICP-MS постоянно показывал содержание железа на уровне 18-25 ppm — выше спецификации для люминофоров светодиодов. Загрязнение цирконием из ZTA-материалов также было измеримо на уровне 12-20 ppm, что способствовало общему уровню примесей.
Решение
Компания EPIC Powder Machinery сконструировала струйную мельницу с псевдоожиженным слоем, оснащенную камерой измельчения с футеровкой из оксида алюминия 99,9%, керамическим классификационным колесом из ZrO2 (единственный вариант без использования металла при требуемой скорости классификатора) и замкнутым контуром сухого азота для предотвращения любых изменений химического состава поверхности, вызванных влагой. Давление измельчения было установлено на уровне 6,5 бар; скорость классификатора была оптимизирована для мишени D50 1,5 микрона.
Результаты
•D50: 1,48 микрона, D97: 4,9 микрона — в пределах спецификации
• Содержание железа: 6,2 ppm — в пределах допустимого значения 10 ppm.
•Общее содержание металлических примесей: 7,1 ppm — в пределах допустимого значения 8 ppm.
• Содержание Zr по данным классификационного колеса: 0,9 ppm — допустимо, поскольку ZrO2 не проявляет электрохимической активности в люминофорных светодиодах.
Подтверждение соответствия: заказчик подтвердил пригодность полученного методом струйной обработки HPA для процесса синтеза люминофоров для светодиодов в двух производственных партиях; в течение 14 месяцев последующих поставок не было выявлено случаев несоответствия требованиям.
| Переработка высокочистого оксида алюминия: необходимость сравнения технологий? Инженеры-технологи компании EPIC Powder Machinery могут протестировать ваш HPA-материал на нашем испытательном полигоне как в струйной мельнице, так и в шаровой мельнице с керамическим порошком, и предоставить вам реальные данные о потреблении энергии, распределении частиц по размерам и загрязнении, прежде чем вы примете решение о приобретении оборудования. Мы предлагаем обе технологии — наши рекомендации основаны на ваших конкретных требованиях к марке и экономической эффективности производства, а не на том, какое оборудование мы предпочитаем продавать. Сообщите нам марку вашего глинозема (целевое значение HPA-3N, 4N или 5N), размер частиц исходного материала, целевое значение D50/D97 и годовой объем производства, и мы разработаем сравнительный эксперимент. Запросите бесплатную пробную версию фрезерного станка HPA: www.jet-mills.com/contact Ознакомьтесь с нашими решениями для обработки HPA: www.jet-mills.com |
Часто задаваемые вопросы
Какой уровень загрязнения железом следует ожидать от керамической шаровой мельницы, работающей на оксиде алюминия 4N?
При использовании качественно изготовленных мелющих тел и футеровок (99,51 TP3T + Al2O3 или ZTA с содержанием свободного железа менее 0,11 TP3T) вклад железа из шаровой мельницы в продукт обычно составляет 3-15 ppm за один проход обработки. Разница зависит от интенсивности измельчения (более длительное время измельчения при большей загрузке тел = больший износ = больше загрязнений), качества тел от конкретного поставщика (не все керамические тела одинаковы по содержанию железа) и твердости частиц HPA (альфа-оксид алюминия с твердостью по шкале Мооса 9 изнашивает тела быстрее, чем прокаленные прекурсоры оксида алюминия). При спецификации 4N (общее содержание металлических примесей ниже 100 ppm) вклад железа из мельницы в размере 8-15 ppm является допустимым, если предшествующий процесс синтеза обеспечивает достаточно низкий исходный уровень железа. При спецификации 5N (общее содержание металлических примесей ниже 10 ppm) даже 3-5 ppm из мельницы слишком много — для этого сорта требуется струйное измельчение.
Можно ли использовать одну и ту же струйную мельницу как для производства стандартного глинозема, так и для производства высокочистого глинозема без риска перекрестного загрязнения?
Можно использовать одну и ту же мельницу, но это требует тщательной очистки и проверки соответствия стандартам между различными сортами. В стандартном оборудовании для переработки глинозема могут накапливаться примеси железа от предыдущих стадий контакта со сталью на стандартной производственной линии глинозема; если это оборудование подает материал в струйную мельницу, то вклад самого струйной мельницы, составляющий почти нулевое количество железа, не имеет значения, поскольку загрязнение попадает туда до стадии измельчения. Для производства HPA необходимо оценить всю технологическую цепочку от обжига до упаковки на предмет точек контакта с металлами — струйная мельница является лишь одной из них. Если вы переключаете одну и ту же струйную мельницу между производством стандартного глинозема и HPA-4N или HPA-5N, то стандартный протокол очистки (промывочная партия исходного материала HPA, анализ промывочной партии методом ICP-MS, две последовательные партии, соответствующие спецификации, перед выпуском в поток продукта HPA) является минимально приемлемой практикой. Специализированное оборудование только для HPA является стандартом для непрерывного производства 4N и 5N.