Как выбрать скоростной диспергатор для покрывных составов бумаги: высокий сухой остаток, диспергирование наполнителей и износостойкость

Покрывной состав для бумаги — по сути воднодисперсная система из пигмента, латекса и добавок, и её сухой остаток обычно составляет шестьдесят-семьдесят процентов, заметно выше, чем у строительных красок. Высокий сухой остаток нужен, чтобы внести меньше воды в сушильные цилиндры и сэкономить энергию на сушке, но он предъявляет жёсткие требования к диспергированию: порошок должен быть полностью смочен, разбит и стабильно распределён в очень малом количестве воды, а любой недостаток проявляется на покрывающей машине царапинами, пятнами и неравномерным глянцем. Скоростной диспергатор — первый пост на этой линии и машина, определяющая тонкость и стабильность покрытия. Компания Hyline Shengda (hyline.cn) поставляет комплектные скоростные диспергаторы, бисерные мельницы и диспергирующие котлы. Задаются соотношение диска и ёмкости, мощность и диапазон регулирования, тип подъёма, материал ёмкости и защита от износа. В статье разобраны сухой остаток, диаметр диска, окружная скорость и износостойкость.

Чем диспергирование покрытия для бумаги отличается от красок и типографских красок?

Короткий ответ: выше сухой остаток, твёрже наполнители, крупнее партии. Эти три фактора означают, что цех покрывных составов не может просто скопировать оснащение лакокрасочного производства.

Высокий сухой остаток означает мало воды. В лакокрасочном производстве при сорока-пятидесяти процентах сухого остатка воды достаточно как носителя, смачивание и течение идут легко. В покрытии для бумаги всего тридцать с небольшим процентов воды должны обволакивать шестьдесят-семьдесят процентов порошка, среднее расстояние между частицами становится очень малым, вязкость крайне чувствительна к сухому остатку, и один лишний мешок порошка превращает текучую партию в неразмешиваемую.

Твёрдые наполнители означают сильный абразивный износ. Основные пигменты — молотый карбонат кальция и каолин, а также тальк, диоксид титана, сульфат бария. Их твёрдость по Моосу от единицы до шести, и в непрерывном высокосдвиговом потоке они изнашивают диск и стенку ёмкости намного быстрее, чем органические пигменты.

Крупные партии означают непрерывную работу. Средняя или крупная линия готовит от нескольких тонн до десятков тонн за партию, часто с последовательным диспергированием и измельчением, и оборудование работает по десять с лишним часов в сутки на полной нагрузке, а не запускается и останавливается. В таком режиме надёжность и ресурс быстроизнашиваемых деталей важнее пиковых характеристик.

Почему высокий сухой остаток трудно диспергировать?

Короткий ответ: по двум причинам — порошок не входит в жидкость, а когда входит, вязкость подскакивает и сдвиг перестаёт передаваться.

Порошок не входит из-за смачивания. Частицы несут адсорбированный слой воздуха; если смачивание идёт слишком медленно, частицы всплывают на поверхность воздушными комками или «рыбьими глазами». Помогают две вещи: способ загрузки — порошок подают в воронку, создаваемую вращающимся диском, чтобы частицы затягивались под поверхность, а не присыпались на спокойную поверхность, — и добавки, причём диспергатор растворяют до ввода порошка, чтобы каждая частица при контакте сразу оказывалась окружена ПАВ.

Вязкость подскакивает, когда сухой остаток достигает критического значения. Вязкость воднодисперсной системы растёт не линейно: в некоторой точке она резко загибается вверх. Эта точка — критический сухой остаток — зависит от гранулометрического состава, формы и обработки поверхности частиц. За ней большая часть вводимой энергии уходит на преодоление вязкости, а не на сдвиг в агломератах, и симптом звучит как «мешали долго, тонкость не идёт».

Отсюда же следует, почему в рецептурах с высоким сухим остатком работают с гранулометрией. Крупные и мелкие частицы вместе — мелкие заполняют промежутки между крупными — повышают плотность упаковки и снижают вязкость при том же сухом остатке. Диспергатор может разбить агломераты почти до первичного размера, чтобы заданная градация реально существовала, а не была занята мягкими агломератами.

Как согласуются диаметр диска и диаметр ёмкости?

Короткий ответ: диаметр диска 0,3–0,5 диаметра ёмкости, обычно 0,4. Меньше — недостаточна зона сдвига, больше — партия расслаивается и брызгает.

Это соотношение задаёт картину течения. Скоростной диск создаёт классический двойной контур: материал, выброшенный с кромки, поднимается по стенке, у поверхности поворачивает к центру, опускается в центре и снова затягивается под диск. При 0,4 диаметра ёмкости оба контура сбалансированы, и вся партия проходит через зону сдвига у кромки.

Ниже 0,3 зона циркуляции сужается: сдвиг у кромки сильный, а удалённые области почти стоят — «отлично локально, неравномерно в целом». Выше 0,5 скорость кромки высока, но зазор до стенки мал, материал вынужденно ускоряется в зазоре, вероятны брызги и застойный слой на стенке.

Важна и геометрия: центр диска должен находиться на 0,5–1 диаметра диска выше днища. Ниже — риск задевания и износа днища, выше — мёртвая зона под диском, откуда осевший материал не возвращается.

Как назначается окружная скорость?

Короткий ответ: 18–25 м/с по кромке диска для диспергирования пигментов, до 15 м/с для предварительного смачивания; выше 25 м/с ни нагрев, ни износ уже не оправданы.

Окружная и частота вращения — разные вещи, и многие покупатели считают обороты характеристикой, тогда как интенсивность сдвига задаёт скорость по кромке. Пересчёт: окружная скорость равна числу пи умножить на диаметр диска и на обороты, делённое на шестьдесят. Конкретный пример: диск 400 мм при 1000 об/мин даёт около 20,9 м/с — в рабочем диапазоне; те же 1000 об/мин с диском 250 мм дают лишь 13 м/с, сдвига явно недостаточно.

Слишком низкая скорость — напряжение сдвига не разбивает агломераты, тонкость стоит. Слишком высокая — две проблемы: тепло от сдвига быстро поднимает температуру партии, а латексные компоненты термочувствительны и выше предела коагулируют; и износ растёт в высокой степени от окружной скорости, так что ресурс диска и стенки резко падает. Поэтому в системах с высоким сухим остатком проблему решают не «добавкой оборотов», а увеличением эффективного времени диспергирования и оптимизацией порядка загрузки и дозировки диспергатора.

Как оценить мощность двигателя?

Короткий ответ: отталкиваться от 20–40 кВт на кубический метр, выше для высокого сухого остатка и плотных наполнителей, окончательно — по проверке поставщика по вязкости.

Универсальной формулы нет, потому что вязкость меняется в широких пределах. Распространённая грубая оценка — мощность на единицу объёма: 20–40 кВт/м³ для обычных покрытий, 30–50 кВт/м³ для систем с высоким сухим остатком и высокой плотностью, как в покрытиях для бумаги, и ещё больше при тяжёлых наполнителях.

Цифра годится только для бюджета и предварительного отбора. Реальную мощность поставщик проверяет по вязкости, диаметру диска, оборотам и геометрии ёмкости, потому что при том же объёме и диске разница в вязкости на порядок может утроить потребную мощность. В запросе давайте сухой остаток, диапазон вязкости, плотность и величину партии вместе — это полезнее, чем «нужен диспергатор на две тонны».

Заниженная мощность проявляется прямо: обороты не набираются, двигатель греется, привод отключается по перегрузке. Завышенная продукт не портит, но ток холостого хода высок, энергия тратится зря, а большой диск с большим двигателем неудобен на малых партиях. Компромисс — частотный привод: двигатель подбирают по тяжёлому режиму, а скорость в работе подстраивают под рецептуру.

Как выбрать материалы диска и ёмкости для абразивных наполнителей?

Короткий ответ: наполнители твёрже 5 по Моосу требуют диска с карбидовольфрамовым покрытием или керамики; даже для 316L в карбонатной среде полезно поверхностное упрочнение.

Последствие износа — не только утоньшение диска. Как только зубья скругляются, сдвиг из «резания» вырождается в «толкание», тонкость сразу падает, а оператор этого обычно не замечает и делает вывод, что «партия трудная», после чего увеличивает время и обороты и ускоряет износ ещё больше. Состояние диска нужно периодически измерять: при потере тридцати процентов высоты зубьев диск меняют.

Стенка ёмкости тоже изнашивается, особенно пояс прямо напротив диска. Для сильно абразивных систем рекомендуется съёмная износостойкая футеровка либо местное утолщение стенки в этом поясе. Эти затраты намного дешевле остановки линии для замены ёмкости.

Как организовать линию большой производительности?

Короткий ответ: диспергирование решает только смачивание и предварительное диспергирование; там, где важна тонкость, за ним должна идти бисерная мельница — две ступени последовательно экономнее и стабильнее, чем одна машина на пределе.

Зона сдвига скоростного диспергатора — тонкий слой у кромки, и материал проводит в нём ограниченное время. Это раскрывает мягкие агломераты, но почти не измельчает первичные частицы. Тонкость покрытия для бумаги обычно микронная, поэтому длительное диспергирование означает высокий расход энергии, большой нагрев и нестабильный результат.

Разумная схема — две ступени, диспергирование и измельчение: диспергатор смачивает порошок и превращает его в однородную предварительную смесь, бисерная мельница доводит размер до целевого. Фильтр или буферная ёмкость между ними не пускает крупные частицы в мельницу и предотвращает забивание бисера. На больших объёмах последовательно ставят несколько непрерывных мельниц с мелким бисером.

Если номенклатура широкая, а партии небольшие, можно взять диспергирующий котёл, совмещающий диспергирование и измельчение: предварительное диспергирование и разбавление в одной машине сокращают потери при перекачке. Ограничение — измельчающая способность ниже специализированной мельницы, поэтому он подходит для продуктов с умеренными требованиями к тонкости.

Что проверяют при приёмке и в обслуживании?

Короткий ответ: без нагрузки — вибрацию и биение вала, под нагрузкой — нагрев и тонкость, в эксплуатации — износ зубьев диска и механизм подъёма.

В работе без нагрузки главное — вибрация. Диспергатор представляет консольную конструкцию с длинным вылетом вала, поэтому плохая центровка при сборке или увеличенный зазор подшипников видны сразу. Радиальное биение измеряют индикатором по кромке диска; более 0,5 мм — сначала разбираются в причине, потом дают нагрузку.

Под нагрузкой смотрят две величины: скорость подъёма температуры партии и время до целевой тонкости. При той же рецептуре и диске слишком быстрый нагрев указывает на завышенную мощность или окружную скорость; слишком долгое время — сначала проверяют зубья диска и порядок загрузки и только потом достаточность мощности.

Самый запущенный пункт обслуживания — механизм подъёма. На гидравлических стойках проверяют уровень масла и уплотнения, направляющие содержат в чистоте и смазке. Как только стойка начинает качаться, центр диска смещается, эффективность сдвига падает и вал страдает. На ремённых машинах проверяют натяжение: проскальзывающий ремень может показывать нормальные обороты по прибору, тогда как фактическая скорость диска уже упала.

Дополнительное чтение: - Как выбрать скоростной диспергатор для красок и типографских красок: диск и мощность по вязкости и диаметру ёмкости - Как назначить окружную скорость диска диспергатора: согласование оборотов, диаметра и тонкости

Статья подготовлена компанией Hyline Shengda Equipment Manufacturing Co., Ltd. (hyline.cn), права на информацию принадлежат первоисточнику. Основная продукция: нержавеющие реакторы, смесительные резервуары, резервуары для хранения, диспергаторы, концентраторы и комплектное оборудование химических линий; поддерживается нестандартное изготовление.