Научно-техническое описание и обоснование проекта (тэо)
| Вид материала | Бизнес-план |
- Планирование разработки с построением сетевого графика; Расчет стоимости разработки, 451.26kb.
- Общество с ограниченной ответственностью «компания «содружество», 57.8kb.
- Бизнес-планирование (технико-экономическое обоснование тэо); строительство и оснащение, 153.21kb.
- Пособие по тэо (eft) Техника Эмоционального освобождения (тэо), 2147.47kb.
- Научно техническое обоснование, 246.63kb.
- Задачи стажера в рамках проекта (индивидуальное проектное задание), 8.2kb.
- Рекламно-техническое описание, 53.72kb.
- Бизнес-план инвестиционного проекта это предназначенный для участников проекта структурированный, 769.62kb.
- Приложение №1, 263.93kb.
- Обоснование выбора программы 3 Математическое описание алгоритма расчетов и описание, 365.66kb.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА (ТЭО)
Материалы данного раздела бизнес-плана могут быть переданы экспертам для проведения научно-технической экспертизы проекта
(оценка научной обоснованности и технической реализуемости проекта)
Тип проекта:
(1) Создание производства
(2) Расширение / Модернизация производства
(4) НИОКР с целью создания производства
(5) НИОКР по заказу производства
(6) НИОКР – разработка ключевой* технологии
(7) ДРУГОЕ (указать)
* Примечание: Разработка «ключевой» технологии (принципиально новых классов, поколений продукции, перспективных технологий). Заявители вкладывают в уставной капитал компании свою собственность в виде патентов, полезных моделей, технической документации и т.п. (стоимость которой потенциально соизмерима с объемом запрашиваемых средств у потенциальных инвесторов).
1. ВВЕДЕНИЕ (резюме)
1.1 Название проекта:
| Мельницы и технология для промышленного производства микро и нанопорошков, суспензий и различных материалов на их основе. Организация сети специализированных помольных центров (СПЦ) оснащенных мельницами «НИнга» для централизованного производства высококачественных микро и нанопорошков, и различных материалов на их основе. |
Цель проекта
Научно-техническая цель проекта:
| Создание научно-исследовательской, производственной базы для серийного производства мельниц типа МН и отработки технологий способных обеспечить выпуск в промышленных масштабах микро и нанопорошковые материалы, а так же изделий на их основе. |
- Основные задачи проекта
Научно-технические задачи этапа НИР :
| 1. Организация структур компании для реализации проекта МН. Создание КБ и собственных производственных мощностей для обеспечения непрерывного процесса проектирования и изготовления и мельниц МН. Для повышения надежности мельницы МН необходимо постоянно проводить испытания и НИР, для этого необходимо иметь несколько полностью оснащенных стендовых комплекса под технологию МН; 2. Разработка, изготовление и испытание двух-трех моделей мельниц МН с различными характеристиками под различные виды сырьевых материалов; 3. Проведение всего комплекса НИР по созданию промышленного оборудования и технологии производства нанопорошковых материалов из различных сырьевых материалов. |
Научно-технические задачи этапа ОКР (инженерные, конструкторские, технологические):
| 1. Задача КБ первого этапа реализации проекта в рамках ОКР, это разработка конструкторской и технологической документации на узлы, агрегаты, периферийное вспомогательное оборудования для мельниц МН8 и МН9 с окружными скоростями дисков до 260-320м/с. Второй этап, мельница МН10 с окружными скоростями дисков до 400-450м/с. Третий этап, выход на параметры мельниц МН обеспечивающие производство нанопорошков из любых сырьевых материалов; 2. На основе полученных результатов при стендовых испытаний мельниц МН8, МН9 и МН10 на различных материалах, конструкторами и технологами будут даны рекомендации для проектированию и изготовлены мельницы МН с более высокими технологическими характеристиками которые обеспечат производство нанопорошковые материалы; 3. На этапе ОКР будут прорабатываться вопросы использования мельниц МН в СПЦ. |
Научно-технические задачи производства (инженерные, конструкторские, технологические):
| 1. Для обеспечения начало производства мельниц МН в кратчайшие сроки и гарантий качества выпускаемых микро и нанопорошков, необходимо иметь собственные машиностроительные, сборочные мощности, стендовые испытательные комплексы и отдельное от основного производства СПЦ. Это все необходимо, что бы минимизировать проблемы с подрядчиками при изготовлении нестандартных и уникальных деталей, узлов и агрегатов на стадии пуско-наладочных и доводочных работах; 2. При производстве АА нанопорошковых материалов по технологии «НИнга», необходимо решить множество проблем – это сохранение свойств АА - нанопорошков, создание специальных контейнеров для хранения и транспортировки АА –нанопорошков, изготовление изделий из АА- нанопорошков и т. д.; 3. Одна из задач при реализации проекта МН – организация СПЦ, как самостоятельную бизнес структуру, основанная на возможностях мельницы и технологии «НИнга» перед традиционными мельницами. |
1.4. Краткая аннотация научно-технической части проекта :
| Одна из актуальных технологических проблем современности - это повышение тонины помола различных видов сырьевых материалов, переход с микронных до нано размеров частиц. Для решения этих проблем нет надежного, эффективного и многофункционального помольного оборудования с малыми удельными затратами энергии при производстве микро и особенно нанопорошков. На долю шаровых мельниц приходится до 95% мирового объёма переработки (включая и тонкое измельчение) сырьевых материалов. Остальные 5% рынка, в основном, для сверхтонкого измельчения, занимают другие типы измельчительного оборудования: такие как планетарные, валковые, струйные, вихревые, бисерные мельницы, дезинтеграторы. А на получение нанопорошков используют, так называемые не механические способы и технологии, электро-импульсные, кавитационные, плазмо-кавитационные, магнито-импульсные и др. Эти мельницы и способы производства порошков не получили широкого распространения из-за низкого КПД, надёжности, производительности, ограниченного ресурса и сложности организации выпуска микро и нанопорошков в промышленных масштабах. Не смотря на огромные финансовые вложения, научно-технический потенциал и усилия ведущих мировых компаний, проблема создания оборудования и наилучшего способа измельчения до сих пор не решена. При режимах нанопомола, КПД некоторых традиционных мельниц [8] может доходить до 0,01-0,001%, т. е. более 99,99% от подводимой к материалу энергии идет на тепло, а не на уменьшение размеров частиц или изменение структуры измельчаемого материала. Это тепло создает огромные, практически непреодолимые проблемы для производства качественных АА -порошковых материалов с высокими технологическими свойствами. Компания ООО «НИнга - Технология» решила эту проблему, разработала технологию и эффективное помольное оборудование для промышленного производства АА - микро и нанопорошков из любых материалов в любом агрегатном состоянии. |
Ключевые слова:
| МН – мельница «НИнга»; КД - конструкторская документация; ТД - технологическая документация; СПЦ – специализированный помольный центр; МХА - механохимическая активация материалов; ПЖ - псевдожидкость порошковые материалы со свойствами жидкости; НТС - низкотемпературное псевдоспекание; АКДВС - адиабатный керамический двигатель внутреннего сгорания; ПАВ – поверхностно – активные вещества; Р/К - рабочая камера; АА(%) - индекс или степень реактивности, абсолютно активные порошки; d50 - % содержание частиц меньше определенного размера; dч - диаметр частиц; Sуд (см2/г или м2 /г) – удельная поверхность частиц; Qмн.(т/час или кг/час) - производительность мельницы; N(кВт) – мощность двигателей, мельницы; Vср(м/с) – окружная скорость дисков; Vв /н (м/с) - окружные скорости верхнего и нижнего дисков; а(g) (м/с2) – ускорение, ед; τизм.(с; мин; час) – время измельчения; ή(%) - КПД коэффициент полезного действия помольного оборудования; tп.(с) - время измельчения и нахождения порошков в зоне помола; n(мин-1 ;с-1) - частота вращения дисков измеряемая в обр./мин. и обр./с; Wр.к.(мм. рт. ст.) - вакуум в рабочей камере; Ен(вт/г) - энергонапряженности мельницы, мощность приведенная к ед. измельчаемого материала; Еуд.(кВт.час/т) – удельные затраты энергии; ан(вт/г) - энергонапряженности мельниц; Vвит(м/с) - скорость витания, вязкое и инерционное сопротивление воздуха;  Тп – температура перегрева, разница температуры измельчаемого порошка до и после помола;γн(дж/м2) – ударная вязкость, удельная энергия разрыва, энергия затрачиваемая на разрушение химических связей измельчаемого материала. |
Описание и обоснование научно-технической части проекта
Обоснование научно-технических целей проекта :
Одной из главных проблем при реализации талькового проекта 2001-2004гг. при проектировании, изготовлении, сборке и пусконаладочных работах на мельнице МН7, это отсутствие специалистов знающих технологию «НИнга». Это инновационная технология, не имеющая аналогов и что бы, не увязнуть в сложнейших технических и технологических проблемах, которые возникнут при реализации проекта МН- микро и нанопорошки. Предлагается реализацию проекта «организация серийного производства мельниц МН для промышленного производства микро и нанопорошков», разделить его на три этапа.
Первый – начальный, базовый в ходе которого будет создана необходимая структура и база для проведения основных НИОКР (18-24 месяца). Основные усилия будут направлены на разработку и изготовление 3-5 мельниц МН1 (МН8-МН9) с Vср.=280-320м/с, для проведения стендовых НИР. На этих мельницах будут решены технические, технологические, компоновочные и другие проблемы которые возникнут при проектировании, изготовлении и пусконаладочных работах. Так как характеристики МН1 не сильно будут, отличатся от МН7, то поставленные цели будут достигнуты быстро, эффективно и будут служить базой при разработке следующего поколения мельниц МН с более высокими характеристиками и технологическими возможностями.
Второй – промежуточный этап работ будет запущен с некоторым отставанием от начало первого этапа (8-10 месяцев). Предыдущий опыт работы и наработки будут использованы для проектирования, изготовлении и проведения пусконаладочных работ на мельницах МН2 (МН10-МН11) с Vср.=400-450м/с.
Третий – завершающий этап работ будет запущен с отставанием от начало второго этапа (10-12 месяцев). Опыт и наработки на мельницах МН2 будут использованы при проектировании, изготовлении и проведения пусконаладочных работ на мельницах МН3 с Vср.=600-800м/с и более. МН3 это будут мельницы исключительно для производства нанопорошков.
Научные и технологические достижения, финансовые возможности при реализации первого и второго этапов можно использовать для рефинансирования и эффективной работы третьего этапа, выход на мельницы с возможностями производства исключительно нанопорошков в промышленных масштабах. Основная задача проекта это поэтапный выход на серийное производство мельниц МН для промышленного производства микро (1,0-10,0мкм.), промежуточных (1,0-0,1мкм.) и нанопорошков в СПЦ. Наличие структурного бизнеса сети СПЦ обеспечит эффективную централизованную реализацию продукции и создаст базу для дальнейшего развитие технологии МН, производства различных нанопорошков и изделий на их основе. По расчетам производство первой партии промышленных нанопорошков по технологии МН начнется через 3-4 года.
При промышленном производстве промежуточных порошков по технологии МН (аналогичны по свойствам к нанопорошкам) мы подготовим и расширим рынок потребления нанопорошков до начало их промышленного производства по технологии МН.
Потенциал мельниц разработанных на первом этапе МН1: производство специальных, высокомарочных, быстротвердеющих цементов высших марок М400-М900 и более из клинкерного песка цементных заводов. Потребность мирового рынка в таком оборудовании может составить до 30-40тыс.шт. ($150-180млд); SiO2 – кварцевый песок и известь, новый класс сверхактивных микро вяжущих порошковых материалов и изделий на их основе, ёмкость рынка до 40-50тыс. мельниц МН9-90/70-300/8;
Потенциал мельниц разработанных на втором этапе МН2: производстве фосфорных минеральных удобрений из апатитовых руд. Экологически чистый бескислотный сухой способ производства, нанопомол и механохимическая активация (МХА) материалов [1]. Рынок РФ 10-15тыс. мельниц МН9 (по технологии «НИнга» можно выпускать минеральные и органические удобрения из любого рудного сырья); производство искусственной нефти (ИН) путем совместной помола смесей нефтяного мазута и угля; обработка тяжелых и обычных сортов нефти для повышения качества, увеличения выхода легких фракций, снижения вязкости для удобства транспортировки;
Потенциал мельниц третьего этапа МН3 производство АА - нанопорошков для изготовления совершенно новых термостойких, сверхлегких и сверхпрочных керамических и металлокерамических изделий любой сложности, размеров и веса для различных отраслей производства. В частности это позволит создать АКДВС - адиабатный керамический двигатель внутреннего сгорания и многое другое.
- Взаимосвязь исследований и разработок:
| Компанией ООО «НИнга-Технология» при реализации талькового проекта на мельнице МН7 при окружных скоростях дисков 220-240м/с (Е1) был проведен весь объем НИОКР достаточный для проведения ОКР на первом этапе реализации проекта и начать изготовление мельниц следующего поколения МН8 и МН9 с окружными скоростями дисков до 260-320м/с (Е2), где Е2/Е1=1,5-2,0. Второй этап это изготовление мельницы МН10…МН с окружными скоростями дисков до 400-450м/с. Третий этап, выход на параметры мельниц МН обеспечивающие производство нанопорошков из любых сырьевых материалов. |
Ключевые научно-технические и технологические проблемы, связанные с проектом:
| 1.Современные нанопорошки - имеют низкую химическую и диффузионную активность[2]., что очень ограничивает технологические возможности и области их применения. 2. Современные мельницы и способы производства нанопорошков - это в основном немеханические способы получения, которые очень затратные, малопроизводительные технологии при Q < кг/час (электро-импульсный, кавитационный, плазмо-кавитационные, магнито-импульсные и др. способы). 3.Высокая себестоимость, низкие технологические свойства ограничивают сферы применения и исключает их промышленное производство, как следствие ограниченность спроса и малая емкость рынка нанопорошковых материлов . 4. На рынке нет эффективного помольного оборудования и технологии для выпуска в промышленных масштабах качественных нанопорошковых материалов. |
- Описание и обоснование научно-технических, технологических принципов, методов и подходов реализации проекта:
| Мельница «НИнга» состоит из соосно-расположенных двух дисков вращающихся в разные стороны. Материал подается через вертикальный полый вал верхнего диска на нижний диск. Нижний диск разгоняет измельчаемый материал до окружных скоростей Vср.н. Измельчаемый материал сходит с нижнего разгонного диска с энергией Ен=mVср.н2/2 (дж) и по касательной траектории попадает на внутреннее футерованное кольцо верхнего диска (верхний диск выполняет функцию инерционного торможения с энергией Ев=mVср.в2/2 (дж)). В момент контакта об футеровку возникают инерционные и центробежные силы, т. е давление (m*105g) со сдвигом, что приводит к разрушению и измельчению материала. На мельнице МН7 экспериментально доказано, что при совместной работе нижнего и верхнего дисков тонина помола талька увеличивалась на 35-40%, т. е. экспериментальные данные почти совпадают с расчетными это (Ев/Ен)*100%=(1602/2302)*100*=48%. В рабочей полости между дисками из-за высокой вязкости воздуха и турбулентных потоков появляются мощные газодинамические силы, которые не позволяют эффективно проводить процесс соударения частиц и измельчение. На примере SiO2, экспериментально доказано, что при наличии воздуха в рабочей камере, до скоростей рабочих дисков Vср.=130-150м/с тонина помола росла до Sуд.=300-400см2/г, дальнейшее увеличение Vср приводило к уменьшению Sуд, а иногда и к полному отсутствию измельчения материалов. Таблица.1 Удельная энергия разрыва некоторых материалов [3].
Предельная величина тонины помола для мельниц зависит от КПД – эффективности способа помола и и устройства для его реализации. Двухвальная схема МН, помол в вакууме на предельных скоростях-энергии как способ и реально изготовленная мельница МН обеспечили высокие показатели при помоле. Тонина помола зависит от своцств материала, удельной энергии разрыва γн(дж/м2) - ударная вязкость материалов и от технологических возможностей мельниц.ан(вт/г)- энергонапряженности. Таблица 2. Расчетные показатели скорости витания м/с для SiO2 в воздухе.
* - вязкостное сопротивление в вакууме (менее 8мм.рт.ст.), эффективно действует на плоские поверхности и на порошковые материалы dч≥1-5 мкм. На МН7 измельчался SiO2 – кварцевый песок. Были получен порошок с Sуд.=0,45м2. Можно рассчитать реальную эффективность способа МН. Дано: γн(SiO2)=20дж/м2; Sуд.=0,45м2/г; Е(кВт./час)=3,6*106дж; Qмн7=4,5т/час; ΣNмн7=90квт. Найти: ήмн7 – КПД мельниц МН для SiO2 при Vср.в/Vср.н=160/240. Решение:ήмн7=(ΣЕ(Sуд)/ΣЕ(Qмн7)=γнSуд.Qмн7/ΣNмн7 Е(кВт./час)=20*0,45*4,5*106/90*3,6*106)*100% ήмн7=40,5/324=0,125=12,5% - это для Vср.в/Vср.н=160/240 и Sуд.=0,45м2/г; ήмн7=3,7% - при Vср.в/Vср.н=80/120 получали Sуд.=0,04м2/г, при Sуд=0,04м2/г для шаровой мельницы ήш/м=25-30%, а при Sуд=0,45м2/г ήш/м=1-3% [4]. Рассмотрим в качестве примера, какие должны быть характеристики у мельницы МН, что бы производить из SiO2 – нанопорошок с 30% содержание частиц dср.=100нм(9м2/г) [5]: Дано: mуд.=10 -3кг; ή=0,4; γн(SiO2)=25дж/м2; Sуд.(0,3dср.100нм)=2,7м2/г; суммарная удельная энергия; ΣЕуд.(Sуд;γн.)=25*2,7=67,5дж Найти: Vср.н; Vср.в. Решение: ΣЕуд.(Sуд;γн.)= ήmуд.(Vср.н 2+ Vср.в 2)/2; для удобства сделаем замену Vср.н 2+ Vср.в 2=Vср. 2; ΣЕуд.(Sуд;γн.)= ήmуд.Vср.2/2, отсюда Vср.= √2ΣЕуд./ ήmуд.=√2*67,5/0,4*10 -3=√3,38*10 5=580м/с Vср.=580м/с, распределив энергию между дисками 1в/2н, т. е. мы получим Vср.= √3,38√10 5=1,84√10 5=1,84*316=(0,61+1,23)*316, отсюда Vср.в; =0,61*316=194м/с; Vср.н.=1,23*316=339м/с. По такой методике проводились расчеты по тальку, при разработке по тальковой мельнице МН7, расчетные Sуд;=14тыс.см2/г. и экспериментальные Sуд;=15тыс.см2/г данные различались на (1/15)*100%= 6,7%. Поэтому придерживаться методике расчетов, представленных на примере SiO2 можно, для определения характеристик проектируемых мельниц МН. Конечно, для нижнего диска Vср.н.=339м/с не предел и Vср.н будет зависеть от прочности материала из которого будет делаться диск (износ дисков на мельницах МН отсутствует, помол SiO2 на МН7 проводился из AL – дисков). Современные материалы и технологии изготовления дисков позволяют реально достичь скоростей Vср.н(700-800м/с) [6]:, т. е. дальнейшее повышение Vср.н – это проблема компоновки и стойкости дисков на разрыв от Fцб - центробежных сил. Таблица 3. Зависимость тонины помола талька на мельнице МН7 от величины вакуума в рабочей камере и окружных скоростей верхнего и нижнего дисков.
* - при атмосферном давлении в Р/К, из-за мощных, вязкого и инерционного сопротивления воздуха не удалось разогнать диски до скоростей Vв /н =160/240 м/с. Обеспечить стабильный и равномерный процесс подачи материала на диски и в пространство между ними. Отсюда и низкая эффективность помола. Выводы: традиционные мельницы, использующие, как энергоноситель и кинетическую энергию воздуха (струйные, вихревые мельницы) или работающие в присутствии воздуха в рабочей зоне помола (дезинтеграторы, роторные мельницы ЗАО «Новые-Технологии» г.С-Петербург), не способны обеспечить эффективный помол при производстве микропорошков, это технологии абсолютно неприменимы при производстве нанопорошков. На мельницах МН5, МН6 и МН7 был зафиксирован эффект повышения тонины помола от величины вакуума в рабочей камере и окружной скорости. На тальковой мельнице МН7 в 2004г. велись пуско-наладочные и экспериментальные работы для выхода на расчетные характеристики Sуд=14-15тыс.см2/г и Qмн.=3-4т/час. Работы велись на двух видах тальковой руды из Анодского месторождения, Красноярский край и Алгуйское месторождение, г.Новокузнецк. Анодский тальк - это руда в виде каменных глыб, его надо предварительно дробить и готовить для помола на мельнице МН. Алгуйский тальк – сыпучий природный материал с Sуд.=3000-3500см2/г похожий на белый песок. Результаты опытных помолов для двух видов тальковой руды практически одинаковые, они представлены в одной сводной таблице. Функциональная зависимость Sуд.(Wр.к.;Vn.) - от величины вакуума в рабочей камере и окружных скоростей верхнего и нижнего дисков, отображены на графике: График 1. 1 - помол в вакууме Wр.к.=2-3мм.рт.ст.; 2 - помол на МН при атмосферном давлении.  Основные преимущества технологии «НИнга» дающие неоспоримые преимущества перед традиционными мельницами и способами производства порошковых материалов это, то что помол ведется в W-вакууме, в режиме непрерывной подачи сырья при Ен - энергонапряженности в 104-105 раз больше, чем Ен у планетарной мельницы и время нахождения порошков в зоне помола для мельниц МН составляет Тп.=10-2-10-4с, для планетарных мельниц Тп.=102-105с.    S(уд.), м2/г. 0,3 2 1  0,2  0,10 20 40 60 Е(уд.), кВт. ч/т График 2. Характеристики помола цементного клинкера; 1 – Ш/М шаровая мельница (открытый способ, без сепарации); 2 – мельница МН7 «НИнга»; (S(уд.) - удельная поверхность по Блейну); Е(уд.) - удельный расход электроэнергии. Таблица 4. Расчетные сравнительные ТЭП производства цементов различных марок для ШМ (шаровой мельницы) и МН «НИнга».
* - мельница МЦ–3200х9000 для сухого помола цемента (ЗАО НКМЗ, Украина). ** - приращение поверхности, один из показателей эффективности и возможности помольного оборудовани. Из современных мельниц, самый высокий показатель Е = 102 - 103см2с/г у планетарных мельниц; *** - при переходе с производства цемента марки М400 на М800, производительность ШМ уменьшается в 4-5 раз, производство такого цемента становится экономически не выгодным. По технологии МН выгоднее производить М800, чем М400 и в этом уникальность оборудования МН. К реальным достижениям технологии МН можно отнести результаты помола талька мельнице мод. МН7 разработки ООО «НИнга-Технология». На МН7 в 2004г были получены образцы микроталька который тестировался в лаборатории ЗАО «Акзо Нобель Декор» (г. Москва), дочерняя компания «АKZO NOBEL». Качество микроталька «НИнга» оказалось значительно выше микроталька марок М05 и М03 «FINTALK» (Финляндия) - мировой лидер по производству порошковых материалов. Один качественных характеристик талька, да и всех порошковых материалов, это маслоемкости - ASTMD. Которая зависит от дисперсии, тонины и условий помола, т. е. поверхностной активности порошков (аморфность структуры). Для микроталька «НИнга» ASTMD составил 76ед. (такой микротальк можно отнести к категории суперабсорбентов), что на 36% больше чем у М03(56ед.). Если сравнить гранулометрический состав порошков, то он следующий: М03 (менее 2мкм. - 74%; менее 1мкм. - 50%), М05N (менее 2мкм. - 45% ), микротальк «НИнга» (менее 1мкм.~ 70-75%, менее 0,2мкм.~ 25-30%), см. в приложении заключение о качестве ЗАО «Акзо-Нобель» и сертификаты качества на «FINTALC M03 и М05N». Прокомментировать характеристики микроталька «НИнга» согласилась М.В. Чайкина д-р хим. наук [1]. Она сказала, что такая невиданная маслоемкость появилась в следствии, малых размеров частиц ( 0,1-1,0мкм) и изменения структуры поверхности частиц талька, кристаллическая структура перешла в аморфную. При стоимости тальковой руды 90$/т, стоимость микроталька «НИнга» при высокой рентабельности производства составляла 250$/т. Это на 40% ниже Финского микроталька М15 (350$/т) и в 5 раза ниже М03 (1250$/т). Одна из причин высокой стоимости Финского микроталька М03- затратная технология производства, низкая эффективности помольного оборудования (700-800кВт/час/т). Микротальк «НИнга» полученный на мельнице МН7 можно отнести к категории Супер наполнителей и абсорбентов ( и эти свойства получены всего при Vср.=230м/с, для получения нанопорошков талька d90=10-50нм со свойствами?, нужно Vср.=350-400м/с). Порошковые материалы, полученные по технологии «НИнга» обладают свойствами абсолютной активности - АА, АА – была зафиксирована при измельчении талька, что такое АА? При измельчении происходит разрыв межмолекулярных связей. Образующаяся поверхность приобретает положительные и отрицательные заряды, при пластической деформации кристаллической решетки происходит изменение структуры - аморфизация. Если помол происходит в присутствии воздуха или других газов – это приводит к окислению поверхности, абсорбции и диффузии газов. На традиционных мельницах от износа мелющих тел и бронефутеровки, тоже происходит загрязнение, что снижает активность поверхностных слоев измельченных частиц. Что бы исключить износ дисков и загрянение измельчаемого материала, на мельницах МН используется технология самофутеровки. Суть в том, что в условия вакуума отсутствует, абразивный газо-воздушный поток в рабочей камере, а самоизмельчение материала происходит без прямого контакта с мелющими дисками. Если на традиционных мельницах (дезинтегратор, струйная и вихревая мельницы и т. д.) значительная часть энергии тратится на многократный разгон воздуха и измельчаемого материала, отсюда большие потери и малый КПД. Энергия Едв. - двигателей на мельницах МН тратится только на один разгон и только измельчаемого материала Vср= на помол от контакта с самофутеровкой верхнего диска, что обеспечивает высокий КПД мельниц МН по сравнению с традиционными способами. Энергия на струйных мельницах и вихревых мельницах тратится на разгон энергоносителя, воздуха или пара, скорость струи ограничена Vср.=250-450м/с. На планетарных, бисерных и шаровых мельница почти вся энергия тратится на преодоление трения между шарами при их движении. Один из доказательств высокого КПД мельниц МН это - небольшая температура перегрева t=20-30С0 измельченного материала. Низкое КПД у традиционных мельниц, приводит к перегреву измельченного материала до t=150-250оС и более, что ухудшает условия помола и приводит к снижению активности порошковых материалов. Многочисленные исследования и расчеты показали, что чем выше Vср- окружная скорость мелющих дисков и показатель Ен, тем выше КПД мельниц «НИнга», соответственно повышается тонина помола. Один из показателей эффективности помола - это температура перегрева при измельчении, для мельницы МН7 этот показатель не превышает -25 оС, для традиционных мельниц 150-250 оС и более, если не применять системы для отвода тепла из зоны помола. К примеру; если технологические характеристики существующей мельницы МН7 при микро помоле были такими: SiO2 (d50=3-5мкм или Sуд.=0,5м2/г), Vср.=230м/с, W=100мм.рт.ст., КПД=15-20%, то при переходе на производство нанопорошков SiO2 (d50= 50-100нм или Sуд.=8-15м2/г), расчетные технологические показатели мельницы должны быть следующие: Vср.=550м/с, W=10-1-10-2 мм.рт.ст., КПД=45-65%. Для обеспечения этих показателей необходимо решить комплекс более сложных технических и технологических проблем, чем те которые были решены при реализации программы по созданию тальковой мельницы МН7. На предыдущих мельницах мод. МН5, МН6 и МН7 для вращения сложно профилированных алюминиевых дисков использовались механические шестерёнчатые мультипликаторы и скоростные шпинделя (n=18,6тыс. мин-1) со сложной комбинированной системой смазки (подача масла под давлением и масляный туман) и контроля давления масла и температуры в каждом подшипнике всего силового привода. Это дорогие, сложные, ненадёжные и неудобные в эксплуатации агрегаты для обеспечения высоких частот вращения в вакууме. Для обеспечения стабильного W-вакуума при помоле приходилось решать вопросы уплотнения между шпинделями и рабочей камерой, что представляло собой немалую проблему. Для решения вышеперечисленных проблем и многих других, идеально подходят электродвигатели на магнитных опорах Французской фирмы S2M. ООО «Псковская Инженерная Компания» [7] - Российская компания имеющая опыт разработки эксплуатации активных магнитных подшипников. Эта компания может быть дублирующей компанией Французской фирме S2M, на случай проблем с поставками двигателей на МА. Компания S2М начала разработку двигателей/генераторов на постоянных магнитах в начале 90-х годов. В соответствие с требованиями станкового производства, технология двигателей на постоянных магнитах заменила менее эффективные и менее скоростные асинхронные индуктивные двигатели, применяемые для шлифования и проточки медных труб (на сегодняшний день более 100 установок с характеристиками 40кВт/45тыс. об./мин. работают по всему миру в области обработки медных труб). Также специально для авиационной промышленности были разработаны высокоскоростные фрезеровочные шпинделя с характеристиками 70кВт/30тыс. мин-1 (для сравнения на МН7 привода имели характеристики 45кВт/18,6тыс. мин-1., для производства нанопорошков необходимы эл. двигатели на МО с характеристиками 50-70кВт/40-60тыс. мин-1, Qd50=200-500кг/час – расчетная производительность для порошка с 50% содержанием частиц менее 100нм).   График 3. Опыт компании S2М в производстве электродвигателей на магнитных опорах и принципиальная схема электродвигателя на МО для нижнего привода мельницы МН. На основе опыта (более 200 механизмов) и успешной эксплуатации всех компонентов систем, компания S2М успешно применила эту технологию для использования в турбомашинах и запустила серийное производство (турбины для кондиционирования воздуха). Диапазон мощности для таких изделий от 40кВт до 400кВт. см. рис. Основными преимуществами технологии S2М для турбомашин и других устройств, являются более высокий показатель крутящего момента, надежности и ресурса до 40тыс. часов до первого технического обслуживания, что очень важно при непрерывной эксплуатации мельниц МН в условиях W-вакуума. Эл. двигатели S2М могут работать в условиях W-вакуума и соответственно не потребуются сложные уплотнения для обеспечения герметичности рабочей камеры. Ниже для сравнения представлены характеристики удельных энергетических затрат для шаровой мельницы и МН7. Видно, что до Sуд.=2500см2 эффективность Ш/М выше, чем у мельницы МН. С увеличением тонины помола удельные Э/затраты на МН уменьшаются, а при выходе на микро и нанопорошки они могут составлять 20-80% от ан или энергии химической связи минералов. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
- Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта. Существующие альтернативные решения и подходы.
| Анализируя мировой и Российский рынок помольного оборудования, способов получения микро и нанопорошков можно сделать вывод, что нет аналогов разработке мельниц МН. Сложность в реализации предложенной двухвальной схемы мельницы, это помол в W-вакууме, на предельных (Vср=250-950м/с и выше) окружных скоростях в режиме непрерывной подачи сырья и выгрузки готового продукта. Если рассматривать в качестве аналогов мельниц МН, то близкие по компоновке и характеристикам можно рассматривать дезинтегратор и планетарную мельницу. Дезинтеграторы имеют двухвальную компоновочную схему, окружная скорость дисков не превышает Vср=120-130м/с в присутствии воздуха в рабочей камере. Особенности конструкции дезинтегратора не позволяют проводить помол при скоростях выше Vср=180-200м/с. Планетарная, бисерная, как и шаровая мельница на холостых режимах работы имеет КПД 5-10%, т. е. потери 90-95% [8], при измельчении в рабочих режимах, КПД мельницы снижается и зависит от времени помола. Одновальные дисковые мельницы-дробилки с горизонтально расположенным диском производит ЗАО «Новые Технологии» г.С-Петербург [12]. Эти мельницы работают на режимах до Vср=80-140м/с. Компания имеет лабораторную мельницу на 2кВт., помол ведется в воздухе при Vср=220-240м/с, после сепарации получают микропорошки WC с d973мкм. при Еуд.=3500кВт.час/т. На струйных мельница CGS50 производства NETSCH-CONDUX [10], совмещенных с сепаратором (Nкомпрессора=130кВт; Nсепаратора=7,5кВт), производят металлокерамические порошки WC с d97=3мкм., Q=66кг/час., соответственно Еуд.=2070кВт.час/т. При производстве грубого порошка Eisenoxyd Fе2O3 – окись железа на CGS100 при d97=2,7мкм., Q=1000кг/час., затраты энергии составят Еуд.=550кВт.час/т., т. е. на производство микропорошков WC требуется почти в 4 раза больше энергии чем на Fе2O3 при одинаковых размерах частиц и дисперсии их распределения. Если производство порошка WC с d97=3мкм. Было бы организовано на мельнице МН10 при Q=1600кг/час., то затраты энергии составили бы Еуд.=95кВт./час.т. Понятно, что при равных условиях технологических и производственных затратах, себестоимость производства порошковых материалов меньше на том предприятии, где выше Q-производительность оборудования. В данном случае производительность мельниц МН10 - QМН10/QCGS50=1600/66=25 раз больше CGS50, что позволит значительно снизить стоимость микропорошковых материалов на рынке, а исходя из закона эластичности рынка, это приведет к повышению спроса и увеличению объемов продаж. Такие затраты энергии Еуд.=550-2070кВт./час.т при производстве микропорошков наблюдаются по всему спектру производства тонеров, пигментов, различных наполнителей производимые по традиционным технологиям. NETSCH-CONDUX и другие известные производители не выпускают и не имеют эффективное помольное оборудование способное производит нанопорошки в промышленных масштабах. Обычно, нанопорошковые материалы получают без использования традиционных механических мельниц и способов, это электро-импульсные, кавитационные, плазмо-кавитационные, магнито-импульсные и другие способы. Они тоже энерго емкие и дорогие технологии, поэтому нанопорошки так дорого стоят. Один из недостатков современных мельниц, сильное нагревание измельчаемого материала (низкое КПД, перегрев Тп=150-250оС и более), из-за этого на всех мельницах предусмотрено естественное или принудительное охлаждение. Некоторые мельницы работают циклически, интенсивное тепловыделение и невозможность отвода тепла из зоны помола. Для этого периодически останавливают мельницу для охлаждения, снижения температуры. Например, при получении нанопорошков тугоплавких соединений до dч(50-200нм.) на планетарной мельницы модели М-36П [6] τизм. ≤ 30-40мин., если время помола больше, то переход на цикличный режим помола. Один из показателей эффективности способа и возможностей мельниц это ан(вт/г) - энергонапряженности мельниц, приведенная мощность к единице измельчаемого материала в зоне помола. ан - показывает возможность мельницы изменить структуру материала, предел тонины помола, которую может обеспечить данный тип мельниц. Для мельниц МН, ан =104-105вт/г, у современных планетарной мельницы самый высокий показатель ан=10-102, у самой распространенной и широко используемой шаровой мельницы ан =10-1-10-2. Качество, повышенные свойства порошковых материалов зависит так, же от tп.- времени нахождения измельчаемого материала и степени воздействия окружающей среды в зоне помола. Для мельниц «НИнга» tп.=10-2-10-4с и условия помола - вакуумная среда, для планетарных мельниц tп.=102-105с в присутствии воздуха. Сравнительные технические и технологические характеристики мельницы «НИнга» с традиционными, показали возможности и превосходство технологии МН - двухвальная схема, помол в непрерывном режиме в вакууме при ускорениях а(g)→max.= 104-105g. При реализации проекта МН компания ООО «НИнга-Технология» столкнулась с практически не решаемыми техническими и технологически проблемами, которые не давали выйти на расчетные показатели тонины и эффективности помола. Многолетняя интенсивная работа увенчалась успехом и на данный момент имеются все необходимые знания и опыт для поэтапной реализации проекта по созданию промышленной мельницы для производства нанопорошков в промышленных масштабах. |