Производство порошков: применение, обслуживание, преимущества

Производство порошков относится к промышленным процессам, используемым для производства порошков для различных применений во многих отраслях промышленности. В данном руководстве представлен подробный обзор производства порошков, включая основные виды оборудования, процессы, области применения, а также соображения по выбору поставщиков и систем.

Обзор порошкового производства

При производстве порошков получают мелкие частицы твердых материалов размером от субмикронных до тысяч микрон. Порошки находят широкое применение в таких продуктах, как металлы, керамика, пластмассы, пигменты, фармацевтические препараты и продукты питания.

В 2022 году мировой рынок производства порошков оценивался в 32,5 млрд. долл. и, по прогнозам, в период с 2023 по 2030 год будет расти с темпом CAGR 7,2%. Наибольшая доля мирового рынка порошков пришлась на фармацевтический сектор - более 30%. Однако наибольший рост наблюдается в сегменте металлических порошков, что обусловлено применением в автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Такие свойства порошка, как гранулометрический состав, морфология, плотность и текучесть, должны жестко контролироваться в процессе производства, чтобы соответствовать требованиям приложений. Четыре основных этапа производства порошков:

1. Производство измельчение порошка механическим или химическим способом
2. Классификация по размерам частиц с помощью сит, классификаторов или воздушных сепараторов
3. Модификация характеристики порошка путем измельчения, гранулирования, сушки, смешивания и других видов обработки
4. Формула путем смешивания с другими порошками или добавками

Выбор технологии изготовления порошка зависит от материала, конечного размера и распределения частиц, морфологии порошка, его чистоты и назначения.

Основные преимущества порошкового производства

• Высокое отношение площади поверхности к объему повышает реакционную способность, растворимость и производительность
• Возможность подбора размеров и распределения частиц для получения требуемых свойств
• Порошковые технологии позволяют изготавливать изделия сложной формы
• Более низкие температуры обработки позволяют экономить энергию по сравнению с сыпучими материалами
• Пористые порошковые прессованные изделия обладают уникальным сочетанием прочности и низкой плотности

Проблемы порошкового производства

• Образование пыли и работа с ней представляют опасность для здоровья и безопасности
• Порошки могут быть взрывоопасными, если горючие частицы находятся во взвешенном состоянии в воздухе
• Требуется специализированное оборудование для транспортировки, смешивания, уплотнения порошков
• Агрегация частиц может влиять на текучесть и однородность продуктов
• Контроль и поддержание постоянных характеристик порошка в промышленных масштабах

Оборудование, используемое в порошковом производстве

Для получения порошков с требуемыми характеристиками и их переработки в конечные продукты используется различное специализированное оборудование и машины. Ниже приведен обзор:

Оборудование	Описание
Шаровые мельницы	Вращение цилиндров, частично заполненных мелющими средами, такими как керамические или металлические шары, для дробления и измельчения материалов в тонкий порошок посредством удара и трения.
Молотковые мельницы	Используют качающиеся молотки для измельчения материалов о сито с высокой скоростью. Эффективны для грубого измельчения.
Коллоидные мельницы	Роторно-статорный механизм с высокими сдвиговыми усилиями позволяет измельчать взвешенные материалы до субмикронных размеров.
Струйные мельницы	Использование воздушных струй высокого давления для уменьшения размера частиц за счет межчастичных столкновений. Возможно микронное и субмикронное измельчение.
Измельчители	Перемешивание суспензии рабочим колесом для измельчения частиц путем сдвига и удара друг о друга.
Распылительные сушилки	Быстрое высушивание жидких смесей до состояния тонкого порошка путем распыления горячим воздухом и испарения влаги.
Воздушные классификаторы	Разделение частиц по размерам с помощью управляемых потоков воздуха на основе разности скоростей оседания частиц под действием силы сопротивления.
Вибрационные сита	Сортировка порошковых частиц по размеру с помощью вибрационных сит и сеток.
Грануляторы	Формировать крупные агрегаты из порошков путем уплотнения, сжатия или склеивания для улучшения текучести и перемещения.
Смесители	Гомогенизация и смешивание нескольких порошков достигается за счет галтовки, перемешивания или псевдоожижения.
Брикетировочные прессы	Под высоким давлением порошки спрессовываются в плотные брикеты различных размеров и форм.

Основные технологические процессы в порошковом производстве

Основные процессы производства порошков с указанием типичных материалов или отраслей промышленности, в которых они используются:

Процесс	Сырье/Промышленность
Механическое измельчение	Металлы, сплавы, керамика, минералы, пигменты, агрохимикаты
Осадки	Керамика, пигменты, каталитические материалы, специальные химикаты
Электролиз	Металлы, сплавы, соединения
Плазменный синтез	Керамика, керметы, суперсплавы
Реакция в твердом состоянии	Керамика, катализаторы, люминофоры, аккумуляторные материалы
Распылительная сушка	Продукты питания, фармацевтика, моющие средства, пигменты, керамика
Золь-гель синтез	Керамика, катализаторы, покрытия, оптика
Криогенное фрезерование	Полимеры, эластомеры, фармацевтика, пищевые продукты

Механические методы уменьшения размеров, такие как измельчение и помол, являются наиболее распространенными технологиями получения порошков. Однако материалы со специфическим химическим составом и кристаллической структурой получают с помощью таких современных технологий, как электролиз, распылительная сушка, осаждение, золь-гель синтез и др.

Применение и использование порошкового производства

Порошки, получаемые в результате специализированных технологических процессов, используются в самых разных отраслях промышленности и производства. К числу основных областей применения относятся:

Промышленность/Продукт	Приложение
Металлургия и металлические компоненты	Порошковая металлургия для получения спеченных деталей, порошков сплавов для аддитивного производства
Керамика и огнеупоры	Современные керамические порошки для электроники, термобарьерных покрытий
Полимеры и пластмассы	Материалы для порошковой окраски, порошковые формовочные смеси
Лакокрасочные материалы и покрытия	Пигменты, экстендеры, диспергаторы
Фармацевтика и нутрицевтика	Активные лекарственные ингредиенты, вспомогательные вещества, БАДы
Продукты питания и напитки	Ароматизаторы, загустители, эмульгаторы, детские смеси, смеси для напитков
Химические продукты и катализаторы	Специальный химический синтез, каталитические материалы
Сельское хозяйство	Микроэлементные и реликтовые удобрения, порошковые пестициды
Косметика и средства личной гигиены	Пигменты, тальк, модификаторы, активные ингредиенты
Хранение энергии	Катоды и электролиты аккумуляторов, материалы для топливных элементов

Рынок порошковых материалов быстро растет благодаря высокой производительности и гибкости, которую они обеспечивают в различных отраслях производства по сравнению с сыпучими материалами.

Проектные соображения и стандарты

Проектирование систем производства порошковых материалов требует тщательного учета таких параметров, как производительность, свойства материалов, опасность взрывов, эффективность обращения и стабильное качество продукции.

Ключевыми стандартами для проектирования безопасного и эффективного оборудования для обработки порошков являются:

• NFPA 654 - Стандарты по предотвращению пожаров и взрывов пыли
• ISO 12100 - Безопасность машин
• ASTM B215 - Стандарт на сита для испытаний
• ASTM B822 - Стандартный метод испытания на определение размера частиц с использованием воздухопроницаемости
• ISO 4497 - Требования безопасности для систем флюидизации

При проектировании оборудования учитываются как механические аспекты, такие как размольная среда, скорость вращения крыльчатки, размеры сита, размер сопла, так и технологические факторы, такие как периодичность и непрерывность работы, температура, давление, расход и интеграция нескольких операций.

Автоматизированные системы контроля и управления необходимы для поддержания качества и производительности порошка. Очень важна защита от взрыва с помощью инертного газа, взрывозащитных клапанов и электрического заземления.

Выбор поставщиков оборудования для обработки порошков

Выбор надежных производителей порошкового оборудования для обеспечения оптимальной производительности и эффективности порошковой линии предполагает оценку различных параметров:

Параметр	Описание
Доказанный опыт	Количество лет поставок порошковых изделий и масштабы производства
Возможности "под ключ	Предложение комплексных интегрированных систем от сырья до конечного продукта
Индивидуальное проектирование	Возможность настройки оборудования под конкретные свойства порошка и производственную мощность
Ассортимент оборудования	Мельницы, воздушные классификаторы, системы смешивания и подачи, решения по герметизации, автоматизация
Услуги по монтажу и вводу в эксплуатацию	Возможность выполнения работ по установке, тестированию и оптимизации на месте
Текущая поддержка	Контракты на техническое обслуживание и поставку запасных частей для минимизации времени простоя
Соответствие стандартам	Продукция сертифицирована по соответствующим стандартам безопасности и качества
Энергоэффективность	Конструкции с пониженным энергопотреблением для минимизации эксплуатационных расходов
Оптимизация процессов	Использование моделирования и имитационного моделирования для повышения производительности порошковых систем

Очень важно провести оценку различных поставщиков и получить рекомендации, прежде чем решиться на крупную капитальную покупку оборудования для обработки порошков.

Затраты на оборудование для производства порошков

Стоимость оборудования в порошковом производстве существенно различается в зависимости от таких факторов, как:

• Тип мельницы - шаровая мельница, воздушный классификатор, струйная мельница и т.д.
• Производительность - тонны в час
• Материал конструкции - нержавеющая сталь, углеродистая сталь, алюминий
• Уровень автоматизации и контрольно-измерительных приборов
• Дополнительные приспособления для транспортировки - конвейеры, бункеры, мешки, циклоны
• Требования к настройке
• Договоры на послепродажное обслуживание

Некоторые ориентировочные диапазоны цен на распространенное оборудование для обработки порошковых материалов таковы:

Оборудование	Выходная мощность	Диапазон цен
Шаровая мельница	1 - 200 кг/час	$10,000 – $500,000
Струйная мельница	10 - 2000 кг/час	$50,000 – $1,000,000
Воздушный классификатор	500 - 10000 кг/час	$40,000 – $700,000
Смеситель	5 - 500 кг/пакет	$5,000 – $250,000
Сушилка с жидкостным слоем	10 - 5000 кг/час	$30,000 – $1,000,000

Более крупные системы для массового производства и полностью автоматизированные установки будут стоить более $1 млн. Для получения точных цен рекомендуется обращаться к квалифицированным поставщикам порошкового оборудования.

Монтаж и эксплуатация оборудования для производства порошков

Для безопасной и оптимальной работы оборудования для обработки порошковых материалов необходимы правильные процедуры монтажа и эксплуатации. Вот некоторые рекомендации:

• Тщательная подготовка площадки и закрепление оборудования на ровных, не подверженных вибрациям основаниях
• Сборка модулей оборудования в соответствии с инструкциями производителя
• Проверка центровки, утечек и зазоров перед пробными пусками
• Пусконаладочные работы по сухому и мокрому способу испытаний для подтверждения проектных характеристик
• Валидация систем предотвращения взрыва перед вводом в эксплуатацию в горячем состоянии
• Постепенное наращивание скорости подачи и параметров до проектной мощности
• Непрерывный мониторинг всех переменных процесса - расхода, давления, нагрузки, мощности, температуры, вибрации
• Регулярные проверки на предмет скопления материала или засорения
• Поддержание отрицательного перепада давления для удержания пыли
• Плановая замена носителей и профилактическое обслуживание
• К обслуживанию электрооборудования допускаются только сертифицированные электромонтеры
• Соответствующее обучение операторов стандартным операционным процедурам
• Документирование руководств по эксплуатации, журналов технического обслуживания, процедур безопасности

Партнерство с поставщиками оборудования, позволяющее использовать их опыт, позволяет упростить установку и оптимизировать работу для обеспечения максимального срока службы оборудования.

Практика технического обслуживания оборудования для обработки порошковых материалов

Регулярное техническое обслуживание необходимо для стабильного функционирования систем обработки порошка и обеспечения безопасности. Ключевые аспекты включают:

Инспекции

• Проверка накопления материала, утечек, коррозии и засорения
• Проверьте средства защиты - заземление, вентиляцию, клапаны, аварийную остановку
• Проверка интегрированных систем управления и контрольно-измерительных приборов

Профилактическое обслуживание

• Своевременная замена фильтров, сеток, уплотнений, прокладок, ремней
• Замена рабочих сред в мельницах - шары, футеровка
• Испытание взрыворазрядных устройств, сигнализации, инертизации
• Калибровка весовых кроватей, датчиков температуры и давления
• Смазка подшипников, редукторов, двигателей

Техническое обслуживание при поломках

• Диагностика проблем с помощью анализа вибрации, термографии и т.д.
• Ремонт/замена неисправных деталей - крыльчатки, приводов, ремней
• Поддержание запасов запасных частей для критически важных компонентов

Гигиена и уборка

• Изолируйте оборудование перед мойкой для предотвращения попадания воды
• Регулярная уборка пылесосом и воздуходувками для предотвращения накопления пыли
• Избегайте применения горючих растворителей для чистящих порошков

Документация

• Обновление журналов учета оборудования по всем проверкам и техническому обслуживанию
• Отслеживание интенсивности износа, частоты замены для оптимизации графиков
• Сообщать о крупных ремонтах, неисправностях и документировать их устранение

Тесное сотрудничество с производителями оборудования и наличие сервисных контрактов помогут устранить неполадки и свести к минимуму время простоя.

Основные аспекты производства порошков

К числу важнейших факторов, которые необходимо учитывать при выборе технологических процессов производства порошковых материалов, относятся:

Качество продукции

• Гранулометрический состав влияет на такие свойства порошка, как текучесть, уплотняемость, дисперсность
• Морфология и внутренняя структура порошка определяют производительность
• Минимизация агломерации и загрязнения имеет большое значение
• Постоянная насыпная плотность, содержание влаги и чистота

Безопасность

• Борьба с пылью с помощью инженерных решений и средств локализации
• Меры по предотвращению пожаров и взрывов
• Высокий уровень шума может потребовать акустического ограждения
• При необходимости использовать искробезопасное электрооборудование

Свойства материала

• Абразивность влияет на износ оборудования и выбор среды
• Термическая и химическая стабильность влияют на технологические параметры
• Учитывать сыпучесть, сжимаемость, электростатический заряд

Емкость

• Масштаб производства определяет размер оборудования и уровень автоматизации
• Отличия пакетной и непрерывной работы влияют на гибкость и производительность

Энергопотребление

• Минимизация переизмельчения и использования более крупного оборудования, чем требуется
• Рассмотрим энергоэффективность различных технологий измельчения
• Рекуперация тепла, частотно-регулируемые приводы и автоматика снижают энергопотребление

Капитальные и эксплуатационные затраты

• Затраты на оборудование, техническое обслуживание, расходные материалы и энергопотребление
• Влияние трудозатрат, систем мониторинга/контроля и времени простоя
• Требования к тестированию и валидации

Тщательная разработка технологического процесса и подбор оборудования с учетом этих параметров являются залогом успешной работы завода по производству порошков.

Преимущества и ограничения порошкового производства

Преимущества

• Возможность точного проектирования порошков с требуемыми размерами и распределением частиц
• Хорошая воспроизводимость и стабильность продукции в контролируемых процессах
• Компоненты могут быть изготовлены более сложной формы по сравнению с сыпучими материалами
• Более низкие температуры обработки позволяют экономить электроэнергию
• Высокая площадь поверхности повышает реакционную способность и производительность
• Широкий спектр материалов - металлы, керамика, полимеры, химикаты, пищевые ингредиенты и т.д.

Ограничения

• Работа с порошком может быть неаккуратной и чревата утечками
• Опасности для здоровья и безопасности, такие как воздействие пыли, пожары и взрывы
• Специализированное оборудование, необходимое для транспортировки, смешивания и обработки
• Порошки могут быть связными, абразивными или реактивными, требующими смягчения воздействия.
• Поддержание единообразия в больших масштабах может быть сложной задачей
• Серийные процессы менее пригодны для массового производства

При грамотном проектировании и соблюдении техники безопасности преимущества современных порошковых материалов во многих областях применения перевешивают ограничения.

Производство порошков - часто задаваемые вопросы

Вопрос: Какие наиболее распространенные типы мельниц используются в производстве порошков?

О: Шаровые, молотковые и струйные мельницы являются наиболее распространенными видами измельчительного оборудования для уменьшения размера частиц при производстве порошков. Для различных областей применения требуется оптимальный выбор мельницы в зависимости от таких факторов, как исходный материал, требуемый конечный размер частиц, производительность, риск загрязнения и т.д.

Вопрос: Какие меры предосторожности принимаются для предотвращения взрывов пыли при работе с порошками?

О: Первичные методы предотвращения взрыва включают в себя исключение источников воспламенения, борьбу с накоплением статического электричества, предотвращение образования взрывоопасных смесей воздуха с порошком, инертизацию азотом/углекислым газом, взрывобезопасную вентиляцию и искробезопасное электрооборудование. Также очень важны контроль и локализация пыли.

Вопрос: Как снижаются риски, связанные с воздействием тонкодисперсных порошков на работников?

О: Стратегии включают в себя полностью закрытые конвейерные системы, местную вытяжную вентиляцию, пылеуловители, изолированные зоны оператора, перчаточные боксы/мешки внутри/мешки снаружи, СИЗ, например респираторы, процедурный контроль времени воздействия, а также обучение по вопросам опасности.

Вопрос: Какие критические испытания контроля качества проводятся при изготовлении порошка?

О: К важным испытаниям свойств порошка относятся: гранулометрический анализ, морфология, скорость потока, анализ насыпной/истинной плотности, анализ влажности, сжимаемость, дисперсность, однородность смеси, химический состав и стабильность. Эти параметры определяют технологичность и эксплуатационные характеристики продукта.

Вопрос: Каковы советы экспертов по выбору оборудования для обработки порошков?

О: Заранее привлекайте квалифицированных поставщиков, получайте рекомендации из надежных источников, запрашивайте демонстрационные образцы, подтверждайте заявления путем тестирования, получайте котировки от нескольких поставщиков, оценивайте возможности и опыт OEM-производителей, определяйте приоритеты в области безопасности и поддержки, планируйте потребности в расширении в будущем и учитывайте общую стоимость жизненного цикла.

узнать больше о процессах 3D-печати