硝化纤维素细断新工艺技术研究.pdf

1 2 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 0 卷第1 期 硝化纤维素细断新工艺技术研究‘ 邓国栋刘宏英 南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心 江苏南京，2 1 0 0 9 4 靳玉强 山西省国营2 4 5 厂 山西太原，0 3 0 0 2 8 J [ 摘要]为了解决我国目前的硝化纤维素细断 粉碎 过程能耗高、效率低、污染严重的问题，文章利用双圆盘 粉碎机对硝化纤维素进行了细断试验。重点研究了粉碎时间、磨刀类型、磨刀间距及浆料浓度等因素对细断效果 的影响，得出了合适的工艺条件。与传统锥形细断机相比，该技术与设备节能4 5 ％，提升了我国硝化纤维素细断工 艺技术水平。 [ 关键词] 硝化纤维素细断双圆盘粉碎机节能 [ 分类号] T Q 5 6 2 ． 2 1 引言 硝化棉在我国主要由棉纤维经其硝化、驱酸、水 洗、酸煮和碱煮而制得⋯。硝化纤维素是一种管状 纤维的结构，虽经长时间的煮洗，但其毛细管内的残 酸等杂质不能完全去除，因此其安定性能不符合要 求，而且发射药与推进剂对硝化纤维素的细断度都 有一定的要求，因此在使用前必须对其进行细断处 理。细断是将煮洗过的长纤维N C 在细断机的物理 机械作用下，N C 受到切割和研磨作用，使纤维变短， 比表面增加，残酸等杂质易于扩散除去，从而保证 N C 的安定性H 1 。 我国推进剂和发射药所用的主要组分之一的硝 化纤维素粉碎 细断 ，现阶段大部分企业仍采用前 苏联5 0 年代的锥形细断机及细断工艺，设备体积庞 大，占地面积大，能耗高，效率低，维修极不方便，严 重地增加了推进剂和发射药的生产成本。另外N C 粉碎必须经酸煮、碱煮，水洗至中性，粉碎后又需碱 煮，水洗至中性，设备体积庞大，废水排放量很大，对 环境污染严重【3J 。因此，需要研制出一种全新的 N C 粉碎 细断 设备与工艺，以改变我国硝化纤维 素粉碎高能耗、高污染、低效率的落后面貌。 目前，用于硝化纤维素细断的细断机的种类很 多，主要有圆盘磨细断机、郝氏细断机、锥形细断机 等，它们的作用原理都是使N C 受到剪切、挤压和研 磨，使其长度变短，纤维的管状结构受到破坏H J 。 根据硝化纤维素有关标准的要求，硝化纤维素的细 断度要在6 5 7 5 m l 的范围内。南京理工大学粉体 中心在甩盘式粉碎机、单圆盘式粉碎机、造纸用双圆 盘粉碎机的基础上研制出了新型双圆盘粉碎机。本 文利用双圆盘粉碎机对硝化纤维素进行了细断试 验，以研制出合适工艺条件，满足硝化纤维素细断高 效、节能的需要。 1 细断设备原理 双圆盘粉碎机内部结构如图l 所示。 1 一进料管；2 一动刀盘；3 一粉碎室； 4 ，6 一定刀盘；5 一出料I 1 ；7 一密封组件；8 一轴；9 一壳体 图1双圆盘粉碎机内部结构示意图 该机具有左右两个粉碎腔，中间是转动盘 动 刀盘 ，该转动盘两面都有特定形状与结构的粉碎 齿 磨刀 ，转动盘上开有2 4 个通孔，用于调控转 动盘两面的物料平衡和压力平衡。转动盘的两边是 固定盘 定刀盘 ，两固定盘的表面都有特定形状与 收稿日期2 0 1 0 - 0 9 ．1 5 作者简介邓国栋 1 9 6 5 一 ，男，工程师。主要研究易燃易爆材料超细粉体制备。E - m a l l d y p d 羽 1 2 6 ．c o i n 万方数据 2 0 1 1 年2 月硝化纤维素细断新工艺技术研究邓国栋等 1 3 结构的粉碎齿 磨刀 。通过液压调节控制两固定 盘与转动盘两边齿面间的距离。整机由不锈钢制 成，粉碎刀齿由双相高耐磨钢 既耐酸，又耐碱 制 成。粉碎时N C 原料通过浆料泵从粉碎腔底部进 入，分别输入两个粉碎腔体，粉碎结束后从上部输 出。粉碎过程中人机隔离操作，远程控制。 硝化纤维素浆料流经两面都装有刀片的动磨盘 时，被高速运动的刀片双面切断，因而切断效果好， 起到了两台单圆盘粉碎机的粉碎效果。刀片运转过 程中液体的阻力小，因而生产效率高，能耗低，设备 体积小，动平衡性能好。克服了传统锥形细断机的 体积庞大、多台联用、占地面积大、能耗高的缺点。 实现了可在同一台机器内连续、循环完成对硝化纤 维素的分散、粗粉碎及细粉碎。由于硝化纤维素的 分散、粉碎在水中进行，确保了粉碎过程的安全。 2 各种工艺因素对细断 粉碎 效果的影响 硝化纤维素细断程度用细断度表示。细断度检 测方法硝化纤维素烘干后，过1 0 目筛，取l Og ，在 量筒中加水至2 5 0 m l ，摇匀3 0r n i n 后的沉降高度即 为细断度”j 。有关标准要求合格硝化纤维素细断 度为6 5 7 5 m l ，对应的长度为0 ．2 0 ．5 m m 图2 。 而硝化纤维素原料细断度一般， 2 2 0m l ，长度为1 ．0 m l n 以上 图3 。 2 ．1 单台循环粉碎的粉碎时间对细断度的影响 在一定的工艺条件下，N C 细断度随时间的变化 情况如图4 所示。试验条件如下原料细断度 图2 标准硝化纤维素样品显微镜照片 放大1 0 0 倍 图3 硝化纤维素原料样品显微镜照片 放大1 0 0 倍 E ＼ 型 鉴 蠹 图4 细断度随时间的变化曲线 2 2 0r a l ，棉浆浓度1 0 ％，粉碎量3 3 0k g ／批，使用的粉 碎机装有0 1 号磨刀，单台循环粉碎。 由图4 可看出，当粉碎时间达到8 0 r a i n 以后，细 断度都符合标准的要求，而最佳的时间为8 0 r a i n 。 当用单台双圆盘粉碎机粉碎该种类硝化纤维素且磨 刀的型号为0 l 号时，最佳的工作时间为8 0 m i n 。由 图4 还可知，随着粉碎时间的增加，N C 细断度越来 越小。但当时间达到8 0 r a i n 以后，细断度就几乎不 再发生改变。粉碎8 0 r a i n 后的N C 产品显微镜照片 见图5 ，其细断度与标准N C 样品相当。 图5 粉碎8 0 r a i n 后的N C 产品显微镜照片 放大1 0 0 倍 2 ．2 单台循环粉碎不同类型磨刀对细断度的影响 双圆盘粉碎机的磨刀采用分片式，即磨盘 动 刀盘和静刀盘 由若干片磨刀组成，每片磨刀上设 计有棉浆分散、粗粉碎、细粉碎段。在每段齿形上采 用不同的结构形式，常用的磨刀有如图6 所示的几 谂锄 O l 娜凹 0 3 图6 磨刀的结构形式 ∞们如加m∞帅舳∞∞ 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第柏卷第1 期 种结构。磨盘有一个重要的参数，即每秒切断长。它 与齿宽成反比，所以刀齿越窄，每秒切断次数多，纤 维长度越小。 在双圆盘粉碎机中装上各种不同型号的磨刀 0 1 号、0 2 号、0 3 号、0 4 号 ，在相同的条件下对同 种原料均粉碎8 0 r a i n 以后，比较细断度情况。 工艺条件如下原料细断度2 2 0r n l ，棉浆浓度 1 0 ％，粉碎量3 3 0k g ／批；使用的粉碎机为单台循环 粉碎，粉碎时间8 0 r a i n ／批。实验数据如表1 所示。 表l用各种磨刀在粉碎8 0 r a i n 以后的细断度 装有不同磨刀的粉碎机粉碎试验结果表明，磨 刀对粉碎机粉碎效果的影响很大，在相同的粉碎时 间 8 0 r a i n 下，产品的细断度随着磨刀型号的不同 而不同。其中，装有0 1 号或0 4 号磨刀 刀齿较窄的 磨刀 的粉碎机效果最好，都达到了标准的细断度 指标，这主要是因为磨刀的结构不同所造成的。 2 ．3 粉碎机不同磨刀间距对细断度的影响 在一定工艺条件下，定刀与动刀间距对细断度 的影响很大，因此找出恰当的磨刀间距尤为重要。 该设备采用了液压传动控制磨刀间距，容易实现磨 刀间距精确调控。细断度随磨刀间距的变化结果如 图7 所示。 g ＼ 剖 塔 器 脬刀闻跹I ／r a m 图7 磨刀间距对细断度的影响 试验条件如下原料细断度2 2 0m l ，棉浆浓度 1 0 ％，粉碎量3 3 0 k g ／批，使用的粉碎机装有O l 号磨 刀，单台循环粉碎，粉碎时间8 0r a i n ／批。 由图7 可知，硝化纤维素细断度随磨刀间距变 小而变小。当磨刀间距0 ．1 0 ．5 m m 时，细断度为 7 1 7 5 m l ，才符合标准要求。N C 细断度为7 1 m l 时 的显微镜照片见图8 。 图8N c 细断度为7 1 m l 时的显微镜照片 放大1 0 0 倍 2 ．4 不同棉浆浓度对粉碎细断度的影响 在一定工艺条件下，棉浆浓度对N C 细断度影 响情况见图9 。 逗 魁 痞 舞 图9 棉浆浓度对细断度的影响 试验条件如下原料细断度2 2 0m l ，粉碎量3 3 0 k g ／批，使用的粉碎机装有0 l 号磨刀，单台循环粉 碎，粉碎时间8 0r a i n ／批。 根据图9 ，硝化纤维素细断度随其浆料浓度增 加而变小。随着浆料浓度增加，粉碎效率越来越高， 当浆料浓度为1 0 ％时，N C 产品细断度为7 lI I l l 。 2 ．5 能耗试验 1 试验条件N C 干量3 3 0 k g ／批，N C 原料细断 度为2 2 0 m l ，磨片间距0 ．1n l ／n ，起始粉碎浓度3 ％， 粉碎3 0m i n 后，浓缩至6 ％，继续粉碎3 0r a i n ，再次 浓缩至1 0 ％，再粉碎至细断度达到7 1l l l l 后停机。 2 能耗试验结果如表2 所示。 表2 单台双圆盘粉碎机循环粉碎能耗试验 万方数据 2 0 1 1 年2 月硝化纤维素细断新工艺技术研究邓国栋等 1 5 由表2 可知，装有不同磨刀的粉碎机单台循环 能耗因磨刀型号的不同而不同。由此可见，磨刀对 能耗及粉碎机粉碎效果都有很大的影响。在试验条 件相同的情况下，达到标准细断度7 1 “。装有不同 磨刀的粉碎机粉碎时间是不一样的，其中0 1 号与 0 4 号粉碎每吨N C 的耗电量相同，为5 4 8k W h ， 而0 2 号与0 3 号的耗电量相对0 l 号与0 4 号来说都 较高，这主要与磨刀的结构有关。因此，如果从节能 考虑的话，应优先选择0 1 号或0 4 号。 3 结论 利用双圆盘粉碎机对硝化纤维素进行细断 粉 碎 试验，通过研究与测试，得到了以下的结论 1 粉碎机不同磨刀结构对细断效果影响明 显，单台粉碎机循环粉碎时，选择刀齿较窄的磨刀如 0 1 号或0 4 号磨刀效果较好。 2 磨刀间距减少、棉浆浓度增加有利于细断 效率提高。 3 合适工艺条件为粉碎时间8 0m i n ，磨刀间 距为0 ．1 一O ．5m m ，棉浆浓度为8 ％一1 0 ％。 4 粉碎机的能耗在细断度达到N C 标准要求 时 细断度标准为7 lI I l l ，单台粉碎机循环粉碎每 吨N C 的耗电能约5 4 8k W h ，与传统的工艺设备 细断一吨硝化纤维素能耗一般在1 0 0 0k W h 左 右 相比，节能达到了4 5 ％左右。 参考文献 [ 1 ]任晓莉，刘有智．硝化纤维素生产工艺中配酸及其热 交换的模型设计[ J ] ．火炸药学报，2 0 0 2 ，2 5 4 2 5 - 2 8 ． [ 2 ] 马索德，张仁旭，赵利斌．浅谈我国硝化纤维素产业 的现状与发展趋势[ J ] ．上海涂料，2 0 0 7 ，4 5 1 0 1 2 1 5 ． 【3 ]白华萍，邓国栋，刘宏英．一种用于硝化纤维素粉碎的 新技术与设备[ J ] ．含能材料，2 0 0 4 ， 2 1 7 - 2 1 ． [ 4 ] 邵自强．硝化纤维素生产工艺及设备[ M ] ．北京北京 理工大学出版社，2 0 0 2 ． [ 5 ] 厉宝．硝化纤维素化学工艺学[ M ] ．北京国防工业出 版社。1 9 8 2 ． S t u d yo nN e wT e c h n o l o g yo fN i t r o c e l l u l o s e N C C u t t i n gP r o c e s s D E N GG u o d o n g ，L I UH o u g y i n g N a t i o n a lS p e c i a lS u p e r f i n eP o w d e rE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t r e0 f N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o h g y J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 J I NY u q h n g S h a n x iP m v m c eN o ．2 4 5C o m p a n y S h a n x iT a i y u a n ，0 3 0 0 2 8 [ A B S T R A C T ] I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fl l i g l le n e r g ye o n s u m p t i o n ，l o we f f i c i e n c y ，s e r i o u s l yp o l l u t i o nd u r i n gt h e p r e s e n tn i t r o c e l l u l o s e N C c u t t i n gp r o c e s s ，t h et w i n - d i s cc u t t i n gm i l lw a su s e df o rn i t r o c e l l u l o s ec u t t i n gt e s t ．T h ep a p e r f o c u s e do nt h ee f f e c t so fc u t t i n gt i m e ，c u t t e rt y p e ，g a pb e t w e e nc u t t e r sa n dN Cc o n c e n t r a t i o no nN Cc u t t i n g ，t oo b t a i nt h e a p p r o p r i a t ec u t t i n gp r o c e s sc o n d i t i o n s ．A n dc o m p a r e dt Ot r a d i t i o n a lt a p e rc u t t i n gm a c h i n e ，t h et e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t C a ns a v ee n e r g y4 5 ％，a n dp r o m o t et h eC h i n e s en i t r o c e l l u l o s ec u t t i n gt e c h n o l o g yl e v e l ． [ K E YW O R D S ] n i t r o c e l l u l o s e N c ，c u t t i n g ，t w i n - 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t i o ni nt h ec o n f i n e ds p a c ei ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e r ． [ K E YW O R D S ] i n p u t g a u g e ，c o n f i n e ds p a c e ，b l a s t i n gv i b r a t i o n ，r e g r e s s i o na n a l y s i s 万方数据