Криогенное измельчение материалов в промышленности¶

Криогенное измельчение материалов — технологический процесс тонкого и сверхтонкого помола, при котором материал перед разрушением и в ходе него охлаждается до температур ниже температуры хрупкости, обычно с применением жидкого азота (около −196 °C). Охлаждение переводит полимеры, эластомеры, некоторые металлы и пищевые продукты из пластичного состояния в хрупкое, что позволяет эффективно измельчать их ударными и истирающими нагрузками без плавления, замазывания рабочих органов и деградации продукта.

¶Физические основы

Большинство материалов при обычной температуре проявляют пластичность: под ударом они деформируются, а не разрушаются. Ниже температуры хрупкости (температуры стеклования для полимеров) материал теряет способность к пластической деформации и раскалывается хрупко. Криогенная среда одновременно отводит тепло, выделяющееся при разрушении, что предотвращает локальный перегрев, слипание частиц и термодеструкцию. Дополнительный эффект — охрупчивание волокнистых и вязких компонентов, которые иначе наматываются на ротор.

¶Технология и оборудование

Типовая линия включает:

• систему подачи и дозирования сырья;
• камеру предварительного охлаждения (туннель или шнековый конвейер с азотом);
• мельницу — молотковую, ножевую, роторную, дисковую или струйную;
• систему рециркуляции и улавливания паров азота;
• классификатор для отбора частиц нужного размера.

Расход жидкого азота зависит от теплоёмкости и начальной температуры материала и обычно составляет от 0,3 до 1,5 кг на 1 кг продукта. Для снижения затрат применяют предварительное механическое дробление, рекуперацию холодных паров и двухступенчатое охлаждение.

¶Применение

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам относят высокую степень измельчения, узкий гранулометрический состав, сохранение свойств термочувствительных материалов, взрывобезопасность при помоле горючих порошков (инертная азотная среда) и возможность перерабатывать отходы, плохо поддающиеся обычному помолу.

Основные ограничения — высокая стоимость хладагента и энергии, необходимость вентиляции и контроля содержания кислорода, повышенные требования к материалам рабочих органов (хрупкость при низких температурах), а также сложность масштабирования линий.

¶История и развитие

Метод начал применяться в промышленных масштабах во второй половине XX века, первоначально в резиновой и пищевой отраслях, затем распространился на переработку пластмасс и металлургию. Современное развитие связано с оптимизацией расхода азота, применением замкнутых контуров охлаждения, комбинированных механо-криогенных схем и автоматизированного управления гранулометрией. Отдельное направление — криогенное измельчение в сочетании с механохимической активацией для получения нанопорошков и композитов.