Измельчение материала ударом в ударно-центробежных мельницах

Процессы измельчения являются весьма распространенными и встречаются практически в любой отрасли производственной деятельности. Наиболее широкое применение они находят в горнорудной промышленности при переработке полезных ископаемых, в химической промышленности при производстве минеральных удобрений, красителей и многих других видов продукции, в промышленности строительных материалов при производстве вяжущих материалов (цемента, извести, гипса), при изготовлении керамических, силикатных, бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Широкое применение процессы измельчения нашли также в сельскохозяйственном производстве и пищевой промышленности, например, при изготовлении муки, крупы, комбикормов. А в последнее время процессы измельчения используются для измельчения полимерных отходов.

Глава 1. ТЕОРИЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Интенсивность многих технологических процессов зависит от величины поверхности обрабатываемых твердых материалов; при этом увеличение их поверхности путем уменьшения размеров кусков повышает скорость процесса, а также увеличивает выход и повышает качество конечного продукта.

Процесс уменьшения размеров кусков твердых материалов называется дроблением или измельчением; часто под дроблением понимают уменьшение только крупных кусков. Процесс измельчения мелких кусков называется размолом.

Измельчению подвергаются топливо, сырье (горные породы, руды), полуфабрикаты и готовые продукты.

Измельчение принято называть крупным, если обрабатываются куски с поперечным размером от 1000 до 200 мм, средним и промежуточным — в пределах от 250 до 50 мм, мелким в пределах от 50 до 20 мм и тонким (размолом) — в пределах от 25 до 3 мм и менее. Измельчение бывает сухое или мокрое; в последнем случае к исходному материалу добавляется определенное количество воды.

При дроблении и размоле расходуется много механической энергии, и поэтому важно правильно выбрать способ измельчения.

Отношение поперечника О наиболее крупных кусков до измельчения к поперечнику и наиболее крупных кусков после измельчения называется степенью измельчения:

Общая степень измельчения характеризует суммарный результат измельчения, выполненного в несколько приемов. Степень измельчения кусков за один прием обработки составляет:

Измельчение производят (рис. 1) путем раздавливания (1), удара (II), истирания (III) и раскалывания (IV).

Рис. 1 — Способы измельчения материалов В большинстве случаев происходит комбинированное воздействие измельчающих усилий, например раздавливания с истиранием, удар с раздавливанием и истиранием; иногда к главным усилиям присоединяются побочные-изгибающие и разрывающие.

Способ измельчения выбирают с учетом физических свойств измельчаемого материала, в первую очередь его твердости и характера излома.

Для материалов, отличающихся большой твердостью, более эффективными являются удар и раздавливание, для материалов вязких предпочтительнее истирание, для хрупких-раскалывание.

Одним из наиболее существенных факторов, характеризующих процесс измельчения, является затрата энергии. Затраты эти тем больше, чем большей прочностью обладает данный материал.

Расход энергии.

Существуют две гипотезы определения величины полезной работы в процессах дробления.

Согласно первой гипотезе работа, необходимая для раздробления, пропорциональна поверхности измельченного материала, вновь образовавшейся при дроблении.

Между степенью измельчения, числом плоскостей распада и числом получающихся новых кубиков существует определенная зависимость, а именно при степени измельчения п число плоскостей распада равно 3(п-1), а число кубиков п8; при этом размеры плоскости распада остаются равными площади грани первоначального куба.

Следовательно, суммарная площадь вновь образовавшихся поверхностей раздела куска:

Примем, что для получения 1 см² поверхности материала, вновь образовавшейся при измельчении, удельный расход полезной работы при дроблении будет, А кгс-см/см2. Тогда общий расход полезной работы Т при дроблении куска, имеющего форму куба с ребром О см, определится уравнением При достаточно большой степени измельчения можно принять п-1 п, т. е. считать, что работа, затраченная на измельчение, прямо пропорциональна степени измельчения.

Для применения формулы (5−2) при заданной степени измельчения необходимо знать величину АВ2 т. е. работу, которую надо затратить на распад первоначального куба по одной плоскости. Эта работа зависит от свойств измельчаемого материала и может быть определена только опытным путем. Кроме того, практически приходится измельчать куски неправильной формы, что должно быть учтено введением в формулу некоторого поправочного коэффициента К, который зависит от физических свойств материала и способа измельчения.

Поэтому, согласно приведенной выше гипотезе, работа измельчения кусков неправильной формы:

Пусть длина ребра одного кубика, на которые распадается первоначальный куб, равна й см. Тогда степень измельчения материала п=д. В 1 см³ исходного материала число кубиков с длиной ребра 10 см будет Следовательно, работа, затрачиваемая на измельчение 1 см 8 материала, может быть выражена следующим образом:

Принимая удельный вес материала — у кгс/м3, найдем работу, затрачиваемую на получение 1 кгс измельченного материала:

Для того чтобы пользоваться формулой (5−4), необходимо определить величину, А К опытным путем, т. е. измельчить некоторое количество материала, измерить работу, затраченную на 1 кгс материала, и просеять полученные зерна (й и В-линейные размеры отверстий сит, через которые проходят зерна измельченного и куски исходного материала).

Согласно опытным данным величина коэффициента К=1,2−1,7.

Во второй, более поздней гипотезе работа, необходимая для раздробления, пропорциональна изменению (уменьшению) объема кусков материала и определяется как работа деформации материала при раздавливании (в соответствии с законом Гука):

где а-разрушающее напряжение материала при деформации (раздавливании) в кгс! см%

Д1-разность объемов кусков материала до и после измельчения в см8; Е-модуль упругости материала в кгс/см3.

Формула (5−5) применима для напряжений, не превосходящих предела упругости данного материала; разрушение же материала происходит, очевидно, при напряжении, превосходящем не только предел упругости, но и предел прочности. Поэтому и формула (5−5) не является вполне точной.

По второй гипотезе затрата работы на измельчение прямо пропорциональна объему V тела, и следовательно, для двух измельченных тел верно отношение:

При этом принимается, что скорость деформации в обоих телах одинакова. В действительности же скорость деформации зависит от структуры тела. В твердых телах деформация распространяется быстро, и они разрушаются легче всего при ударном действии силы. Наоборот, в вязких телах деформация распространяется медленно, и для их разрушения целесообразнее применять нарастающее давление или истирающие усилия.

Работа выражается произведением силы на путь, и в данном случае-силы Р кгс ка абсолютную деформацию тела 5 см

Деформация тела по закону Гука прямо пропорциональна линейным размерам, а тела, и, следовательно, для двух тел отношение деформаций равно Таким образом, из второй гипотезы следует, что работа дробления пропорциональна кубам линейных размеров кусков измельченного материала, в то время как согласно первой гипотезе эта работа прямо пропорциональна площадям сечений получаемых кусков.

Ни одна из рассмотренных гипотез полностью не согласуется с практикой. Вторая гипотеза дает результаты, более близкие к действительным при крупном дроблении, а первая при мелком дроблении.

ГЛАВА 2. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ МАТЕРИАЛА УДАРОМ В УДАРНО-ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МЕЛЬНИЦАХ

Для промежуточного измельчения материалов широко применяют ударно-центробежные мельницы (дробилки), в которых измельчение происходит путем ударов и раскалывания. В этих мельницах имеются специальные ударные приспособления (молотки, кулаки, пальцы и др.), которые вращаются с большой скоростью в закрытом корпусе. Ударно-центробежные мельницы применяют для измельчения вязких и хрупких материалов.

Из мельниц этого типа наиболее распространены молотковые и ударно-дисковые мельницы (дезинтеграторы и дисмембраторы).

Молотковые мельницы (дробилки). Эти мельницы применяют для предварительного и окончательного тонкого измельчения материала, влажность которого не превышает 15%.

Корпус 1 мельницы (рис. 2) бронирован чугунными или стальными плитами 2. На горизонтальном валу 5 укреплен стальной диск 4, к которому прикреплено несколько неподвижных или качающихся кулаков (молотков) 3 из твердой стали. Измельченный материал проталкивается через решетку 6, изменяя ширину щелей. Соответствующей установкой ширины щели можно регулировать степень измельчения.

Рис. 2 — Молотковая мельница (дробилка): 1-корпус; 2-броневая плита; 3-кулак (молоток); 4-диск; 5-горизонтальный вал; 6-решетка При более тонком измельчении материал не выгружается из мельницы через решетку, а отсасывается вентилятором, расположенным в большинстве случаев непосредственно на валу мельницы (рис. 3).

Рис. 3 — Молотковая мельница (дробилка) с пневматическим удалением измельченного материала: 1-питатель; 2-мельница; 3-вентилятор

Тонкое измельчение материала в молотковых мельницах происходит не только под действием ударов молотков, но и вследствие трения частиц друг о друга, а также о стенки мельницы под действием потока воздуха, создаваемого кулаками.

Диаметр диска с кулаками в молотковых мельницах достигает 1500 мм, число оборотов колеблется от 500−800 в минуту для крупных до 1000−2500 в минуту для малых молотковых мельниц.

Степень измельчения в молотковых мельницах обычно равна 10−15 при использовании их для' предварительного измельчения и 30−40 при тонком измельчении.

Ударно-дисковые мельницы. В таких мельницах материал измельчается при помощи круглых пальцев, насаженных на быстро вращающиеся диски.

Ударно-дисковая мельница (дезинтегратор) состоит из двух дисков 1 и 2, закрепленных на валах 3 и 4 (рис. 4). Валы приводятся во вращение от трансмиссии через шкивы 5 и 6.

Рис. 4 — Схема устройства ударно-дисковой мельницы: 1, 2-диски; 3, 4-валы; 5. 6-шкивы; 7-ударные пальцы На каждом из дисков расположены по концентрическим окружностям ударные круглые пальцы 7, причем каждый ряд пальцев одного диска входит между двумя рядами пальцев другого с небольшим зазором между ними. Число пальцев в концентрических окружностях 1 увеличивается по направлению от центра к периферии.

Материал подается сбоку вдоль оси дисков, отбрасывается к периферии, подхватывается пальцами другого диска, вращающегося в обрат ную сторону, и снова отбрасывается, при этом материал измельчается, и когда размер его зерен достигает величины меньшей, чем расстояние между пальцами последнего (наружного) ряда, зерна выбрасываются в корпус аппарата и удаляются через разгрузочную воронку.

В мельницах, предназначенных для измельчения вязких материалов, один из валов установлен в подвижных подшипниках; при этом имеется возможность раздвигать диски и очищать внутреннюю полость машины.

Скорость вращения таких мельниц составляет от 1200до 2200 об/мин., производительность их колеблется в пределах 500−18 000 кгс/час.

Основным недостатком описанной выше мельницы является наличие двух вращающихся валов с самостоятельными ременными передачами. Этот недостаток устранен в конструкции ударно-дисковой мельницы (дисмембратор) с одним вращающимся и одним неподвижным диском (рис. 5).

Рис. 5 — Ударно-дисковая мельница (дисмембратор): 1-корпус; 2-неподвижный чугунный диск; 3-вращающийся стальной диск; 4-горизонтальный вал: 5-сито; 6-загрузочная воронка

Число оборотов вращающегося стального диска должно быть в два раза больше, чем число оборотов дисков мельницы, изображенной на рис. 3. Этот диск должен быть весьма точно установлен.

Вследствие большой скорости вращения диска попадание в мельницу твердых предметов может привести к серьезным авариям, поэтому перед загрузочной воронкой устанавливают сита и электромагнитные сепараторы.

Загрузочную воронку соединяют воздухопроводом с разгрузочным пространством мельницы для того, чтобы избежать потерь энергии при засасывании и нагнетании воздуха быстро вращающимися дисками. На воздухопроводе помещают мешочные фильтры для улавливания уносимых воздухом частиц пыли.

Экспериментальные и теоретические исследования, промышленные испытания и внедрения последних лет показывают, что среди новых разработок важное место могут занять процессы и аппараты, в которых используется проточный способ разделения многофазных систем. Под проточным разделением автор понимает гидродинамические процессы движения многофазных потоков в каналах с проницаемыми стенками и с непрерывным отводом через них сплошной фазы. Способ проточного разделения позволяет совершенствовать многие технологические процессы, и может быть использован для обезвоживания и классификации суспензий, очистки газовых потоков от твердых частиц и капельной влаги, при измельчении и классификации твердых материалов и т. д.

Конструкции проточных центробежных сепараторов в последнее время успешно внедряются на многих предприятиях химической промышленности. Проточное измельчение можно широко использовать при тонком измельчении материалов, которое является одним из самых энергоемких процессов. Этот процесс широко применяется в химической и горнорудной промышленностях, при производстве строительных материалов, при помоле зерна и т. д. Мощность привода барабанных шаровых мельниц в производстве цемента достигает 8000 кВт, а КПД их, в тоже время, составляет менее одного процента. Поэтому в последнее время в открытой печати появилось большое количество работ, посвященных проблеме снижения энергозатрат при помоле. В настоящее время, как теоретически, так и экспериментально, доказано, что наименьшие энергозатраты на размол достигаются при ударном нагружении материала. То есть, наиболее предпочтительным для помола твердых материалов является использование измельчителей ударного действия. Следующее направление снижения энергозатрат при помоле заключается в том, что готовый продукт, получаемый в процессе помола, должен непрерывно удаляться из зоны измельчения. На наш взгляд, наиболее эффективно непрерывное удаление готового продукта из зоны измельчения можно осуществить по средствам проточной классификации. При этом мелкие частицы материала непрерывно удаляются, а крупные будут оставаться в зоне помола.

Схема РЦМ с пластинчатым проточным классификатором представлена на рис. 6.

Данная мельница состоит из цилиндрического корпуса 1 и днища 2, к которому по средствам болтов крепится электродвигатель 3. В верхней части корпуса 1 приварен фланец 4, к которому с помощью болтов крепится крышка 5. По центру крышки 5 жестко закреплен патрубок 6 подачи материала в мельницу. На периферии крышки 5 имеется коаксиальный канал, к которому сверху приварен спиралеобразный разгрузочный патрубок 7. Снизу под коаксиальным каналом крышки 5 крепятся отбойные пластины 8 классификатора. Пластины 8 устанавливаются наклонно под углом a1 = 45° к плоскости крышки 5 по ходу вращения рабочего колеса. Внутри корпуса 1 вплотную к цилиндрической обечайке, а также друг к другу, установлены отражательные стержни 9, изготовленные из износостойкой стали. По центру мельницы на вал насажан диск 10 с рабочими лопастями 11.

При работе мельницы электродвигатель 3 приводит во вращение рабочий диск 10 с окружной скоростью по концам лопастей 11 не менее 50 м/с. Подлежащий измельчению материал через питательный патрубок 6 равномерно подается в центральную часть мельницы и попадает на диск 10. За счет центробежной силы материал разбрасывается на периферию. Частицы материала равномерно, очень тонким слоем распределяются по лопастям 11 и, срываясь с них, соударяются с отражательными стержнями 9 и разбиваются.

Через питательный патрубок 6, кроме материала, в мельницу поступает и воздух. В мельнице воздух подхватывается вращающимися лопастями 11 и, приобретя у стенки корпуса 1 вращательное движение, поднимается вверх, подхватывая частицы измельченного материала.

Рис. 6 — Роторно-центробежная мельница с проточным пластинчатым классификатором: 1 — корпус; 2 — днище; 3 — электродвигатель; 4 — фланец; 5 — крышка; 6 — питательный патрубок; 7 — разгрузочный патрубок; 8 — отбойные пластины; 9 — отражательные стержни; 10 — диск; 11 — лопасти; a1 — угол наклона отбойных пластин 8 к плоскости крышки 5 мельницы материал измельчение мельница дробление Далее воздух с частицами измельченного материала поступает в спиралеобразный разгрузочный патрубок 7, а из него в циклон для отделения твердой фазы от воздушного потока. Аэрозольный поток на входе в спиралеобразный патрубок 7 проходит через зазоры между отбойными пластинами 8. Так как поток подходит к коаксиальному каналу по восходящей спирали, то, чтобы пройти вверх между пластинами 8 классификатора, он должен изменить траекторию своего движения. В этом случае крупные частицы недоизмельченного материала, двигаясь по инерции, ударяются в пластины 8 проточного классификатора, отскакивают вниз и попадают под удар лопастей, а мелкие частицы вместе с газовым потоком уносятся в циклон. Таким образом в данной конструкции РЦМ осуществляется непрерывный отвод измельченного материала из зоны помола и возврат крупных частиц на домол.

Несколько иной принцип работы имеет роторно-центробежная мельница с проточным стержневым классификатором, представленная на рис. 7.

Рис. 7 — Роторно-центробежная мельница с проточным стержневым классификатором: 1 — спиралеобразный корпус; 2 — тангенциальным разгрузочным патрубком; 3 — днище; 4 — электродвигатель; 5 — диск; 6 — рабочие лопасти; 7 — вентиляционные лопасти; 8 — кольцо; 9 — фланец; 10 — крышка; 11 — питательный патрубок; 12 — отверстия в днище; 13 — отражательные стержни В данной мельнице процесс помола и классификации происходит одновременно. Внешне конструкция этой мельницы напоминает центробежный вентилятор. РЦМ состоит из спиралеобразного корпуса 1 с тангенциальным разгрузочным патрубком 2. К днищу 3 корпуса 1 по средствам болтов крепится электродвигатель 4. На вал электродвигателя 4 насажан роторный диск 5, к которому сверху приварены рабочие лопатки 6, а снизу вентиляционные лопасти 7 небольшой высоты. Для придания роторному колесу необходимой жесткости, к лопастям 6 вверху приварено кольцо 8. К верхней части корпуса 1 по средствам сварки крепится спиралеобразный фланец 9, к которому болтами прикрепляется крышка 10. По центру крышки 10 жестко закреплен питательный патрубок 11, через который на роторный диска 5 мельницы подается исходный материал. Кроме этого через патрубок 11 в рабочую камеру мельницы нагнетается и воздух. Для подачи в мельницу дополнительного потока воздуха служат отверстия 12, проделанные в ее днище 3. Внутри корпуса по кольцу на небольшом расстоянии от лопастей 6, 7 закреплены отражательные стержни 13 прямоугольного сечение, выполненные из износостойкой стали. Отражательные стержни 13 установлены на определенном расстоянии друг от друга, т. е. между ними образуются щели определенной ширины. При работе мельницы электродвигатель 4 приводит во вращение роторный диск 5 с лопастями 6, 7. Подлежащий измельчению материал через патрубок 11 равномерно подается в центральную часть диска 5. Частицы исходного материала подхватываются рабочими лопастями 6 и, двигаясь вдоль них, разгоняются до высоких скоростей. Срываясь с лопастей 6, частицы ударяются об отражательные стержни 13 и измельчаются.

Таким образом, измельчение исходного материала происходит за счет многократных ударов частиц об отражательные стержни и лопасти мельницы, а также при соударении частиц между собой в кольцевом канале между концами лопастей и отражательными стержнями.

В процессе измельчения мельница одновременно работает и как вентилятор. В мельницу воздух нагнетается как через питательный патрубок 11, так и через отверстия 12 в днище 3. Наличие отверстий 12 и вентиляционных лопастей 7 под роторным диском 5 создает дополнительный поток воздуха, который исключает накопление измельчаемого материала между днищем 3 и диском 5.

При вращении диска 5 с лопастями 6 и 7, воздух вместе с измельчаемым материалом вращается внутри рабочей камеры мельницы. При этом за счет центробежной силы у поверхности отражательных стержней 13 создается зона повышенного давления воздуха. Воздух через щели между стержнями 13 вместе с тонко измельченным материалом проходит в спиралеобразный канал и далее двигаясь по нему через тангенциальный патрубок 2, выходит из мельницы. Отделение тонко измельченного материла из аэрозольного потока осуществляется в циклоне и фильтре (на рис. 2 не показаны).

Так как тангенциальная скорость воздуха и частиц материала внутри рабочей камеры у поверхности стержней значительно выше, нежели их радиальная скорость в щелях, то, естественно, что радиальный поток воздуха будет подхватывать только тонкодисперсные частички материала, размер которых намного меньше размера самих щелей. Следовательно, при таких условиях исключается забивка щелей. Изменяя зазор между отражательными стержнями мельницы, можно достигать любой степени измельчения готового продукта.

Представленные выше конструкции роторно-центробежных мельниц с проточной классификацией прошли всесторонние промышленные испытания при помоле извести, мела, гипсового камня, зерна и показали высокое качество измельчения продукта при низком расходе электроэнергии. Так как при измельчении извести тонина помола значительно превышала требования ГОСТа, а расход электроэнергии был снижен почти в 10 раз, по сравнению с помол в барабанной шаровой мельнице, то данные РЦМ можно рекомендовать к применению в соответствующей отрасли промышленности. Кроме того, роторно-центробежная мельница, представленная на рис. 2, может найти широкое применение при мокром помоле различных материалов, например, при роспуске глины, при помоле с одновременным растворением минеральных удобрений. Последнее направление является довольно перспективным так, как в последние годы появилось много сообщений о повышении урожайности зерновых культур и значительном снижении затрат при внесении в почву минеральных удобрений в виде растворов или тонкодисперсных устойчивых суспензий.

ГЛАВА 3. АГРЕГАТЫ РОТОРНО-ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В настоящее время разработаны роторно-центробежные агрегаты для утилизации отходов, в частности хвостов и некондиционных фракций перлитового и вермикулитового производств, гидролизного лигнина, боя керамического кирпича и стекла.

Одна из конструкций (рис. 8) представляет собой дезинтегратор с получением на выходе готового продукта — композиционной смеси. Дезинтегратор предназначен для тонкого и сверхтонкого измельчения (удельная поверхность до 500−800 м2/кг) материалов малой и средней прочности с последующим их перемешиванием в торообразных камерах.

Рис. 8 — Дезинтегратор, обеспечивающий получение на выходе готового продукта: а — опытно-промышленный образец; б — модель со сдвоенной камерой гомогенизации: 1 — загрузка компонентов; 2 — блок измельчения материалов; 3 — внутренняя сепарация дисперсных материалов; 4 — ввод дисперсных систем в верхнюю камеру микрогрануляции; 5 — трубопроводная система дисперсной смеси; 6 — пневмогомогенизация; 7 — ввод дисперсных добавок; 8 — выгрузка готового продукта Предложенное техническое решение (см. рис. 8а) защищено патентом РФ на изобретение № 2 168 361, на конструкцию дезинтегратора (см. рис. 1б) получено положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение (заявка № 2 008 118 079 от 29.07.09 г.).

С помощью дезинтегратора из отсева вспученного перлита и вермикулита получены огнезащитные материалы для металлоконструкций и блочных изделий (рис. 9).

Рис. 9 — Образцы огнезащитных покрытий, полученные в результате термообработки порошков, измельченных в дезинтеграторе: а — тонкодисперсного перлита и натрий-силикатного стекла; б — вермикулита и натрий-силикатного стекла Получены положительные результаты при исследовании гидродинамической активации суспензий в данном агрегате с использованием кавитационных процессов. Дезинтегратор внедрен на предприятии по производству теплоизоляционных материалов из ТБО с применением механоактивированных вяжущих веществ.

На базе предложенных разработок создан технологический модуль (рис. 10), который позволяет производить ликвидные продукты, в том числе:

— дисперсные порошки различного назначения из отходов керамической и стекольной промышленности;

— механоактивированные смеси с наполнителями из отходов перлитового и вермикулитового производств;

— пигменты для лакокрасочной промышленности из хвостов рудного производства.

Рис. 10 — Технологический модуль для тонкого и сверхтонкого измельчения отходов: 1 — узел загрузки материалов для измельчения, активации или гомогенизации в воздушном потоке; 2 — аспирационно-классифицирующая система; 3 — дезинтегратор; 4 — камера микрогранулирования дисперсного продукта; 5 — камера пневмогомогенизации дисперсных систем; 6 — система трубопроводов; 7 — привод агрегата; 8 — рама Для получения ультрадисперсных сепарированных порошков из отходов металлургической, химической промышленности, а также строительной индустрии нами разработана роторно-акустическая мельница (РАМ) комбинированного действия (рис. 11).

Рис. 11 — Оборудование с использованием рам для сверхтонкой дезинтеграции и сепарации материалов: 1 — блок измельчения (РАМ); 2 — блок грубой очистки (инерционный пылеуловитель); 3 — нагнетающий вентилятор; 4 — блок полной очистки (рукавные фильтры); 5 — трубопровод РАМ позволяет осуществлять следующие операции:

— тонко диспергировать прочные горные породы (гранит, мраморную крошку, металлургические шлаки);

— сверхтонко измельчать материалы малой и средней прочности (от мела, талька, антрацита до кварцитопесчаника и кварца);

— пневмогомогенизировать дисперсные материалы при их измельчении в воздушно-материальных потоках;

— с помощью 3-ступенчатой очистки запьгленного воздуха классифицировать готовый продукт на три и более фракции.

Получены положительные результаты при исследованиях процесса измельчения в РАМ мелкокусковых отходов керамзитобетонного производства, различных типов кварцевых пород (удельная поверхность до 600−800 м2/кг), стекольного и керамического боя.

Рассмотренное выше оборудование используется в составе технологического комплекса для производства композиционных смесей на ООО «Рецикл» (Белгород).

Предложенные разработки можно применять в разных областях (рис. 5), в том числе:

— для производства сухих строительных смесей и лакокрасочных материалов, высокоактивированных пластифицирующих добавок для получения пенобетонов и теплоизоляционных материалов;

— повторной активации материалов, потерявших свои вяжущие свойства;

— производства высокодисперсных огнезащитных и декоративных покрытий.

Рис. 12 — Области использования роторно-центробежных мельниц

Глава 4. ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ РОТОРНО-ЦЕНТРОБЕЖНАЯ МЕЛЬНИЦА ДЛЯ ТОНКОГО ПОМОЛА СЫПУЧИХ И КУСКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Процесс тонкого измельчения является весьма энергоемким, т. е. требует больших энергетических затрат и сопряжен с безвозвратной потерей металла из-за износа рабочих элементов измельчителей. Так, в ряде работ отмечается, что в настоящее время на измельчение затрачивается около 5, 10% производимой в мире электроэнергии и несколько миллионов тонн высококачественной стали. В той же горнорудной промышленности на измельчение расходуется около 40% от всей используемой энергии, в комбикормовой до 70%, в мукомольной около 50%. Мощность привода шаровых барабанных мельниц в горнорудной промышленности и цементном производстве достигает 8000 кВт.

Большие энергетические затраты объясняются не только большими объемами перерабатываемых материалов, но и тем, что используемые машины для измельчения (особенно для помола) отличаются чрезвычайно низкой эффективностью и КПД их составляет в лучшем случае несколько процентов. Поэтому многие исследователи в настоящее время занимаются разработкой новых эффективных машин для измельчения материалов. Все более широкое применение находят среднеходные мельницы, у которых расход электроэнергии на единицу измельчаемого материала ниже почти в два раза по сравнению с барабанными мельницами. Более эффективными и перспективными машинами для измельчения различных материалов являются центробежно-ударные мельницы.

Однако, несмотря на это, современные измельчители ударного действияимеют целый ряд недостатков, которые значительно снижают эффективность их работы. Наряду с высоким износом рабочих элементов (молотков, бил, отбойных плит и т. д.) в данных измельчителях большая часть подводимой энергии расходуется на измельчение материала именно за счет истирания, а не удара, что приводит к излишнему росту удельных энергозатрат на тонну готового продукта. Так, например, по данным С. П. Джинджихадзе, в молотковой дробилке при скорости вращения молотков 110 м/с на измельчение зерна ударом расходуется только 16,9% от всей подводимой энергии, а на измельчение истиранием 83,1%. Одним из путей решения данной проблемы является обеспечение непрерывного и высокоэффективного удаления из зоны измельчения частиц, достигших требуемой тонины помола. В этом случае значительно меньше частиц материала будет подвергаться безрезультатному нагружению, что в конечном итоге обеспечит снижение энергозатрат на трение частиц между собой и исключит их переизмельчение.

Принимая во внимание все вышесказанное, в Белорусском государственном технологическом университете на кафедре МиАХиСП автором данного доклада было разработано несколько принципиально новых роторно-центробежных мельниц для тонкого помола сыпучих материалов, схема одной из конструкций которых представлена на рис. 13. Она состоит из цилиндрического корпуса 1, нижняя часть которого жестко соединена с бункером 2. В нижней плите 3 корпуса 1 с помощью болтов крепится электродвигатель 4, вертикальный вал которого проходит внутри рабочей камеры мельницы. Внутри корпуса 1, на валу электродвигателя 4, с помощью ступицы установлен ротор, состоящий их диска 5 и радиальных рабочих лопастей 6. Конструкция ротора сварная. Сверху к корпусу 1 приварен фланец 13, к которому при помощи болтов крепится крышка 7 с питательным патрубком 8. Внутри корпуса 1, вдоль цилиндрической обечайки, по окружности жестко закреплены отражательные стерни 9, изготовленные из износостойкой стали. В зависимости от требуемой тонины помола стержни 9 устанавливаются друг от друга на расстоянии d = 1,5 мм. К наружной поверхности плиты 3 снизу приварена внутренняя цилиндрическая обечайка 12, жестко соединенная с бункером 2. Таким образом, цилиндрическая обечайка корпуса 1 и внутренняя обечайка 12 образуют кольцевой канал, по которому осуществляется выгрузка из рабочей камеры мельницы в приемный бункер 2 тонкого измельченного материала. Бункер 2 имеет коническую форму и заканчивается внизу патрубком с затвором 11 для выгрузки готового продукта. Для удаления воздуха из приемного бункера 2 в верхней его части имеется специальный патрубок 10, к которому подсоединяется фильтр.

Рис. 13 — Схема роторно-центробежной мельницы с инерционно-гравитационной выгрузкой готового продукта: 1 — корпус; 2 — приемный бункер; 3 — нижняя плита; 4 — электродвигатель; 5 — диск; 6 — лопасти; 7 — крышка; 8 — питательный патрубок; 9 — отражательные стержни; 10 — патрубок удаления воздуха; 11 — патрубок выгрузки готового продукта; 12 — внутренняя цилиндрическая обечайка; 13 — фланец При работе мельницы электродвигатель 4 приводит во вращение роторный диск 5 с окружной скоростью по концам лопастей 6 не менее 50 м/с. Подлежащий измельчению материал через питательный патрубок 8 равномерно подается в центральную часть мельницы на роторный диск 5. Далее радиальные лопасти 6 отбрасывают материал на периферию, где он измельчается при ударе об отражательные стержни 9. В процессе измельчения мельница одновременно работает и как вентилятор. В рабочую камеру воздух нагнетается за счет вращения ротора через питательный патрубок 8. Крупные частицы материала после удара об отражательные стержни 9 отскакивают назад и попадают под удар вращающихся лопастей 6, где и доизмельчаются. Более мелкие же частицы подхватываются воздушным потоком и начинают вращаться внутри рабочей камеры вдоль стержней 9, многократно ударяясь о них. Таким образом, измельчение происходит как при ударе рабочих лопастей 6 о частицы материал, так и при ударе частиц об отражательные стержни 9. За счет центробежной силы у поверхности стержней 9 создается зона повышенного давления воздуха. Это способствует тому, что воздух вместе с частицами тонкодисперсного материала беспрепятственно проходит через щели между стержнями 9 в кольцевой канал и далее, двигаясь вниз, поступает в приемный бункер 2. Измельченный материал осаждается в бункере 2, а запыленный воздушный поток через патрубок 10 поступает в фильтр на очистку.

Ввиду того, что тангенциальная скорость воздуха и измельченных частиц материала внутри рабочей камеры у поверхности отражательных стерней 9 значительно выше, чем их радиальная скорость в щелях, то естественно, что радиальный поток воздуха будет подхватывать только тонкодисперсные частички материала, размер которых намного меньше размера самих щелей. Следовательно, при таких условиях, исключается забивка щелей между отражательными стержнями 9 и наряду с высокой степенью измельчения, будет обеспечиваться непрерывное удаление из рабочей камеры Р-ЦМ частиц материала, достигших требуемой тонины помола.

С целью промышленного внедрения нами был изготовлен экспериментальный полупромышленный образец данной конструкции Р-ЦМ с диаметром рабочего диска по концам лопастей 0,4 м. Привод рабочего диска мельницы осуществлялся посредствам электродвигателя на 7,5 кВт через ступицу, шкивы и клиноременную передачу, что позволяло изменять число оборотов ротора от 20 до 80 м/с. На диске в ходе исследований изменялось число рабочих лопастей от 4 до 14, а также их высота. Отражательные стержни использовались круглого и квадратного сечения. В качестве материала для исследований применялись гранулы извести после печи, работающей по мокрому способу производства, гипсовый камень, мел, а также зерно пшеницы. Материал на измельчение подавался в мельницу из бункера шнековым питателем. Изменение подачи материала осуществлялось за счет варьирования числа оборотов шнекового питателя. Измерение расхода электроэнергии на привод электродвигателя мельницы осуществлялось ваттметром.

Основными технико-экономическими показателями работы всех без исключения дробильно-помольных машин является степень измельчения и удельный расход энергии на измельчение единицы объема (массы) готовой продукции. При этом немаловажное значение играет влияние различных конструктивных и технологических параметров измельчителя на энергоемкость и качество помола в нем различных материалов. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований выше представленной конструкции Р-ЦМ изложены в работах.

Принимая во внимание необходимость и большую значимость промышленных испытаний любого нового измельчителя, автором доклада были реализованы внедрение и серийный выпуск данной конструкции Р-ЦМ на НПП «АГРОНОМИЯ» для помола антикоррозионного фосфатного пигмента и на НПП «АГРОМЕЛ» для помола фуражного зерна в г. Минске. В ходе промышленных испытаний Р-ЦМ были получены следующие результаты:

новая конструкция Р-ЦМ обеспечивает высокую эффективность помола антикоррозионного фосфатного пигмента с остатком на сите № 0063 не более 1,5−1,0%, что полностью отвечает технологическим требованиям по производству данного продукта;

промышленные испытания Р-ЦМ при помоле фуражного зерна показали, что 75−80% готового продукта соответствует по размеру муке высшего сорта, что в свою очередь обеспечивает его наилучшее усвоение сельскохозяйственными животными и некоторое снижение расхода зерна на производство комбикормов;

внедрение данной конструкции Р-ЦМ в производстве комбикормов вместо применяемых в настоящее время молотковых дробилок может обеспечить снижение удельных энергозатрат на 1 т готового продукта как минимум на 30%.

Кроме этого автором было подсчитано, что использование данного измельчителя в производстве извести вместо применяемой в настоящее время барабанной шаровой мельницы даст возможность снизить расход электроэнергии на помол более чем в 10 раз, а качество измельчения извести при этом изменится к лучшему как минимум на 15−20%.

Проведенные автором теоретические и экспериментальные исследования Р-ЦМ с инерционно-гравитационной выгрузкой готового продукта, а также опыт ее внедрения на производстве, позволили определить основные достоинства данной мельницы по сравнению с современными измельчителями центробежно-ударного действия: простота конструкции; компактность и малогабаритность; низкая энергоемкость и металлоемкость; высокая производительность и степень измельчения; низкий уровень капитальных затрат; быстрозаменяемость и высокий коэффициент использования материала отражательных стержней.

Таким образом, можно отметить, что разработанная конструкция Р-ЦМ с инерционно-гравитационной выгрузкой готового продукта является работоспособной и может обеспечить высококачественный помол материалов низкой и средней прочности при оптимальном размере зазора d = 1−2 мм и при более низком по сравнению с существующими измельчителями подобного действия расходе электроэнергии.

1. Сиденко П. М. Измельчение в химической промышленности. М., 1977.

2. Кошелев А. Н., Глебов Л. А. Производство комбикормов и кормовых смесей. М., 1986.

3. Серго Е. Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М., 1985.

4. Гийо Роже. Проблема измельчения материалов и ее развитие. М., 1964.

5. Тр. Европейского совещания по измельчению: Сб. ст./Сост. А. В. Подкоцкий. М., 1966.

6. Акуноа В. И. //Цемент. 1986. № 7. С. 13−15.

7. Летин Л. А., Родатис К. Ф. Среднеходные и тихоходные мельницы. М., 1981.

8. Опыт применения центробежно-ударных измельчителей: Обзор. информ. Центр. науч.-исслед. ин-т информ. и техн.-эконом. исслед. черной металлургии. М., 1991.

9. Пугин К. Г. Определение параметров и производительности роторных мельниц интенсифицирующего действия: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1994.

10. Джинджихадзе С. П. Исследование энергоемкости процесса дробления фуражного зерна в молотковых дробилках: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тбилиси, 1965.

11. Повх И. Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. М.; Л., 1974.

12. Осокин В. П. Молотковые мельницы. М., 1980.

13. Гарабажиу А. А., Левданский А. Э. Аэродинамика движения частиц измельчаемого материала в рабочей камере роторно-центробежной мельницы // Труды БГТУ. Сер. III, Химия и хим. технол. 1999. Вып. VII. С. 15−27.

14. Гарабажиу А. А., Левданский А. Э. Методика расчета скорости движения газового потока в рабочей камере роторно-центробежной мельницы // Труды БГТУ. Сер. III, Химия и хим. технол. 1999. Вып. VII. С. 28−38.

15. Гарабажиу А. А., Левданский А. Э. Разработка и исследование вихревой мельницы с непрерывной проточной классификацией готового продукта // Труды БГТУ. Сер. III, Химия и технол. неорган. в-в. 2000. Вып. VIII. С. 292−305.

16. Гарабажиу А. А., Левданский Э. И., Левданский А. Э. Энергосберегающая роторно-центробежная мельница для тонкого помола сыпучих и кусковых материалов // Известия НАН Беларуси. Серю физ.-техн. наук. 2000. № 2. С. 125−131.

17. Гарабажиу А. А. Энергосберегающая роторно-центробежная мельница для тонкого помола сыпучих и кусковых материалов //Архитектурно-строительное материаловедение на рубеже веков: Материалы докладов Международной интернет-конференции, 20 окт. 2002 г. / Минист. образ. РФ. БелГТАСМ. — Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2002. С. 26, 32.