Лекция № 4 «Тонкое измельчение» Введение В лекции детально рассматриваются конструкционные особенности различных типов машин для тонкого измельчения материалов: барабанные и кольцевые мельницы, мельницы сверхтонкого измельчения. Дается их сравнительная характеристика. В барабанных и кольцевых мельницах, широко применяемых для тонкого измельчения, материал с кусками и размером 10–2 мм измельчается до размера наибольших его частиц 2– 0,075 мм под одновременным действием раздавливающих, ударных и истирающих усилий. Сверхтонкое измельчение производят в вибрационных, струйных и коллоидных мельницах, в которых частицы материала измельчаются приблизительно от 10–0,075 мм до 0,075–0,0001 мм. Учебный вопрос № 1. Барабанные мельницы Барабанные мельницы – это машины, в которых материал измельчается внутри вращающегося корпуса (барабана) под воздействием мелющих тел. Достигаемая в них степень измельчения материала равна i= 40–50. Мелющими телами служат металлические или керамические шары, стальные стержни, природная окатанная галька. В зависимости от вида этих тел различают шаровые, стержневые, галечные мельницы. При вращении барабана мелющие тела увлекаются под действием центробежной силы и силы трения о поверхность стенок на определенную высоту, а затем свободно падают и измельчают материал ударом, раздавливанием и истиранием. Помимо этого материал измельчается между мелющими телами, а также между телами и внутренней поверхностью мельницы. В зависимости от формы барабана и отношения его длины L к диаметру D различают короткие (L/D = 1,5–2), трубные (L/D = 3–6) и цилиндро-конические мельницы (барабан имеет форму двух усеченных конусов, широкие основания которых соединены цилиндрической частью). В коротких мельницах велико перемешивание измельчаемого твердого материала и ниже однородность помола. Барабанные мельницы с коротким барабаном часто работают по замкнутому циклу совместно с классификатором, отделяющим недоизмельченный продукт после выхода из мельницы и возвращающим его на повторное измельчение. В трубных шаровых мельницах полное измельчение достигается вследствие большого времени пребывания материала в длинном барабане. При этом отпадает необходимость в классификаторе (работа в открытом цикле). В длинных трубчатых мельницах получается высокая однородность измельченного материала по размерам. Трубчатые мельницы разделяют по длине перфорированными поперечными перегородками на несколько рабочих зон. Создание многокамерных мельниц объясняется стремлением привести размер мелющих тел в соответствие с крупностью измельчаемого материала. Поскольку крупность материала уменьшается по мере по мере его движения к выходу, то размер элементов дробящей насадки также снижается от зоны к зоне. Такое устройство барабана способствует уменьшению расхода энергии на измельчение. Барабанная шаровая мельница (рис. 4.1) состоит из горизонтального цилиндрического корпуса (барабана) 1, закрытого торцовыми крышками 2 и 3 с пустотелыми цапфами, установленными в подшипниках 4. Мельница приводится во вращение через зубчатый венец 5 от шестерни приводного вала. Барабан и крышки мельницы футерованы защитными плитами 6 из марганцовистой стали, поверхность которых для уменьшения проскальзывания мелющих тел часто выполняется волнообразной и ступенчатой. Материал в мельницу подается питателем через загрузочную цапфу 7. Измельченный материал удаляется через разгрузочную цапфу 8 на другом конце аппарата. Измельчение в барабанных мельницах проводится как мокрым, так и сухим способом. При сухом измельчении материал движется вдоль оси барабана за счет перепада уровней загрузки и разгрузки и разгружается через цапфу 8 под действием собственного веса или выводится воздушным потоком, возникающим при отсасывании воздуха из барабана вентилятором. Рис. 4.1. Шаровая диафрагмовая мельница: 1– корпус; 2, 3 – торцовые крышки; 4 – подшипник; 5 – зубчатый венец; 6 – плиты; 7 – загрузочная цапфа; 8 – разгрузочная цапфа; 9 - диафрагма; 10 – лифтеры; 11 – шары При мокром измельчении суспензия сливается через разгрузочную цапфу. По способу разгрузки продукта различают мельницы с разгрузкой через решетку, из которых продукт выходит через решетчатую диафрагму 9 у разгрузочного конца, и с центральной разгрузкой через полую цапфу (без решетки). В мельницах первого типа разгрузочная решетка 9 снабжена радиальными ребрами (лифтерами) 10, принудительно разгружающими измельченный продукт. Поэтому в таких мельницах уровень суспензии может быть ниже, чем в мельницах с центральной разгрузкой. Благодаря этому удары мелющих тел меньше смягчаются суспензией и эффективность измельчения повышается. Уровень суспензии в мельнице можно регулировать, перекрывая часть отверстий диафрагмы. При разгрузке через решетку удельная производительность мельницы увеличивается на 15–30 %, но продукт измельчения получается равномерным по крупности. Недостатками таких мельниц являются возможность забивания отверстий решетки изношенными мелющими телами, уменьшение рабочего объема и увеличение массы машины (за счет диафрагмы и лифтеров). Барабанные стержневые мельницы отличаются от шаровых тем, что заполняются стальными стержнями диаметром 40–100 мм, длина которых короче барабана примерно на 50 мм. Их также используют для сухого и мокрого помола. При падении шаров в мельницах происходят точечные удары, а при падении стержней удар распределяется по линии и разрушает только крупные куски, благодаря чему не происходит переизмельчения материала. Поэтому стержневые мельницы дают более равномерный продукт измельчения, чем шаровые. Барабанные мельницы обладают высокой надежностью, безопасностью и простотой обслуживания. Недостатками являются громоздкость и загрязнение продукта вследствие износа мельчающих тел. Учебный вопрос № 2. Расчет барабанной шаровой мельницы Расход энергии на тонкое измельчение весьма значителен и зависит от скорости вращения барабана и массы мелющих тел. Мелющими телами шаровых мельниц являются стальные шары диаметром от 15 до 175 мм. Степень заполнения барабана стальными шарами обычно составляет φ = 0,25–0,4. При вращении барабана разрушающее воздействие дробящей шаровой насадки на измельчаемый материал происходит благодаря взаимному перемещению ее элементов (шаров). Условно можно выделить четыре основных режима движения насадки во вращающемся барабане. При малых скоростях (частотах п) вращения барабана элементы насадки образуют связный сегмент, перемещающийся за счет сил трения как одно целое. Поскольку взаимное расположение элементов насадки в пределах связного сегмента не изменяется, то их действие на измельчаемый материал сведено к минимуму. При более высокой частоте вращения барабана нарушается связность сегмента, и элементы насадки получают возможность взаимного перемещения. Поднявшись в верхние зоны сегмента, шары скатываются параллельными слоями вдоль его наклонной плоскости и измельчают твердый материал путем истирания и раздавливания. При дальнейшем увеличении частоты вращения барабана шары поднимаются более высоко и под действием силы тяжести отрываются от поверхности барабана. При падении они измельчают материал путем удара. Наконец, при чрезмерно высоких значениях п шары будут двигаться вместе с вращающимся барабаном без отрыва от внутренней его стенки. Измельчающее действие элементов шаровой насадки в таком режиме опять сводится к минимуму. Определим предельную величину числа оборотов барабана мельницы. На шар (рис. 4.2), поднимающийся по стенке вследствие трения, действуют центробежная сила Р = тω2R и сила тяжести G = mg, где т – масса шара, кг; R – радиус вращения, м; ω – угловая скорость вращения, рад; g – ускорение силы тяжести, м2/с. При этом допускается, что скорости движения шара и барабана равны, а радиус вращения шара равен внутреннему радиусу барабана. На рис. 4.2 шар изображен в момент его наибольшего подъема по стенке барабана, после чего он должен оторваться от нее и свободно падать как Рис. 4.2. К расчету барабанной тело, брошенное со скоростью, равной скорости шаровой мельницы барабана под углом α к горизонту. В момент отрыва шара от поверхности барабана силы, способствующие и препятствующие этому отрыву, уравниваются. Угол подъема шара α, соответствующий данному моменту, определяется из проекции сил на вертикальную ось Pcosα = mg, откуда cosα = mg / Р = =mg / (тω2R) = g / (ω2R). Подставив значение угловой скорости ω = 2πn/60, получим cosα ≈ 900/(п2R) ≈ 1800 / (п2D), где D – внутренний диаметр барабана, м; п – число оборотов барабана, об/мин. Предельное значение числа оборотов барабана, при котором шар не сумеет оторваться от стенки, достигнув самой высокой точки А, для которой α = 0 и cosα = 1 определим из соотношения 1 = 1800 / (пкр2D), откуда пкр 1800 / D 42,4 / D . (4.1) Наибольшему ударному воздействию отвечает оптимальная частота вращения барабана, принимаемая равной 75 % критического числа оборотов п 32 / D. (4.2) Для эффективной работы шаровых мельниц необходимо соблюдать правильное соотношение между величиной шаров и кусков загружаемого в мельницу материала. При выборе размера шаров используются различные эмпирические рекомендации, базирующиеся на различных подходах. Первый подход, ориентированный на ударное воздействие шаровой насадки, базируется на отношении диаметров шара и барабана: dш /D = 1/20...1/30. Другой подход ориентирован на истирание и потому исходит из наибольшего начального размера кусков твердого материала: d ш,max (25...30)3 d н,max , где dш,max – максимальный диаметр шаров; dн,max – максимальный размер кусков исходного измельчаемого материала. Масса шаров должна быть достаточной для того, чтобы они могли измельчать наибольшие куски загружаемого материала. Если в измельчаемом материале много больших кусков, которые не размалываются, то они будут постепенно накапливаться между шарами и приостановят работу мельницы. Мелкие шары не разрушают крупных кусков, а при загрузке очень большими шарами уменьшается число ударов по материалу и снижается производительность мельницы. Поэтому целесообразно применять возможно более мелкие шары, не допуская однако уменьшения диаметра шара ниже определенной величины. Поскольку шары падают с разной высоты, весьма трудно выполнить точный расчет производимой ими работы. Наименьший диаметр шара определяется из условия равенства энергии, необходимой для разрушения кусков размером dн,max, и кинетической энергии шара d ш, min 3 2 18 σ сж d н,max , ρ ш π Ewш2 (4.3) где ρш – плотность материала шара, кг/м3; σсж – предел прочности при сжатии, Па; Е – модуль упругости, Па; wш – скорость падения шара, м/с. Производительность мельницы зависит от многочисленных факторов: свойств материала, его крупности, степени измельчения, массы шаровой загрузки, размеров барабана и т. д. Поэтому производительность проектируемых мельниц может быть определена только опытным путем. Ориентировочно производительность шаровой мельницы определяется по формуле G = K∙V ∙D 0,6, (4.4) где К – коэффициент пропорциональности, принимаемый на основании практических данных. Учебный вопрос № 3. Кольцевые мельницы Измельчение в кольцевых мельницах происходит путем раздавливания и истирания материала роликами или шарами на поверхности неподвижного или вращающегося кольца (вкладыша). Рис. 4.3. Схема кольцевой ролико-маятниковой мельницы: 1– кольцо; 2 – ролик; 3 – крестовина; 4 – вал; 5 – питатель; 6 – газовый коллектор Рис. 4.4. Схема шаровой кольцевой мельницы: 1– шары; 2 – подвижное кольцо; 3 – неподвижное кольцо; 4 – пружины В ролико-маятниковой мельнице (рис. 4.3) ролики 2 свободно насажены на маятниках, которые вращаются на общей крестовине 3, закрепленной на вертикальном валу 4. При вращении вала ролики центробежной силой прижимаются к поверхности неподвижного кольца и, вращаясь вокруг своей оси, измельчают материал, подаваемый в мельницу питателем 5. Измельченный материал струей воздуха, поступающей из коллектора 6, уносится в воздушный сепаратор. Грубая фракция из сепаратора возвращается в мельницу на доизмельчение, а тонкая (готовый продукт) улавливается в циклонах. В шаровой кольцевой мельнице (рис. 4.4) материал измельчается между шарами 1 и вращающимся кольцом 2, к поверхности которого шары прижимаются при помощи неподвижного кольца 3 нажатием пружин 4. Пылеразделение и улавливаниие готового продукта осуществляется в замкнутом цикле, аналогичном для ролико-маятниковых мельниц. Кольцевые мельницы используют для тонкого измельчения материалов малой твердости, для которых, вследствие налипания материала на шары, не могут быть использованы барабанные мельницы. Учебный вопрос № 4. Мельницы для сверхтонкого измельчения Наиболее эффективно и с наименьшими затратами энергии сверхтонкое измельчение осуществляется посредством вибрационного воздействия на материал весьма частых, но сравнительно слабых ударов по его зернам. Часто повторяющиеся, но относительно слабые воздействия на измельчаемый материал могут быть получены в мельницах с минимальной массой мелющих тел или без них. Вибрационная мельница представляет обой цилиндрический корпус, загруженный на 80 % своего объема мелющими телами (шарами). Корпус приводится в колебательное движение валом, снабженным дебалансом (в мельницах инерционного типа), или эксцентриковым валом (в гирационных мельницах). Под действием сложного движения мелющих тел, которые соударяются, вращаются и скользят, происходит интенсивное измельчение материала истиранием. Быстрый износ мелющих тел и тяжелые условия работы являются недостатками работы вибрационных мельниц. При вибрационном измельчении значительная часть энергии превращается в тепло, что приводит к сильному повышению температуры внутри мельницы. Поэтому вибрационные мельницы не применимы для измельчения материалов с низкими температурами размягчения и плавления. В струйных мельницах энергия, необходимая для измельчения материала, сообщается струей энергоносителя (воздуха или перегретого пара), подаваемой из сопел со звуковыми и сверхзвукомыми скоростями. Для сверхтонкого измельчения применяются струйные мельницы с плоской и трубчатой помольными камерами. В мельнице с плоской горизонтальной камерой (рис. 4.5) сжатый воздух или перегретый пар из распределительного коллектора 1 через сопла 2 отдельными струями поступает в помольную камеру 3. Оси сопел расположены под углом α относительно стенки камеры на равных расстояниях, вследствие чего струи газа пересекаются. Частицы материала, подаваемого инжектором 4, увлекаются струями газа, направляясь от периферии к центру камеры, и измельчаются под действием многократных соударений в точках пересечения струй. Измельчившись до определенного размера, частицы испытывают все меньшее воздействие центробежной силы во вращающемся потоке и попадают в кольцевую щель между трубами 5 и 6 и удаляются в приемник 7. Мельница с вертикальной трубной камерой (рис. 4.6) представляет собой замкнутый контур 1, в нижнюю часть которого через систему сопел 2 поступает энергоноситель. Сопла устанавливают таким образом, чтобы каждая пара струй пересекалась в вертикальной плоскости на некотором расстоянии от противоположно стенки трубы. Материал измельчается при многократных соударениях частиц в точках пересечения струй и в общем вихревом потоке. Разделение измельченного материала по крупности частиц происходит в поле центробежных сил при поворотах потока в коленах 4 и 5 трубы. Крупные частицы отбрасываются к внешней стенке правой трубы и вновь попадают в зону измельчения. Мелкие частицы, движущиеся у внутренней стенки трубы, выходят вместе с газовым потоком через жалюзи 6 инерционного пылеразделителя в выхлопную трубу 7 и далее в систему улавливания. По сравнению с мельницами с плоской камерой в трубчатых мельницах достигается большая однородность измельченного продукта. Достоинствами струйных мельниц являются отсутствие вращающихся деталей и мелющих тел, возможность сочетания измельчения с сушкой и другими технологическими процессами. К недостаткам относятся высокая энергоемкость, необходимость равномерного питания материалом и поддерживания постоянного аэродинамического режима работы мельницы. Рис. 4.5. Схема струйной мельницы с Рис. 4.6. Схема струйной мельницы с плоской горизонтальной помольной камерой: вертикальной трубной помольной камерой: 1– коллектор энергоносителя; 2 – сопла; 3 – помольная камера; 4 – инжектор; 5 – выхлопная труба; 6 – осадительная труба; 7 – приемник 1– трубный контур; 2 – сопла; 3 – инжектор; 4, 5 – колена трубы; 6 – жалюзийный пылеразделитель; 7 – выхлопная труба Для мокрого сверхтонкого измельчения применяют коллоидные мельницы, измельчающие исходные частицы твердого материала (обычно это доли миллиметра) до конечных размеров порядка 10–4 – 10–6 мм. В корпусе коллоидной мельницы находится коническое гнездо, в котором с высокими скоростями (п = 300–500 с–1, окружная скорость 30–125 м/с) вращается ротор. Между гнездом корпуса и ротором имеется малый зазор (десятые, иногда сотые доли миллиметра), величину которого регулируют микрометрическим винтом. В вихревом потоке, образующемся в этом зазоре, вследствие высоких градиентов скоростей, на боковых поверхностях разрушаемой частицы возникают тангенциальные (срезающие) усилия, в результате которых происходит отщепление мельчайших частичек коллоидных размеров.
