Измельчение

2.4 Измельчение

Измельчением называют процесс разрушения кусков твердого материала при критических внутренних напряжениях, создаваемых в результате какого-либо нагружения и превышающих соответствующий предел прочности. Напряжения в материале могут создаваться механическим нагружением, температурными воздействиями, ультразвуковыми колебаниями и др. Наибольшее применение в современном производстве имеют механические способы измельчения. Измельчение делят на дробление и помол, а машины, применяемые для этих целей, называются дробилками и мельницами. В зависимости от размеров частиц продукта (конечного размера частиц d_к) различают следующие виды измельчения: дробление крупное (d_к = 100350 мм), среднее (d_к = 40100 мм), мелкое (d_к = 540 мм), помол грубый (d_к = =0,15 мм), средий (d_к = 0,050,1 мм), тонкий (d_к = 0,0010,05 мм), сверхтонкий (d_к < 0,001 мм).

Основной характеристикой процесса измельчения является степень измельчения, которая определяется соотношением средневзвешенных размеров частиц материала до (d_н) и после (d_к) измельчения:

i = d_н/d_к,

i = 20/0,315  65.

Степень измельчения отражает технологию и определяет параметры измельчителей. Таким образом, необходимо подобрать аппарат, способный обеспечить степень измельчения, равную 65. Степень измельчения, достигаемая на одной машине, для большинства видов дробильного оборудования не превышает 550. Поэтому для обеспечения больших степеней измельчения необходимо применить несколько стадий дробления. В то же время следует отметить, что увеличение стадий измельчения приводит к переизмельчению материала и увеличению эксплуатационных затрат. Поэтому процесс измельчения следует осуществлять, исходя из условия обеспечения минимального числа стадий дробления. Кроме того, необходимо учесть, что измельчаемый материал представляет собой пульпу, т.е. аппарат должен обеспечивать мокрое измельчение.

Рассмотрим возможность применения различных видов используемого в промышленности оборудования для проведения мокрого измельчения с i = 65.

Щековые и конусные дробилки применяют для крупного и среднего дробления различных материалов во многих отраслях народного хозяйства. По технологическому назначению их делят на дробилки: крупного дробления, обеспечивающие степень измельчения i = 58; среднего и мелкого дробления (степень измельчения i = 2050). Вышеперечисленные аппараты не могут обеспечить требуемую степень измельчения в одну стадию.

Валковые дробилки применяют для среднего и мелкого дробления материалов высокой и средней прочности, а также для измельчения пластичных и хрупких материалов. Процесс измельчения осуществляется непрерывно при затягивании кусков материала в суживающееся пространство между параллельно расположенными и вращающимися навстречу друг другу валками. Валковые дробилки также не способны обеспечить требуемую степень измельчения.

Выше были рассмотрены дробилки, разрушающие материал сжатием, рассмотрим дробилки ударного действия. В измельчителях ударного действия измельчение материала осуществляется под действием ударных нагрузок, которые могут возникать при взаимном столкновении частиц измельчаемого материала, столкновении частиц материала с неподвижной поверхностью, столкновении материала и движущихся рабочих органов машин. К дробилкам ударного действия относятся роторные и молотковые дробилки, а также пальцевые измельчители. Дробилки ударного действия применяют для измельчения малоабразивных материалов средней и низкой прочности (известняков, мела, гипса, калийных руд и др.). Они обеспечивают степень измельчения i = 1520, и лишь в отдельных случаях до i = 50.

Таким образом, осуществить необходимый технологический процесс способны лишь аппараты для помола. Среди них можно выделить барабанные, вибрационные и струйные мельницы. При проектировании схем измельчения любых материалов необходимо соблюдать принцип «не измельчать ничего лишнего», поскольку переизмельчение приводит к излишнему расходу энергии, снижению производительности и росту износа дробилок и мельниц. Поэтому нецелесообразно применять в данном производстве молотой слюды вибрационную и бисерную мельницы, которые способны произвести помол слюды до 5 мкм.

Наиболее оптимальным является использование барабанной мельницы. Она способна обеспечить степень измельчения до 100. Достоинствами барабанных мельниц являются простота конструкции и удобство в эксплуатации. Кроме того, существуют конструкции барабанных мельниц мокрого помола.

Схема процесса измельчения материала в барабанной мельнице показана на рисунке 2.4.1. При вращении полого барабана смесь измельчаемого материала и мелющих тел (шаров или стержней) сначала движется по круговой траектории вместе с барабаном, а затем, отрываясь от стенок, падает по параболической траектории. Часть смеси, расположенная ближе к оси вращения, скатывается вниз по слоям смеси. Измельчение материала происходит в результате истирания при относительном движении мелющих тел и частиц материала, а также вследствие удара.

Рисунок 2.4.1. Схема рабочего процесса в барабанной шаровой мельнице

Режим движения мелющих тел в барабане, от которого зависит эффективность помола, определяется его угловой скоростью ω. При небольшой угловой скорости загрузка (мелющие тела и измельчаемый материал) циркулирует в нижней части барабана (рисунок 2.4.2), поднимаясь по концентрическим круговым траекториям на некоторую высоту и затем скатываясь параллельными слоями вниз. Такой режим работы называют каскадным.

Рисунок 2.4.2. Схема для расчета параметров шаровой барабанной мельницы

При большей скорости центробежная сила инерции Р_и превысит составляющую G∙cosα силы тяжести G шара, и последний не будет отрываться от стенки барабана даже в верхней точке C, т.е.

m∙ω²∙R > m∙g,(2.4.1)

где m - масса шара, кг.

Откуда критическая угловая скорость вращения барабана будет равна:

ω_к =  , (2.4.2)

где R - радиус внутренней поверхности барабана, м.

Большей эффективностью помола характеризуется водопадный режим движения шаров. Он реализуется при частоте вращения барабана меньше критической. При этом шары поднимаются, например, в точку А (рисунок 2.4.2), а затем, отрываясь от стенок, свободно падают по параболическим траекториям. Измельчение материала происходит под воздействием удара, а также, частично, раздавливания и истирания.

Для определения условия отрыва и свободного полета шара массой m рассматриваем его как материальную точку, на которую действуют лишь массовые силы. Отрыв шара в точке А от стенки барабана происходит при условии m∙g∙cosα ≥ P_и . Следовательно, условие отрыва и свободного падения, которое можно получить из соотношения m∙g∙cosα ≥ m∙ω²R, имеет вид:

ω ≤  . (2.4.3)

Опыт эксплуатации барабанных мельниц показал, что наиболее рациональным является избирательное измельчение материала, когда крупные частицы измельчаются ударом, а мелкие - истиранием. Следовательно, режим работы мельниц должен обеспечивать чередование ударного режима с истиранием. На практике это реализуется за счет использования для футеровки элементов, обеспечивающих переменный коэффициент сцепления мелющих тел со стенками барабана. [4]

Основными критериями при выборе той или иной конструкции барабанной мельницы являются производительность, природа измельчаемого материала и вид помола - сухой или мокрый. В меньшей степени влияние на выбор оказывает тонина помола.

Шаровые мельницы по виду разгрузки измельчаемого материала делятся на два вида: мельницы с принудительной разгрузкой через решетку и мельницы с центральной разгрузкой через цапфу. Мельницы с разгрузкой через решетку предназначены для получения сравнительно крупного продукта, а мельницы с центральной разгрузкой - более мелкого продукта.

Так как помол, производимый при переработке отходов является грубым (d_к= = 0,15 мм), то наиболее рационально использовать мельницу с разгрузкой через решетку. Решетку перед разгрузочной цапфой ставят для увеличения производительности шаровой мельницы за счет понижения уровня разгрузки и регулирования степени измельчения при значительных коэффициентах заполнения барабана. Так же решетка служит для удержания в рабочем пространстве барабана шаров и недостаточно размолотого материала. Достаточно измельченный продукт проходит через отверстия решетки, поднимается ее ребрами (лифтерами) и выгружается через разгрузочную цапфу. Разгрузочная решетка мельницы, конструкция которой приведена на рисунке 2.4.3, обычно характеризуется «живым сечением», т. е. суммарной площадью всех отверстий.

Рисунок 2.4.3. Разгрузочная решетка шаровой мельницы: 1 - центральная футеровка; 2 - клинья крепления решетки

В отношении выбора «живого сечения» решеток в литературе не имеется твердых указаний. Так, например, многие специалисты рекомендуют общее «живое сечение» решеток выбирать в 10 раз большим поперечного сечения разгрузочной цапфы. Диаметр цапф мельниц обычно не является параметром ГОСТа, поэтому определение «живого сечения» решеток, как функции нерегламентируемого параметра, следует считать неудачным. Канд. техн. наук Е. Н. Болталов «живое сечение» решетки рекомендует выражать как функцию от диаметра мельницы или от площади поперечного сечения барабана. «Живое сечение» решеток современных мельниц, выпускаемых отечественными и зарубежными заводами, составляет 2030% площади поперечного сечения барабана. Профиль сечения щелей решеток в большинстве случаев выполняется сопловидной формы с углом расширения в сторону разгрузочной цапфы. Расположение щелей в плоскости решетки определенным образом влияет на производительность мельницы. Экспериментально доказано, что мельницы, оборудованные решетками с щелями, расположенными по хордам, имеют большую производительность по мелким классам и вновь образованной поверхности измельчаемого продукта.

С учетом установки решетки задаемся отношением диаметра к длине барабана мельницы. Правильный выбор длины барабана по отношению к ее диаметру оказывает большое влияние на получение максимальной производительности и на оптимальный расход энергии, т. е. на решающие технико-экономические показатели измельчительного агрегата в целом. Для современных мельниц с разгрузкой через решетку это отношение равно 0,751,6. Принимаем это отношение, равным 1.

Применение шаров в качестве мелющих тел обусловлено тем, что стержни способны обеспечить тонину помола лишь до 0,5 мм, что неприемлемо для настоящих требований к степени измельчения слюды.

Загрузочные устройства шаровых мельниц в принципе состоят из двух элементов - питателя той или иной конструкции и загрузочного патрубка цапфы, служащего одновременно ее футеровкой. Оба эти элемента предназначены для транспортирования продукта с уровня загрузки в полость барабана мельницы. Конструкцию и размеры загрузочных устройств выбирают такими, чтобы обеспечить поступление необходимого количества продукта в барабан мельницы и тем самым обеспечивать необходимую скорость загрузки. Скорость загрузки определяется количеством материала, пропускаемого через мельницу в единицу времени. При работе мельницы в открытом цикле она равна производительности по исходному материалу. При работе в открытом цикле количество материала увеличенной крупности, выдаваемого мельницей, возрастает с увеличением скорости загрузки. Низкая скорость загрузки приводит к переизмельчению материала и, следовательно, к понижению производительности и эффективности измельчения по определенному классу. Таким образом, при неудачном выборе параметров питателя или загрузочного патрубка цапфы, может быть снижена производительнсть мельницы. Одним из основных требований, которому должны удовлетворять питатели любой конструкции, является его высокая транспортирующая сила, способная преодолеть все сопротивления движению загружаемого материала. Эти сопротивления движению материала слагаются из сопротивлений движению в спиральном проходе и загрузочном патрубке цапфы, обусловленных трением и зависанием материала, а также из сопротивлений, обусловленных давлением пульпы из внутренней полости барабана мельницы.

Барабанный питатель, конструкция которого приведена на рисунке 2.4.4, представляет собой литую из чугуна или сварную из стали цилиндро-коническую камеру, открытую с обоих концов. Отверстие 2 служит для загрузки и отверстие 3 - для разгрузки материала. Питатель крепится болтами к загрузочной цапфе мельницы. Большее распространение барабанные питатели получили для загрузки на уровне оси мельниц при питании последних крупным сухим исходным материалом. При применении этих питателей отпадает необходимость в устройстве специальной загрузочной коробки, необходимой, например, при применении улиткового питателя.

Рисунок 2.4.4. Барабанный питатель: 1 - крышка питателя; 2 - загрузочное отверстие; 3 - разгрузочное отверстие; 4 - полость

Данный тип питателей трудноприменим в условиях мокрого помола, поэтому рассмотрим другие конструкции. Улитковый питатель, конструкция которого представлена на рисунке 2.4.5, представляет собой конструкцию из одного, двух или трех спиральных черпаков.

Рисунок 2.4.5. Улитковый питатель: 1 - корпус питателя; 2 - сменный козырек

Обычно питатель делается сварным из листовой стали. Питатель имеет отверстие для выпуска зачерпнутого материала. На конце каждого черпака крепится сменный козырек из марганцовистой стали или легированного чугуна. Максимальный радиус улиткового питателя выбирается в зависимости от скорости вращения мельницы. Для предотвращения разбрасывания материала в загрузочной коробке скорость черпания не должна превышать 85% критической скорости, вычисленной по отношению к козырьку улитки. Предпочтительнее делать питатели симметричными, так как при одночерпаковых питателях, из-за неуравновешенности вращающихся частей мельницы иногда появляется неравномерный износ зубьев венцовой шестерни привода мельницы. Мельницы с улитковыми питателями применяют в тех случаях, когда необходимо производить загрузку материала с более низкого уровня, например, при работе с классификатором. Улитковый питатель снабжен загрузочной коробкой. Между стенками и днищем загрузочной коробки и улиткой должны быть предусмотрены зазоры, по размеру несколько большие, чем максимальный размер куска руды или догружаемого шара. Комбинированный питатель, конструкция которого приведена на рисунке 2.4.6, представляет собой конструкцию, объединяющую достоинства барабанных и улитковых питателей.

Рисунок 2.4.6. Комбинированный питатель: 1 - корпус питателя; 2 - спиральный черпак; 3 - козырек; 4 - крышка

При использовании барабанного питателя крупнокусковой материал попадает в мельницу, минуя загрузочную коробку. Черпаки при этом служат как элеваторы. Конструкция комбинированного питателя наиболее предпочтительна для производства молотой слюды из отходов, так как с одной стороны улитковый питатель позволяет осуществить мокрый помол, а с другой - может служить для загрузки в мельницу крупных кусков материала. [1]

Барабан мельницы изготовлен из углеродистой стали, и если его не защитить изнутри прочной облицовкой, то при измельчении абразивных материалов он быстро износится, и мельница выйдет из строя. Кроме того футеровка обеспечивает лучший подъем мелющих тел при вращении барабана. По назначению футеровки обычно делят на две основные группы - футеровки для мельниц, работающих на крупном загружаемом материале и футеровки для мельниц тонкого измельчения. Конечно, такое деление сугубо условное. Футеровки барабанов в цилиндрической части шаровых мельниц, работающих на крупном исходном материале, имеют ребра или волны. Футеровки мельниц тонкого измельчения имеют мелкие ребра или выполняются гладкими. Совсем гладкая футеровка применяется при дроблении сравнительно мягких пород или мелкого питания, когда не требуется создавать высокое давление дробящей среды, но зато требуется получить максимальное истирающее действие. В данном технологическом процессе наиболее целесообразно использовать футеровку с небольшой высотой волн, так как помол слюды - грубый, но ближе к среднему помолу, чем к мелкому дроблению. Футеровка, конструкция которой приведена на рисунке 2.4.3, пригодна больше для очень грубого помола, чем для описанного выше. На рисунке 2.4.7 изображена волнистая футеровка с распорными клиньями. Кроме того, данная футеровка барабанных мельниц является самой распространенной и выпускается отечественными заводами.

Рисунок 2.4.7. Волнистая футеровка с распорными клиньями

Крепление к барабану ступенчатых и волнистых футеровочных плит шаровых мельниц осуществляется чаще при помощи болтов с фасонными головкам. Для посадки фасонных головок болтов в тело плиты последние имеют отверстия овальной формы, идущие на конус в направлении к барабану. На рисунке 2.4.8 изображен болт для крепления футеровочных плит к барабану.

Рисунок 2.4.8. Болт для крепления футеровочных плит к барабану: 1 - упругая шайба; 2 - уплотняющая шайба; 3- корпус барабана

Также футеровочные плиты устанавливают и на торцевых частях барабана. У мельниц с решеткой роль футеровки торцевой части барабана на разгрузочном конце выполняет сама решетка, снабженная центральной футеровкой. Футеровку загрузочной и разгрузочной крышек чаще выполняют гладкой, состоящей из отдельных секторов. Футеровки загрузочной и разгрузочной цапф делают в виде вставных втулок разной конструкции. Загрузочный патрубок выполняют из чугуна в виде конуса, расширяющегося в сторону барабана. Футеровку разгрузочной цапфы выполняют в виде чугунной воронки с гладкой внутренней поверхностью.

На рисунке 2.4.9 приведена примерная конструкция барабанной мельницы мокрого помола, которую предполагается использовать при производстве молотой слюды. Для поддержания в барабане определенного уровня пульпы и вывода измельченного материала из зоны измельчения перед торцовой крышкой 15 устанавливают диафрагму. Она состоит из круглой решетки 9 с ребрами 10. Форма ребер соответствует наклону торцовой крышки. Пространство между решеткой и крышкой делится ребрами на секторы. Со стороны барабана против отверстий на решетку укладывают колосники 8 и закрепляют их с помощью кольца 11 и болтов 12. Этими же болтами притягивают к торцовой крышке и диафрагму.

Пульпа через колосники и отверстия в решетке попадает в нижние секторы между диафрагмой и крышкой. При вращении барабана секторы поднимаются вверх, а находящаяся в них пульпа стекает в выводную цапфу и удаляется из измельчителя.

Рисунок 2.4.9. Разрез барабанной мельницы мокрого помола: 1 - улитковый питатель; 2 - загрузочный вкладыш; 3 - подшипник; 4 -передняя крышка с цапфой; 5 - барабан; 6 - броневые плиты; 7 - люк; 8 - колосники; 9 - решетка диафрагмы; 10 - ребра решетки; 11- кольцо; 12 - болты; 13 - выводной вкладыш; 14 - центральная труба; 15 - задняя крышка; 16 - венцовая шестерня

Уровень пульпы в барабане, из которого она начинает переливаться в секторы, регулируется закрытием или открытием отверстий в решетке. Если в решетке открыты все отверстия, то в секторы попадает пульпа из самых нижних слоев материала в барабане. Если же в решетке все отверстия закрыты, то пульпа может выходить только через центральное отверстие в диафрагме и трубу 14. Следовательно, в этом случае уровень пульпы должен подниматься выше нижней точки центрального отверстия. Открытие и закрытие отверстий в решетке, а также очистку этих отверстий и колосников производят через люки, предусмотренные в крышке. Колосники устанавливают на решетке так, что во время вращения барабана они могут перемещаться в радикальном направлении и таким образом самоочищаться. Загрузку шаров в мельницу и их выгрузку производят через люки 7.

Исходный материал вместе с определенным объемом жидкости поступает в специальный приемный короб, устанавливаемый под улитковым питателем. Днище короба имеет цилиндрическую форму с радиусом цилиндра, несколько большим радиуса вращения крайней точки черпака питателя. При вращении барабана вместе с ним вращается и питатель, захватывая черпаком пульпу из короба. Зачерпнутая питателем пульпа по улитке проходит через загрузочный вкладыш 2 в зону измельчения, а измельченный материал также в виде пульпы, пройдя разгрузочную диафрагму и выводной вкладыш 13, выходит из мельницы. Мельницы этого типа работают в замкнутом цикле с гидравлическими классификаторами. [2]