ДВУХКАСКАДНАЯ КОНУСНАЯ ДРОБИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СУБМИКРОННЫХ И НАНОПОРОШКОВ
TWO-STAGE CONICAL MILLING PLANT FOR OBTAINING SUBMICROMETRE AND NANOPOWEDER

Изобретение относится к области получения компактных материалов с ультрамелким зерном преимущественно в нанодисперсном и наноструктурном состоянии и, в частности, к созданию средств для измельчения до степени получения субмикронных и нанопорошков с помощью механических методов измельчения, а именно с помощью мельниц.
Известно, что для сверхтонкого помола используют бисерные, вибрационные, планетарные и струйные мельницы (в течение нескольких суток с постоянной загрузкой 10-30 кг при мощности двигателя 10-20 кВт). Однако для получения субмикронных и нанопорошков энергозатраты являются достаточно высокими и, следовательно, стоимость таких порошков также является высокой (1).
Актуальной задачей современных технологий является создание таких средств для получения субмикронных и нанопорошков, которые позволят снизить их стоимость. Это возможно за счет создания универсальных высокопроизводительных установок с высокой продуктивностью и низкой энергоемкостью.
Широко известные инерционные конусные дробилки (мельницы) являются высокопроизводительными и продуктивными средствами для дробления практически всех материалов, кроме пластичных.
Известны попытки использовать для целей получения сверхтонкого помола конусных дробилок, в которых для повышения степени измельчения придают поверхностям конусов специальную форму (2). Однако это техническое решение не пригодно для получения нанопорошков, так как степень измельчения, которая может быть достигнута, недостаточна.
Известны также технические решения, направленные на усовершенствование отдельных элементов конусных дробилок, позволяющих повысить степень измельчения, например известны конусные дробилки, в которых в рабочем зазоре устанавливают дополнительные конусообразные элементы (3). При этом оси конусов совмещены, а выходная щель выполнена регулируемой, что позволяет повысить объем тонкодисперсной фракции обрабатываемого материала на выходе, но не может быть использовано для получения сверхтонких и нанопорошков из-за недостаточной степени измельчения.
Известны конусные дробилки, в которых повышение степени измельчения достигается за счет дробления в дополнительно организованной рабочей зоне благодаря особой конструкции дробящего тела (4), но известное техническое решение, хотя и повышает степень дробления, не является пригодным даже для ультратонкого измельчения, не говоря уже о достижении наноструктурного состояния.
Как правило, усовершенствование инерционных конусных мельниц касалось средств для повышения производительности (5) и степени дробления.
В частности, для повышения производительности были разработаны кинематические схемы, предусматривающие качательно-вращательные перемещения внешних и внутренних конусов (6, 7, 8), которые также способствуют более качественному измельчению, а также увеличение рабочих зон за счет создания карманов путем размещения внутри зон дополнительных конусообразных элементов(4, 3, 5). Известны также технические решения, направленные на повышение степени дробления, которые заключаются в придании внешним и внутренним конусам сложных профилей, способствующих более мелкому дроблению (9). Известно также, что степень дробления зависит от возможности регулирования величины зазора в рабочей зоне в заданных пределах и требует наличия специальных приспособлений и особого режима работы дробилки, связанного с ее периодической остановкой (10).
Однако ни одна из описанных выше дробильных установок не позволяет получать на выходе устройства нанопорошки невысокой стоимости.
По своей технической сущности и достигаемому результату наиболее близким к настоящему изобретению является дробильная установка, включающая в себя неподвижный внешний конус и помещенный внутри него внутренний подвижный конус с возможностью вращения вокруг оси, между поверхностями конусов образована рабочая зона, сходящаяся книзу от вершины к основанию конусов, в которой, в свою очередь, размещены дополнительные конусообразные элементы и которая заканчивается регулируемой выходной кольцевой щелью (3).
Технической задачей настоящего изобретения является необходимость создания надежной универсальной конусной дробильной установки с ультравысокой степенью измельчения, с помощью которой было бы возможным получение в единой установке субмикронных и нанопорошков с высокой производительностью.
Эта цель достигается благодаря введению дополнительного каскада дробления путем размещения непосредственно под верхней конусной дробильной камерой дополнительной конусной дробильной камеры так, что в единой установке осуществляется двухкаскадное дробление, а также за счет особого выполнения нижней дробильной камеры как с точки зрения обеспечения возможности задания различных режимов дробления, так и выбора материала для дробящих поверхностей конусов нижней камеры, который позволяет осуществлять регулировку рабочей зоны в автоматическом режиме с точностью ±5 нм. Причем все вышеперечисленные особенности служат одновременно как для более качественного размельчения вплоть до достижения наноструктурного состояния материала, так и для расширения диапазона номенклатуры размельчаемых материалов.
Существо заявленного технического решения сводится к тому, что под верхней конусной инерционной дробильной камерой (мельницей), состоящей из неподвижного внешнего и соосно установленного с ним внутреннего вращающегося конуса, в рабочей зоне которого, сходящейся книзу от вершины к основанию конусов, установлены дополнительные конусообразные элементы, предлагается установить нижнюю камеру измельчения (мельницу), состоящую из внешнего и внутреннего конусов, которые могут вращаться с различными угловыми скоростями. При этом форма поверхности внутренних конусов в каждой из дробильных камер имеет криволинейный профиль так, что область рабочей зоны в каждой из камер образует карман, ограниченный криволинейным профилем внутренних конусов и поверхностью соответствующего наружного конуса.
1
2
Нижняя камера измельчения (мельница) имеет внешний конус, выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси с угловой скоростью ω, и внутренний конус, установленный с возможностью вращения вокруг оси с угловой скоростью ω, перемещения по горизонтали на величину ΔХ и по вертикали на величину ΔZ, а также с возможностью наклона оси по отношению к вертикали на угол φ. Рабочие поверхности внешнего и внутреннего конусов нижней камеры измельчения (мельницы) выполнены из пьезокерамического материала со встроенными электродами, предназначенными для подключения к цепи управления.
Далее следует описание примера выполнения устройства согласно настоящему изобретению.
На фиг.1 представлен общий вид конусной дробильной установки с двумя дробильными камерами (мельницами).
На фиг.2 представлена нижняя дробильная камера (мельница) конусной дробильной установки.
Установка предназначена для измельчения различных материалов и состоит из двух камер-каскадов, конструктивно расположенных в одном корпусе: первого каскада, состоящего из верхней дробильной камеры - конусной мельницы для грубого измельчения материала, и второго каскада, состоящего из нижней камеры измельчения - прецизионной конусной мельницы для тонкого измельчения материала. Измельчение материала может проходить в различных средах: в вакууме, в газах или в жидкостях.
Верхняя дробильная камера - мельница первого (верхнего) каскада - предназначена для измельчения кусочков материала размером 2.0-4.0 мм и получения порошка с размером частиц 75-50 мкм.
Нижняя дробильная камера - мельница второго (нижнего) каскада - предназначена для измельчения порошка с размером частиц 75-50 мкм и получением порошка с максимальным размером частиц до 15-20 нм.
Верхняя дробильная камера состоит из неподвижного наружного конуса 1, подвижного внутреннего конуса 2 и конусообразных тел вращения 3, обеспечивающих интенсификацию процесса измельчения. Подвижный конус 2 вращается соосно с неподвижным конусом 1. Область рабочей зоны дробления образует карман, ограниченный криволинейным профилем образующей внутреннего конуса 1 и поверхностью наружного конуса 2. Угол наклона поверхности внешнего конуса 1 к оси вращения α выбран таким образом, чтобы предотвратить свободное выдавливание продукта из рабочей зоны вверх. Диаметр частиц порошка на выходе первого каскада регулируется шириной кольцевого зазора между конусами 1 и 2 путем перемещения конуса 2 в направлении Z.
l
2
Нижняя дробильная камера (мельница) установлена под верхней дробильной камерой и состоит из подвижного внешнего конуса 4, вращающегося с угловой скоростью ω, и подвижного внутреннего конуса 5, вращающегося с угловой скоростью ω. Область рабочей зоны измельчения частиц образует карман, ограниченный криволинейным профилем образующей внутреннего конуса 5 и поверхностью наружного конуса 4. Угол наклона поверхности внешнего конуса 4 к оси вращения β выбран таким образом, чтобы предотвратить свободное выдавливание продукта из рабочей зоны вверх.
1
2
Вышеуказанная мельница имеет две степени свободы (угловые скорости вращения конусов ω и ω) и три наладочных параметра (перемещение оси вращения внутреннего конуса 5 в направлении оси X, перемещение оси вращения внутреннего конуса 5 в направлении оси Z и отклонение оси вращения внутреннего конуса 5 от оси вращения внешнего конуса 4 на угол φ), которые обеспечивают широкие возможности для выбора и настройки механизма и режимов процесса измельчения конкретного материала.
k
к
При смещении осей конусов на величину ΔХ мельница имеет калибрующий несимметричный кольцевой зазор (КНКЗ) переменной ширины между рабочими поверхностями конусов, при этом максимальный объем зоны кармана Vmax находится над КНКЗ минимальной ширины, а минимальный объем зоны кармана Vmin находится над КНКЗ максимальной ширины (фиг.2).
Диаметр частиц порошка на выходе второго каскада регулируется настройкой ширины КНКЗ (фиг.1) между рабочими поверхностями конусов 4 и 5 путем перемещения конуса 5 в направлениях X и Z и изменения величины угла φ.
Нижняя дробильная камера-мельница второго каскада имеет три основных режима работы.
1
2
k
к
k
к
В первом режиме, когда угловые скорости вращения конусов 4 и 5 равны ω=ω, ось вращения конуса 5 параллельна оси вращения конуса 4 и смещена в направлении X на величину ΔХ (фиг.2), измельчение материала происходит за счет раздавливания частиц при обкате внутренним конусом 5 рабочей поверхности внешнего конуса 4. В этом режиме сводится до минимума износ рабочих поверхностей конусов и загрязнение конечного продукта материалом деталей установки. Скорость измельчения материала регулируется изменением угловой скорости вращения конусов и изменением отношения объемов Vmax и Vmin путем перемещения оси вращения конуса 5 в направлении X на величину ΔХ (фиг.2). Для максимального значения отношения объемов Vmax и Vmin минимальная ширина КНКЗ равна нулю, то есть имеет место чистый обкат внутренним конусом поверхности внешнего конуса. В этом случае может быть достигнут минимально возможный размер частиц порошка при механическом измельчении.
1
2
Во втором режиме, когда угловые скорости вращения конусов 4 и 5 равны ω=ω, ось вращения конуса 5 отклонена от оси вращения конуса 4 на угол φ и смещена в направлении X на величину ΔХ (фиг.2), измельчение частиц происходит таким же образом, как и в режиме 1. Однако наличие угла φ между осями вращения конусов 4 и 5 создает небольшие циклические перемещения рабочих поверхностей конусов друг относительного друга в направлении образующих конусов, что способствует самоочищению рабочих поверхностей конусов от налипающих частиц и увеличению скорости измельчения материала.
1
2
В третьем режиме, когда скорости вращения конусов 4 и 5 различны ω≠ω, ось вращения конуса 5 отклонена от оси вращения конуса 4 на угол Δφ и смещена в направлении X на величину ΔХХ (фиг.1), измельчение материала происходит как за счет раздавливания частиц при обкате внутренним конусом 5 рабочей поверхности внешнего конуса 4, так и за счет истирания частиц друг на друге и на рабочих поверхностях конусов. В этом режиме достигается максимальная производительность установки и происходит самоочищение рабочих поверхностей конусов от налипающих частиц.
Конструкция нижней дробильной камеры (второго каскада установки) позволяет создавать регулируемый перепад давлений рабочего газа или жидкости на входе и выходе рабочей зоны (Рmах-Pmin), что приводит к увеличению производительности установки, кроме того, создание избыточного давления инертной среды в установке создает благоприятные условия для получения, хранения и дальнейшего использования нанопорошков.
Для получения порошков с размерами частиц меньше 1 мкм должна быть применена динамическая система управления параметрами КНКЗ. Для этого рабочие поверхности конусов нижней дробильной камеры изготавливаются из пьезокерамического материала (позиции 6 и 7 на фиг.1) со встроенными металлическими электродами (не показано). При приложении электрического напряжения к электродам за счет пьезоэлектрического эффекта происходит смещение участков рабочих поверхностей конусов 5 и 4 и, следовательно, изменение их размеров и формы. Смещение участков поверхностей регулируется в диапазоне 0-10 мкм с точностью ±5 нм с максимальной частотой до 20 кГц. Пьезоэлементы являются частью электронной системы управления, которая обеспечивает:
- измерение параметров КНКЗ в режиме реального времени, в первую очередь ширины зазоров между рабочими поверхностями конусов,
- динамическую коррекцию ширины КНКЗ за счет быстродействующей обратной связи путем подачи программируемого электрического напряжения на электроды пьезоэлементов (динамическая коррекция необходима из-за неточности изготовления конусов, всегда присутствующих биений, неравномерного истирания рабочих поверхностей конусов и других факторов),
- создание программируемых высокочастотных колебаний рабочих поверхностей конусов, приводящих к их самоочищению от налипающих частиц и увеличению производительности установки,
- контроль уровня износа рабочих поверхностей конусов.
Двухкаскадное измельчение материала в одной установке позволяет в 20-40 раз увеличить степень измельчения материала (т.е. отношение средних размеров частиц на входе и на выходе установки), в 2-3 раза увеличить производительность установки и в 2-3 раза уменьшить стоимость порошка.
Возможность создания регулируемого перепада давлений на входе и выходе рабочей зоны приводит к увеличению производительности установки.
Универсальность установки достигается использованием вышеприведенных признаков, часть которых была известна ранее из вышеприведенных источников, часть является новой, но сочетание их, совместное их использование позволяет решить актуальную и нерешенную до сих пор задачу - позволяет получать в одной конусной дробильной установке субмикронные и нанопорошки различных материалов, обладающих различными химическими и физическим свойствами, в широком диапазоне размеров частиц от 20 нм до 100 мкм и выше. Установка согласно настоящему изобретению с использованием конусных дробильных камер позволяет получать субмикронные и нанопорошки с более высокой производительностью и со сниженными энергозатратами, что способно существенно снизить стоимость порошков.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Краснов А.А. «Влияние на процесс сверхтонкого помола энергонагруженности мельницы РВМ» Новые технологии, http//www.rids.ru.
2. РФ 2053883, В28С 1/16, 1992.
3.РФ 14532, В02С 2/04, 2000.
4. РФ 2023504, В02С 2/02, 1991.
5. РФ 2128082, В02С 2/02, 1997.
6. РФ 2292241, В02С 19/16, 2005.
7. US 6581860, В02С 2/06, 2004.
8. ЕР 1386667, В02С 2/00, 2003.