МЕЛЬНИЦА-СМЕСИТЕЛЬ
MILL-MIXER

Предлагаемое изобретение относится к оборудованию для тонкого измельчения и смешивания, в частности к многокамерным мельницам-смесителям, и может быть использовано в строительной, горнорудной, химической, фармацевтической, энергетической и других отраслях промышленности, где требуется тонкое и сверхтонкое измельчение, нанокапсуляция дисперсий, гомогенизация и смешивание различных материалов.
Известна многокамерная мельница, включающая корпус в виде вертикально ориентированной цилиндрической емкости с загрузочными и выгрузочными устройствами, разделенной диафрагмами на камеры с мелющими телами и закрепленной в опорной площадке, подвешенной на гибких связях и соединенной с приводом с эксцентриками (см., например, патент РФ №2246993 «Трубная многокамерная мельница», кл. В02С 17/06, 2005 г.). В известной мельнице, благодаря вертикальному размещению помольной емкости и подвешиванию ее на гибких связях между опорами, устраняется необходимость электропривода большой мощности, так как вся вертикальная нагрузка от многотоннажной массы емкости, заполненной мелющими телами, эксцентриками и продукцией помола, воспринимается гибкими подвесками.
Энергия приводного механизма расходуется лишь на обеспечение круговых колебаний корпуса многокамерной мельницы в горизонтальной плоскости, т.е. на процесс измельчения, что позволяет в значительной мере снизить материалоемкость и габариты мельницы, энергозатраты на помол. Указанная мельница позволяет со значительной производительностью осуществлять измельчение сухих материалов до дисперсности 20-50 мкм.
Однако опыт ее эксплуатации показал удлинение гибких подвесок - тяг в процессе работы агрегата. Попытка замены гибких тяг на жесткие усложнила работу мельницы вследствие значительной нагрузки на привод, что вызывало заклинивание электродвигателя и его выход из строя.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является многокамерная мельница-смеситель по патенту РФ №2317855 «Многокамерная мельница-смеситель», кл. В02С 17/06, 2006 г., включающая корпус в виде вертикально ориентированной цилиндрической емкости с загрузочным и выгрузочным устройствами, разделенной диафрагмами на камеры с мелющими телами и закрепленной в опорной площадке, подвешенной на гибких связях и соединенной с приводом.
В камерах мельницы попеременно через одну, начиная с первой, размещены соосно с цилиндрической емкостью, вместе с мелющими телами, перфорированные конические кольца меньшим основанием вниз; при этом угол наклона образующей конических колец к вертикальной оси выбран в пределах от 15 до 45°; в нижних диафрагмах камер с коническими кольцами с наружной стороны колец для прохождения материала выполнены прорези суммарной площадью не менее половины площади кольца, образованного нижним основанием конуса и стенкой цилиндрической емкости, при этом прорези равномерно распределены по поверхности кольца; между диафрагмами других камер, начиная со второй, размещены попеременно через одну камеру сверху вниз, соосно с емкостью, перфорированные цилиндры, соотношение диаметров и высот которых выбрано в пределах от 0,5:1 до 5:1, соотношение диаметров и высот камер выбрано в пределах от 4:1 до 12:1, а перфорация ионических колец и цилиндров в каждой камере выполнена в виде круглых отверстий, расположенных, начиная сверху до уровня от 1/3 до 1/4 высоты камеры, с диаметром в пределах от 0,4 до 0,8 среднего диаметра мелющих тел в соответствующей камере и распределенных равномерно по окружности поверхностей конусов и цилиндров замкнутыми рядами на расстоянии между центрами отверстий, выбранном в пределах от 1,5 до 2,5 диаметров отверстий; при этом в диафрагмах, на которые опираются цилиндры, выполнены отверстия, соответствующие внутреннему диаметру цилиндров.
Многокамерная мельница-смеситель по прототипу отличается еще и тем, что привод мельницы сопряжен с верхней частью цилиндрического корпуса мельницы с помощью двухзвенного водила.
Однако опыт эксплуатации указанной многокамерной мельницы-смесителя показал, что гибкие связи, на которых подвешен корпус с шаровой загрузкой, также удлиняются в процессе ее работы из-за наличия в корпусе больших движущихся масс, наблюдается частый выход электродвигателя из строя и не обеспечивается работоспособность агрегата.
Цель предлагаемого изобретения - обеспечение работоспособности и повышение надежности работы мельницы-смесителя.
Техническая задача изобретения решается тем, что в мельнице-смесителе БИКБАУ, включающей опорное устройство, загрузочное и выгрузочные устройства, электрический привод с водилом, корпус мельницы-смесителя в виде вертикально ориентированной цилиндрической емкости, разделенной диафрагмами на камеры с мелющими телами с соотношением внутренних диаметров и высот камер, выбранными в пределах от 4:1 до 12:1; соосно с цилиндрической емкостью в нечетных и четных камерах сверху вниз, в нечетных камерах, начиная с первой, размещены перфорированные конические кольца в виде обратных конусов меньшим основанием конусов вниз, при этом в конических кольцах обратных конусов угол наклона образующей конических колец к вертикальной оси выбран в пределах от 15 до 45°, перфорация конических колец в каждой камере выполнена в виде круглых отверстий диаметром в пределах от 0,4 до 0,8 среднего диаметра мелющих тел в соответствующей камере и распределенных равномерно по окружности поверхностей конусов замкнутыми рядами на расстоянии между центрами соседних отверстий, выбранном в пределах от 1,5 до 2,5 диаметров отверстий; кроме того, в нечетных камерах с коническими кольцами для дальнейшего прохождения материала наружная сторона колей, образованных между нижним основанием обратного конуса и стенкой цилиндрической емкости, выполнена с прорезями суммарной площадью не менее половины площади кольца, при этом прорези равномерно распределены по поверхности кольца,
отличающаяся тем,
что цилиндрический корпус мельницы-смесителя в центре, вертикально по высоте мельницы содержит стальную монтажную ось наружным диаметром от 0,05 до 0,10 внутреннего диаметра цилиндрического корпуса, введенную в водило привода в верхней части корпуса мельницы- смесителя на расстоянии между осью привода и осью стальной трубы в пределах от 0,08 до 0,22 внутреннего диаметра корпуса; в середине четных камер установлены конические кольца в виде прямых конусов с открытыми нижними основаниями и с соотношениями диаметра верхнего основания к нижнему в пределах от 1:1,5 до 1:2; в нижней камере цилиндрического корпуса установлена камера выгрузки мельницы с цилиндрическим кольцом соосно внутри диаметром от 0,95 до 0,99 - внутреннего диаметра корпуса; указанное кольцо и боковые и стенки цилиндрического корпуса по высоте камеры выгрузки снабжены перфорацией в виде вышеуказанных круглых отверстий, а перфорация во всех конических кольцах выполнена на уровнях от  до 1/43 высоты колец; камера выгрузки соединена с кольцевым трубопроводом, расположенным по периметру камеры выгрузки для боковой (аксиальной) выгрузки готового сухого материала или жидкой суспензии через перфорированную стенку корпуса, причем кольцевой трубопровод снабжен штуцерами с упругими рукавами для подачи готового продукта из последней - нижней - камеры мельницы-смесителя в бункер или емкость; опорное устройство мельницы-смесителя выполнено в виде стальной цилиндрической камеры, заполненной стальными шарами одного диаметра, выбираемого в пределах от 10 до 200 мм, с высотой камеры от 1,10 до 1,20 диаметра выбранных шаров и внутренним диаметром, на величину от 5 до 20% большим наружного диаметра корпуса мельницы, с упругим уплотнением между корпусом и верхним обрезом опорной цилиндрической камеры, причем камера заполнена машинным маслом из маслостанции.
На фиг. 1 схематично изображена предлагаемая мельница-смеситель БИКБАУ, общий вид; на фиг. 2 показан вертикальный разрез мельницы-смесителя; на фиг. 3 - вид сверху предлагаемой мельницы-смесителя.
Мельница-смеситель БИКБАУ содержит:
На фиг. 1 - цилиндрический корпус 1, соединенный эластичным трубопроводом 2 с бункером 3 исходного материала, приводом 4 с осью 5, на которой закреплено водило 6, передающее вращение на стальную ось 7 корпуса мельницы-смесителя. В нижней части цилиндрического корпуса 1 находится камера выгрузки 8 готового продукта с кольцевым трубопроводом, опирающаяся на пластину 9 основания корпуса мельницы, расположенную на шарах в опорной цилиндрической камере 10, установленной на упругой подкладке 11 между опорной камерой и фундаментом 12 мельницы-смесителя. Маслостанцией 13 поддерживается уровень масла в опорной цилиндрической камере с шарами.
На фиг. 2 показан разрез внутренней части мельницы-смесителя по вертикальной оси корпуса в виде собираемых на оси 7 и основании 9 снизу вверх цилиндрической камеры выгрузки 8 с перфорированным кольцом 14 и перфорированной стенкой 15 корпуса мельницы в зоне кольца 15. На этой камере выгрузки располагается четная камера 16 с прямым перфорированным конусом 17 в средней части, затем нечетная камера 18 с конической образующей перфорированной боковой поверхности обратного конуса 19, далее по высоте снова четная камера и снова - нечетная камера.
В нижних диафрагмах нечетных камер с наружной стороны основания обратных конусов 19 в кольце диафрагм между нечетными и четными камерами выполнены прорези 20, равномерно распределенные по поверхности кольца и занимающие не менее половины его площади.
В четных камерах 16, 22 установлены цилиндрические кольца 23 для защиты стенки корпуса от действия инициирующих (мелющих) тел с диаметром, выбранным в пределах от 0,97 до 0,99 внутреннего диаметра цилиндрического корпуса D; указанные кольца установлены с упругим уплотнением к цилиндрическому корпусу мельницы. В средней части четных камер установлены перфорированные прямые конуса 17, расположенные большим открытым основанием конусов к нижнему в пределах от 1:1,5 до 1:2. Перфорация во всех конусах - прямых и обратных - расположена на уровнях от  до  высоты камер. В камере выгрузки 8 перфорация выполнена по всей высоте цилиндрического кольца 14 и примыкающей стенки 15 корпуса мельницы-смесителя. Стальная ось 7 с наружным диаметром, составляющим от 0,05 до 0,10 внутреннего диаметра цилиндрического корпуса D, в верхней части введена в водило 6, выбранном на расстоянии d между осью привода и осью стальной трубы в пределах от 0,08 до 0,22 внутреннего диаметра цилиндрического корпуса D. При этом стальная ось снабжена упругими уплотнениями к нижнему основанию конусов в нечетных камерах, а в четных камерах - с уплотнениями к верхнему основанию цилиндрических колец.
В нижней камере мельницы - в камере выгрузки 8 - установлено перфорированное цилиндрическое кольцо 14 высотой, соответствующей высоте камеры выгрузки, и диаметром от 0,95 до 0,99 внутреннего диаметра корпуса D.
Нижняя часть камеры выгрузки сопряжена с пластиной 9 основания корпуса мельницы-смесителя и опирается на слой подвижных стальных шаров 24 одного диаметра, выбираемого в пределах от 100 до 200 мм, расположенных в стальной опорной цилиндрической камере 10 с внутренним диаметром, на величину от 5 до 20% большим внутреннего диаметра D цилиндрического корпуса 1 мельницы-смесителя с упругим уплотнением между корпусом и верхним обрезом опорной цилиндрической камеры, высота которой составляет от 1,10 до 1,20 высоты слоя загруженных в нее стальных шаров. При этом опорная камера 10 наполнена машинным маслом из маслостанции 13. Стальная опорная цилиндрическая камера 10 помещена на упругую прокладку 11, которая расположена на фундаменте 12 мельницы-смесителя и обеспечивает гашение вибраций мельницы во время ее работы.
На фиг. 3 показан кольцевой трубопровод камеры выгрузки 8 для выгрузки из мельницы готового сухого материала или жидкой суспензии через перфорированную стенку 15 корпуса; кольцевой трубопровод снабжен упругими рукавами 25 для подачи готового продукта из последней - нижней - камеры выгрузки мельницы-смесителя в емкость 26.
Многокамерная мельница-смеситель работает следующим образом.
Электрический привод 5 с помощью водила 6 совершает вращение стальной оси 7. Ось 7 вращает мельницу-смеситель по окружности, обеспечивая за счет возникающих центробежных сил интенсивное перемещение в камерах перерабатываемого материала и инициирующих металлических, керамических, резиновых или стеклянных тел. Материал, подлежащий измельчению, нанокапсуляции или смешиванию, из бункера 3 под действием силы тяжести, через упругий трубопровод 2 поступает в верхнюю нечетную камеру цилиндрического корпуса 1 мельницы-смесителя и затем в остальные камеры, где под воздействием инициирующих тел подвергается обработке.
При этом, благодаря размещению в камерах соосно с корпусом и вместе с инициирующими телами перфорированных конических колец, с предлагаемыми конструктивными характеристиками, обработка загружаемого материала осуществляется весьма интенсивно: исходный материал, поступая в первую нечетную камеру, попадает в массу инициирующих (мелющих) тел, перемещающихся под влиянием центробежных сил со значительными эффективными скоростями (5-10 см/с) вследствие движения всего агрегата с угловой скоростью 120-300 об/мин по окружности, определяемой длиной водила 6. Мелющие тела, перемещаясь от центра мельницы к ее периферии, доходят до конического кольца, после чего поднимаются по его наклонной поверхности и возвращаются к центральной части камеры агрегата, одновременно перемещаясь вдоль окружности камеры.
Интенсивное перемещение мелющих тел, например, при измельчении и нанокапсуляции портландцемента, способствует повышению эффективных соударений их друг с другом и увеличению суммарной истирающей поверхности мелющих тел в 2-3 раза по сравнению, в частности, с вибромельницами. Прорези 20 в нижних диафрагмах, а также отверстия в конических кольцах обеспечивают свободное перемещение измельчаемого материала в мельнице-смесителе из одной камеры в другую без одновременного перемещения мелющих тел и затем в камеру выгрузки, обеспечивая необходимые параметры обрабатываемого материала.
Измельчаемый материал, перемещаясь в камере вместе с мелющими телами, подвергается деструкции из-за движения по траекториям, близким к движению мелющих тел. Однако, при приближении частиц материала к нижней поверхности перфорированного конического кольца происходит сепарация обрабатываемого материала, так как крупные частички оседают в нижних слоях мелющих тел и поэтому не поднимаются до уровня перфорации (3/4-1/4 высоты камеры) конического кольца, который достигают более мелкие частички.
Крупные частички материала подвергаются дальнейшему вовлечению в измельчение, а более мелкие частики измельченного материала, поднимаясь до перфорированной поверхности конического кольца, проходят через отверстия в нем и попадают через прорези в основании камеры из 1-й камеры в следующую (вторую). Частички материала, поступающие во 2-ю камеру, подвергаются также интенсивному воздействию мелющих тел, перемещающихся внутри камеры по сложной траектории: от центра камеры к периферии и обратно, а также из нижней части камеры в верхнюю и обратно.
Материал, непрерывно измельчаясь во 2-й камере, перемещается к центру за счет подпора материала из 1-й камеры. Доходя до конического кольца в средней части камеры мельницы-смесителя, мелкие частички материала поднимаются до уровня перфорации боковой поверхности прямого конуса и через отверстия в нем проходят в 3-ю камеру, а более крупные частички, в силу отсутствия перфорации в нижней части цилиндров, возвращаются мелющими телами в новый цикл перемещения по камере и подвергаются дальнейшему измельчению.
Аналогично проходят процессы в 3-й и 4-й камерах агрегата, количество которых может задаваться в зависимости от требуемой тонины измельчения (степени гомогенизации, смешивания) материалов. В камере выгрузки готового материала он выбрасывается инициирующими телами за счет центробежных сил, отжимающих материал к периферии камеры.
Примеры использования предлагаемой конструкции мельницы-смесителя БИКБАУ.
Пример 1.
Реализация наномодификации портландцемента выполнялась по ПСТ Республики Казахстан 83-2018 «Портландцемент наномодифицированный (соответствующего ПНСТ Российской Федерации 19-2014). Для производства партии наноцемента 35 применили портландцемент 42,5 Д 0 Новороссийского цементного завода (40% мас.), кварцевый песок Раменского месторождения (60% мас.) и модификатор - полипласт СП-1 (1,1% мас.). Исходная смесь была приготовлена в отдельном смесителе и подавалась в предлагаемую опытно-промышленную мельницу - смеситель Международного ИМЭТ, производительностью 250 кг/час, на экспериментальной базе института в пос. Рассудово Московской области.
В качестве мелющих тел в рабочие камеры опытно-промышленной установки был в первые две камеры загружен чугунный цильпепс 16 X 25 мм, а в 3 и 4 камеры цильпепс 12 X 17 мм. Камера выгрузки была загружена стальными шарами диаметром 20 мм.
Результаты испытаний прочности наноцемента 35, выполненные в Испытательной лаборатории «ПК КАЧЕСТВО», г.Нур-Султан, Республики Казахстан приведены в табл. 1. В той же таблице приведены результаты испытаний наноцемента 55 (Пример 2) и наноцемента 75 (Пример 3), полученных на опытно-промышленной мельнице-смесителе.
Пример 4.
В разработанном агрегате была осуществлена постановка лакокрасочного материала на вид. С этой целью все камеры мельницы-смесителя были загружены стеклянными шариками диаметром 10 мм.
В смесителе была приготовлена масса, % - Дисперсия сополимера метил акрилата, бутилакрилата и метакриловой кислоты - 22,0; Наполнителя - барита - 25,0; Оболочкового пигмент диоксида титана - 10,0; Фунгицида - 0,4; Сульфанола 0,3; Силиконовой жидкости - 0,2; Загустителя; Гидроксилметилцеллюлозы  - 0,6; Водного раствора аммиака - 0,2; айт-спирита - 1,6; Декагидробората натрия - 0,01; Вода - остальное. Температура 18°С.
Компоненты краски подавали в смеситель последовательно при постоянном перемешивании со скоростью 300 об/мин посредством дозировки следующие компоненты: вода (65% от полного объема), наполнители, пигменты, эмульгатор, фунгицид, диспергатор и пеногаситель. По окончании смешивания готовая композиция по трубопроводу с помощью мембранного насоса перекачивается в мельницу-смеситель для получения пасты тонкого помола. Одного прохода смеси через предлагаемый агрегат оказалось достаточно для получения водно-дисперсионной краски с высокой белизной, хорошими укрывистостью, физико-механическими и защитными показателями. Краска экологически чистая и долговечная.
Предлагаемый агрегат может применяться как для сухого, так и для мокрого измельчения, а также гомогенизации и перемешивания. В частности, многокамерная мельница-смеситель БИКБАУ может эффективно применяться для приготовления лакокрасочных материалов вместо бисерных мельниц, в которых лакокрасочная смесь многократно пропускается через внутримельничное пространство, наполненное стеклянными шариками, принудительно перемещаемыми верхним и нижним дисками с приводом.
Заявляемое устройство в отличие от бисерных мельниц позволяет получать высокое качество лакокрасочных дисперсий за один проход.
Предлагаемый агрегат найдет свое применение в различных областях промышленности для энергосберегающего сухого и мокрого измельчения, гомогенизации различных тонкодисперсных смесей и эмульсий.