ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ДРОБИЛКА
ELECTROHYDRAULIC CRUSHER

Изобретение относится к оборудованию для дробления и измельчения различных материалов с использованием электрогидравлического эффекта и может быть применено в строительной и других отраслях промышленности.
Сущность электрогидравлического эффекта (ЭГЭ) состоит в том, что при импульсном высоковольтном электрическом разряде в жидкости вокруг зоны разряда возникают сверхвысокие гидравлические давления, сопровождающиеся кавитационными явлениями и ударными волнами в жидкости, способные совершать полезную механическую работу, например, измельчение различных материалов, и (Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Ленинград, «Машиностроение», 1986, 138 с. 10, 180).
Все типы электрогидравлических дробилок (ЭГД) различаются по степени измельчения материалов до фракций определенного размера (щебеночные, песчаные, коллоидные) и конструктивно могут быть выполнены с верхним, боковым или нижним расположением положительного электрода. Отрицательным электродом почти всегда является корпус дробилки. Загрузка материала также может быть верхней, нижней и боковой (Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Ленинград, «Машиностроение», 1986, 138 с. 180).
Большинство ЭГД для измельчения щебеночных материалов до размера готового продукта более 5 мм выполнено следующей схеме: загрузочный бункер исходного материала; ниже него дробильная камера с электродами, в которую материал поступает под действием силы тяжести; дно дробильной камеры представляет собой плоскую или криволинейную выпуклостью вниз решетку, размеры которой и определяют размеры готового продукта; устройство для выгрузки готового продукта, обычно выполненное в виде конвейера с перегородками; все устройство заполнено рабочей жидкостью - водой; система циркуляции воды с устройствами для очистки от технологических загрязнений.
Общим недостатком ЭГД с плоской разгрузочной решеткой является наличие зон, удаленных от зоны разряда, в которых дробление материала практически не происходит (патенты на изобретение RU: RU №2090265, 1996 г.; №2259235, 2004 г., №2401701, 2009 г.).
ЭГД с криволинейной решеткой, установленной на дне дробильной камеры выпуклостью вниз, обеспечивает нахождение дробимого материала в центральной зоне решетки, где ударный импульс имеет наибольшую величину, что способствует высокой производительности процесса дробления. Кроме того, вогнутая решетка позволяет разряду пойти по любому радиусу из точки разряда до любой точки решетки с одинаковой эффективностью, и наличие крупных кусков дробимого материала между разрядником и решеткой не препятствует возникновению разряда (а.с. СССР №126348, 1957 г., патент на изобретение RU №2105611, 1996 г.).
Некоторые ЭГД снабжаются устройствами для классификации частиц готового продукта по размерам, представляющие собой, как правило, наклонные решетки с ячейками разной величины, ниже которых расположены приемные и транспортирующие устройства (патенты на изобретение RU: №2090265, 1996 г.; №2259235, 2004 г.; №2317856, 2006 г.).
Общими недостатками ЭГД с данными классификаторами являются: низкая эффективность процесса разделения продукта дробления на фракции, т.к. разделение происходит на решетках под действием собственного веса частиц материала без использования дополнительных средств интенсификации процесса; сложность перенастройки дробилки на другую степень измельчения материала, т.к. потребуется замена и разгрузочной решетки, и наклонных решетчатых лотков.
Наиболее эффективными представляются ЭГД, в которых дробление и разделение готового материала происходит непосредственно в зоне дробления или непосредственной близости от нее, где еще наблюдается силовое воздействие от разряда, энергия которого используется для разделения частиц по фракциям (патент на изобретение RU №2259885, 2004 г.).
В песчаных ЭГД для дробления материалов на фракции не крупнее 1…5 мм крупность фракций задается, как и в щебеночных дробилках, диаметром выходных отверстий решетчатого днища. Транспортирование раздробленного материала из корпуса дробилки может быть принудительным (посредством конвейера) или гидравлическим. Причем удаление мелкой фракции может происходить в восходящей потоке. В этом случае решетка устанавливается над камерой дробления и готовый продукт выносится в разгрузочный лоток.
Дробилки коллоидного типа могут измельчать материалы на фракции от 1…2 мм до долей микрона и выполнены, как правило по схеме песчаных дробилок удалением мелкой фракции в восходящем потоке жидкости. Тонкость измельчения задается скоростью восходящего потока воды. Так, известна ЭГД, включающая корпус, загрузочный бункер, электроды, классифицирующее приспособление с восходящим потоком жидкости, выполненное в виде наклонной решетки и расположенное над зоной дробления, и лоток для сброса готового продукта (а. с.СССР №888355, 1980 г.). Удаление готового материала, крупность которого меньше размеров отверстий наклонной решетки, производится восходящим потоком жидкости, проходящим через решетку наверх к лотку для сброса готового продукта.
Достоинством ЭГД данного типа классификации по фракциям является своевременное удаление продуктов дробления и загрязняющих примесей из зоны разряда, что повышает эффективность процесса дробления.
Недостатки подобных ЭГД:
- Невысокая эффективность процесса измельчения, т.к. удаление готового продукта из зоны дробления происходит с низкой интенсивностью из-за небольшой скорости восходящего потока жидкости через решетку с большой площадью отверстий;
- Повышенная энергоемкость процесса вследствие необходимости перекачки значительный объемов жидкости.
Известна ЭГД, содержащая корпус и один рабочий электрод, установленный над решеткой с отверстиями, которые имеют вид радиальных или вытянутых по дуге щелей, по меньшей мере, двух разных размеров (а.с. СССР №852356, 1973). Подбором соотношения числа отверстий с разными размерами можно добиться, чтобы дробилка производила щебень определенного фракционного состава, но результаты такого подбора были бы пригодны только для одного вида сырьевой горной массы (по размерам и виду горных пород) и только для заданного фракционного состава продукта. Поэтому известная дробилка также может производить щебень только одного фракционного состава. Для каждого нового фракционного состава пришлось бы изготавливать несколько вариантов решеток, определять, какой из них наиболее подходящий, а затем организовывать промышленное изготовление очередной разновидности решетки.
Итак, на основе анализа достоинств и недостатков существующих типов ЭГД можно предложить следующие рекомендации разработке по конструкции эффективных дробилок:
- дно дробильной камеры должно быть вогнутым для обеспечения нахождение дробимого материала в центральной зоне, где ударный импульс имеет наибольшую величину и разряд имеет возможность пойти по любому радиусу из точки разряда до любой точки дна с одинаковой эффективностью, что способствует высокой производительности процесса дробления;
- для интенсификации процесса разделения продукта дробления на фракции следует использовать энергию ударных волн от разряда;
- конструкция ЭГД должна обеспечивать перенастройку степени дробления материала при минимальных затратах временных и материальных ресурсов.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению является электрогидравлическая дробилка, содержащая загрузочный бункер, корпус с электродами, разрядную камеру, разгрузочную решетку, расположенную под разрядной камерой и выполненную плоской, классификационную камеру, расположенную под разгрузочной решеткой и содержащую наклонные решетчатые лотки с раздельным отводом фракций, выделяющихся на каждом лотке (патент на изобретение RU №2090265, 1996 г.). Данное устройство эффективно разрушает дробимый материал до размера ячеек разгрузочной решетки и удаляет его из зоны разряда, т.к. выброс измельченного материала производится через разгрузочную решетку под давлением, создаваемым ударной волной импульсного разряда.
Недостатками ЭГД являются:
- наличие зон, удаленных от зоны разряда, расположенных на плоской разгрузочной решетке, в которых дробление материала практически не происходит;
- низкая эффективность процесса разделения продукта дробления на фракции, т.к. разделение происходит на решетках под действием собственного веса частиц материала без использования дополнительных средств интенсификации процесса;
- сложность перенастройки установки на другую степень измельчения материала, т.к. потребуется замена и разгрузочной решетки, и наклонных решетчатых лотков.
Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности дробилки.
Технический результат - повышение производительности и качества готового продукта.
Поставленная задача достигается тем, в электрогидравлической дробилке, содержащей загрузочный бункер, корпус с электродом, заполненный водой, разрядную камеру, разгрузочную решетку, классификационную камеру, разрядная камера совмещена с разгрузочной решеткой и выполнена, по первому варианту, цилиндрической с тангенциальными вертикальными щелями на всю высоту разрядной камеры и коническим днищем и размещена внутри цилиндрической классификационной камеры с коническим днищем и выходным патрубком крупной фракции дробления, снабженной классификатором с коническим днищем и круговой щелью по его периметру, установленным под разрядной камерой и образующим с днищем разрядной камеры кольцевую щель и заканчивающийся выходным патрубком мелкой фракции дробления.
По второму варианту разрядная камера, конструктивно совмещенная с разгрузочной решеткой, выполнена цилиндрической в виде сборной конструкции, состоящей из набора чередующихся по вертикали лопастей по несколько штук в одном ряду и дисков, сжатых посредством винтовых шпилек с гайками между верхним фланцем и днищем и образующих тангенциальные щели, высота которых равна толщине лопастей.
Цилиндрическая форма разрядной камеры и ее конструктивное совмещение с разгрузочной решеткой обеспечивает нахождение измельчаемого материала в непосредственной близости от зоны разряда, в которой разрушающие материал силы имеют наибольшую величину, что позволяет достичь высоких значений производительности и КПД процесса дробления.
Воздействие ударной волны в разрядной камере на уже измельченный материал придает ему кинетическую энергию и выбрасывает его с определенной скоростью вместе с жидкостью в классификационную камеру, причем выброс происходит по касательной к цилиндрической поверхности разрядной камеры через ее тангенциальные щели, придавая вращение взвеси раздробленного материала и жидкости.
Более крупные, и, следовательно, более тяжелые частицы, обладая большей кинетической энергией и испытывая большую центробежную силу от вращения взвеси, отбрасываются на периферию классификационной камеры и, оседая под действием силы тяжести, попадают во внешнюю кольцевую щель между классификатором и стенкой классификационной камеры и опускаются по ее коническому днищу к выходному патрубку крупной фракции дробления. Более мелкие частицы в силу действия тех же факторов оседают ближе к центру классификационной камеры и попадают в кольцевые щели, имеющиеся в классификаторе по его периметру и образованную между днищем разрядной камеры классификатором, опускаются по его коническому днищу к выходному патрубку мелкой фракции дробления.
Таким образом, энергия разряда используется не только для дробления материала, но и для разделения его по фракциям, что повышает производительность процесса классификации готового продукта.
Коническая форма днища разрядной камеры обеспечивает нахождение дробимого материала в центральной его зоне, где ударный импульс имеет наибольшую величину, что также способствует высокой производительности процесса дробления. Кроме того, коническая форма днища разрядной камеры обеспечивает выброс раздробленного материала под положительным углом к горизонту (при первом варианте исполнения разрядной камеры), что увеличивает дальность его полета в классификационной камере и уменьшает тем самым вероятность выхода более крупных частиц через патрубок мелкой фракции дробления.
Таким образом повышается качество готового продукта, выраженное в процентном содержании частиц заданного размера в выходных фракциях.
Второй вариант исполнения разрядной камеры, выполненной в виде сборной конструкции, состоящей из набора чередующихся по вертикали лопастей по несколько штук в одном ряду и дисков, сжатых посредством винтовых шпилек с гайками между верхним фланцем и днищем, обеспечивает легкую перенастройка ЭГД на требуемый размер фракций готового продукта путем установки лопастей другой толщины или изменения их количества между дисками. Трудоемкость снятия камеры дробления невелика, т.к. потребуется отсоединения восьми или шестнадцати болтовых соединений. Для переборки самой камеры дробления надо разобрать восемь болтовых соединений. Таким образом, весь процесс перенастройки на другую степень дробления займет не более одного-двух часов в зависимости от размеров ЭГД, причем можно обойтись без замены комплектующих, что улучшает также и экономические характеристики дробилки.
Конструкция электрогидравлической дробилки поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид дробилки сбоку первого варианта исполнения, на фиг. 2 - радиальный разрез разрядной и классификационной камер ЭГД первого варианта исполнения; на фиг. 3 - общий вид разрядной камеры второго варианта исполнения; на фиг. 4 - радиальный разрез разрядной камеры второго варианта исполнения.
Электрогидравлическая дробилка включает загрузочный бункер 1, связанный через фланцевое соединение 2 с трубопроводом 3, образованным изогнутыми трубными сегментами (фиг. 1). Трубопровод 3 через фланцевое соединение связан с цилиндрической разрядной камерой 4, которая в свою очередь через другое фланцевое соединение связана с классификационной камерой 5. Причем разрядная камера 4 размещена внутри классификационный камера 5 соосной с ней. Днище разрядной камеры 4 также выполнено коническим.
Классификационная камера 5 имеет коническое днище, заканчивающееся патрубком 9 выхода крупной фракции дробления. Под разрядной камерой соосно с ней установлен классификатор 7 с коническим днищем, образующий с коническим днищем разрядной камеры 4 две концентрические щели и заканчивающийся патрубком 8 выхода мелкой фракции дробления.
На трубопроводе 3 установлен изолированный электрод 6, связанный с высоковольтным источником питания и формирователем импульсов (на схеме не показаны) и заканчивающийся разрядным наконечником в нижней части разрядной камеры. Электрод подключен к положительному выходу источника питания, а корпус - к отрицательному.
Трубопровод 3 и классификационная камера 5 с разрядной камерой 4 заполнены водой. Установка снабжена системами циркуляции и очистки воды, не отображенными на схеме.
В зависимости от характера выполняемых функций исполнение разрядной камеры 4 может быть двух вариантов.
Первый вариант - невысокая степень дробления исходного материала до величины, определяемой размерами концентрических щелей классификатора 7. В этом варианте в разрядной камере 4 выполнены вертикальные тангенциальные щели на всю высоту разрядной камеры. Ширина и количество щелей определяется фракционным составом продукта дробления (фиг. 2). Эти щели и представляют собой разгрузочную решетку, конструктивно совмещенную с разрядной камерой 4.
Второй вариант исполнения разрядной меры - высокая степень дробления исходного материала до заданной величины максимального размера частиц готового продукта. В этом варианте разрядная камера 4 выполнена в виде сборной конструкции, состоящей из набора чередующихся по вертикали лопастей 10 по несколько штук в одном ряду (в приведенной схеме по четыре) и дисков 11 (фиг. 3, 4), сжатых посредством винтовых шпилек 14 с гайками между верхним фланцем 13 и днищем 12. Максимальный размер частиц готового продукта определяется толщиной лопастей 10. Щели между дисками 11 представляют собой разгрузочную решетку, конструктивно совмещенную с разрядной камерой 4.
Следует отметить, что в первом варианте исполнения разрядная камера 4 тоже может быть сборной конструкцией, но собранной только из лопастей 10 (лопасти на фиг. 1 не отображены). Так технологически проще изготовить разрядную камеру, однако возможна и литая конструкция, отображенная на фиг. 1.
Установка работает следующим образом.
Исходный материал поступает в загрузочный бункер 1 и перемещается под собственным весом по заполненному водой трубопроводу 2 в нижнюю часть разрядной камеры 4 в зону действия высоковольтного электрического разряда, расположенную между электродом 6 и днищем разрядной камеры. В данной зоне материал подвергается воздействию факторов электрогидравлического эффекта - высоким и сверхвысоким давлениям, сопровождаемым кавитационными явлениями и ударными волнами в жидкости, возникающими в момент электрического разряда. Воздействие факторов электрического разряда в воде приводит к разрушению исходного материала до фракций, способных пройти через тангенциальные щели разрядной камеры 4.
Тангенциальные каналы придают движению взвеси жидкости и материала вращательное движение в разрядной 4 и классификационной 5 камерах.
Прошедшая тангенциальные щели более крупная фракция дробленого материала, обладая большей кинетической энергией, улетает дальше и попадает в дальние широкие щели классификационной камеры 5, далее выводится через патрубок 9. Более мелкая (легкая) фракция падает раньше и распределяется по узким щелям классификатора 7, затем выводится через патрубок 8. Таким образом производится классификации дробленого материала по фракциям.
Размеры разрядной 4 и классификационной 5 камер, классификатора 7 определяются видом, крупностью и степенью измельчения дробимого материала.
Различие в работе ЭГД второго вариантов исполнения от первого заключается в необходимости большего количества разрядных импульсов для получения менее крупных фракций продукта дробления, способных пройти через щелевые отверстия разрядной камеры.
Перенастройка ЭГД на требуемый размер фракций готового продукта производится отсоединением фланца 13 дробильной камеры 4 от трубопровода 3 и классификационной камеры 5 и установкой лопастей 10 другой толщины или изменения их количества между дисками 11. Трудоемкость снятия камеры дробления 4 невелика, т.к. потребуется отсоединения восьми или шестнадцати болтовых соединений. Для переборки самой камеры дробления надо разобрать восемь болтовых соединений. Таким образом, весь процесс перенастройки на другую степень дробления займет не более одного-двух часов в зависимости от размеров ЭГД.
Таким образом, заявляемая конструкция электрогидравлической дробилки позволяет исключить недостатки, присущие прототипу и большинству известных конструкций ЭГД, и поэтому обеспечивает существенное повышение производительности процесса дробления и качества готового продукта.