Ударная мельница
PERCUSSION MILL

Изобретение относится к области изготовления металлических порошков способом ударного измельчения, и служит, в частности, для переработки стружки тугоплавких металлов для повторного использования в электрометаллургии.
Для измельчения материалов в промышленности используются различные виды мельниц, принцип действия которых обусловлен основными способами разрушения: раздавливание, истирание, раскалывание, удар и резание. [С.Е. Андреев и др. // Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: «Недра». - 1980. - 415 с.]. При производстве тонкодисперсных материалов в больших объемах в условиях промышленности эти способы остаются практически незаменимыми благодаря высоким показателям надежности оборудования и простоте его обслуживания, несмотря на то, что КПД некоторых мельниц довольно невысок и измельчение является достаточно энергоемким процессом. Поэтому правильный выбор оборудования и требования, предъявляемые к технологии, во многих отраслях промышленности стимулируют поиск новых способов и подходов для решения проблем, связанных с измельчением различных по прочности материалов.
Из уровня техники известна ударная мельница, предназначенная для тонкого измельчения материалов с различными свойствами [В.В. Блинов и др. // Патент РФ №2282502 от 27.08.2006 Бюл. №24] - аналог. Ударная мельница содержит корпус, верхнюю крышку с центральным загрузочным патрубком, помольные камеры с вращающимися билами, систему отбора готового продукта из зоны измельчения, электропривод. Помольные камеры снабжены формирователями потоков измельчаемого материала, а в систему отбора готового продукта встроен классификатор. Частицы материала, проходя через билы смежных валов и помольные камеры, подвергаются ударам и по мере продвижения к периферии измельчаются. Измельченный материал осаживается на стенки корпуса закрученным потоком, отделяющим крупные частицы от мелких частиц, мелкие частицы отводятся газовым потоком, а крупные, увлекая за собою часть мелких частиц, отводятся на повторное измельчение, что снижает эффективность процесса, уменьшая производительность, увеличивая энергоемкость, и требует дополнительной классификации полученного порошка. Стоит отметить, что использование кислородосодержащей атмосферы окружающего воздуха для формирования потоков частиц и последующей сепарации, в случае использования стружки тугоплавких металлов, таких как молибден или вольфрам - материалов, имеющих большое сродство к кислороду, приводит к возгоранию частиц металла и образованию оксидов в процессе размола, вызванному сильным локальным тепловыделением от ударов бил на скоростях 100-200 м/с. Рассмотренное изобретение относится к устройствам для тонкого измельчения материалов с различными свойствами: твердых (мрамор), упругих (резина), тепло-чувствительных материалов (композиции на основе эпоксидных, полиэфирных или акриловых смол), но совершенно не пригодно для измельчения стружки тугоплавких металлов.
Идея использования сжатой струи газа для измельчения твердого материала получила достаточно много вариантов конструктивного оформления. Наиболее близкой по своей технической сущности является мельница ударного действия с неподвижным отбойником-отражателем [И.В. Постникова, В.Н. Блиничев, Я. Кравчик. Струйные мельницы. // «Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение». - №2(42). - 2015] - прототип. Принцип работы прототипа заключается в следующем: измельчаемый материал подается в помольную камеру, где подхватывается струями газа-энергоносителя и разгоняется до высоких скоростей. Движущиеся с большой скоростью частицы сталкиваются либо друг с другом, либо с отбойной плитой, в результате чего происходит их интенсивное разрушение. Дополнительное измельчение осуществляется при трении частиц друг о друга и о стенки помольной камеры. Отсутствие мелющих тел позволяет получать дисперсный материал с низким и даже нулевым содержанием продуктов износа. Размеры частиц готового продукта могут регулироваться в широком диапазоне, причем ударную мельницу обычно снабжают классификатором. Во время работы сжатый газ подают в камеру измельчения через сопла. Сопла имеют два варианта исполнения - конические и сопла Лаваля. Конические сопла обычно применяют для непрочных материалов, а также в спиральных струйных мельницах. Сопло Лаваля в мельницах ударного действия имеет режим работы отличный от расчетного и не дает тех преимуществ сверхзвукового течения струи, которое повышает эффективность размола, особенно в случае измельчения тугоплавких металлов. Специальные ударные мельницы имеют сопла для формирования встречных потоков материала. В этом случае ожидаемый результат, в виде повышения эффективности, не подтверждается практически - при встрече потоков наблюдается большая область стагнации, и такой принцип ударного размола оказывается неэффективным при измельчении тугоплавких металлов.
Задачей настоящего изобретения является разработка ударной мельницы, которая позволяет при небольших технических и экономических затратах получить высокую равномерность измельчения стружки тугоплавких металлов с минимальным содержанием пылевой фракции и нулевым содержанием продуктов износа для повторного использования в электрометаллургии.
Технический результат достигается за счет того, что в ударной мельнице, состоящей из корпуса, входного патрубка, выполненного в виде сопла Лаваля и неподвижного отбойника-отражателя, сопло Лаваля работает в расчетном режиме формирования сверхзвуковой струи, а отбойная плита расположена в области первого диска Маха. Кинематическая схема ударной мельницы представлена на фиг. 1. Цифрами обозначены: 1 - корпус; 2 - сопло Лаваля; 3 - отбойная плита; 4 - подача стружки; 5 - подача газа-энергоносителя.
Устройство работает следующим образом: газ-энергоноситель (аргон) подается в сопло Лаваля (2) под давлением 1 МПа через входной патрубок (5) и на выходе сопла приобретает скорость ~400 м/с; стружка тугоплавкого металла подается в сопло по патрубку (4); приобретая ускорение и разгоняясь до сверхзвуковых скоростей, стружка сталкивается с отбойной плитой (3) и разрушается; отбойная плита выполнена из того же тугоплавкого металла, что предотвращает загрязнение продуктами износа; для увеличения эффективности и однородности ударного разрушения стружки отбойная плита помещается в область первого диска Маха, где, благодаря газодинамическим эффектам, струя газа-энергоносителя сжимается, увлекая за собой стружку и уменьшая область стагнации. Цикл измельчения закончен, измельченный материал оседает на дно корпуса (1). На фиг. 2 представлена стружка до размола. На фиг. 3 представлена стружка после (1) - однократного и (2) - двукратного размола. Благодаря применению "чистого удара" измельченный материал имеет однородную структуру с минимальным содержанием пылевой фракции и нулевым содержанием продуктов износа и пригоден для дальнейшего применения в электрометаллургии. С помощью предложенного устройства значительно снижаются энергетические затраты и повышается эффективность переработки вторичного сырья.