Способ и устройство для измельчения сыпучих материалов
LOOSE MATERIAL GRINDER AND METHOD THEREOF

Область применения заявляемого изобретения
Заявляемое изобретение относится к оборудованию для тонкого измельчения сыпучего материала и предназначено преимущественно для получения пресс-порошка или других мелких дисперсных порошков в промышленности строительных материалов, но вместе с тем может быть использовано в химической, пищевой промышленности и в других отраслях, где необходим тонкий помол сырья.
Уровень техники
Широко известны способы и устройства /1-7/, предназначенные для измельчения сыпучего материала кинетической энергией мелющих тел, приводимых в движение ротором помольной камеры.
В основу принципа действия указанных технических решений положено воздействие на измельчаемый материал мелющими телами, стенками помольной камеры и частицами самого обрабатываемого материала при вращении ротора помольной камеры внутри неподвижной или встречно вращающейся помольной камеры.
К наиболее близким из известных по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению относятся способ и устройство для измельчения сыпучих материалов, описанные в публикации /7/.
Известный способ измельчения сыпучего материала /7/ включает ударное разрушение частиц сыпучего материала кинетической энергией мелющих тел ротора и растирание в порошок разрушенных частиц, попадающих в зазор между внешней поверхностью мелющих тел и внутренней рабочей поверхностью помольной камеры.
При этом измельчение проводят мелющими телами - шарами, свободно перемещающимися в выемках ротора, открытых в сторону рабочей поверхности помольной камеры, вращающейся встречно направлению вращения ротора.
Устройство измельчения сыпучего материала /6/ содержит помольную цилиндрическую камеру, внутри которой и на ее оси установлен ротор с мелющими телами, и электромеханические приводы для встречного вращения камеры и ротора. При этом ротор выполнен в виде барабана с диаметром, близкими к диаметру полости помольной камеры. На кольцевой поверхности барабана, обращенной к рабочей поверхности помольной камеры, выполнены выемки для засыпки мелющих тел. Мелющие тела выполнены в форме шаров. Мелющие шары и рабочая поверхность помольной камеры выполнены износоустойчивыми из сплавов твердотельных металлов.
Вращение ротора измельчителя осуществляют со скоростями, обусловливающими прижатие центробежными силами мелющих шаров к внутренней поверхности помольной камеры. Встречным вращением помольной камеры относительно вращения ротора обеспечивают принудительный циркулирующий отрыв мелющих шаров от упомянутой поверхности под действием сил инерции по криволинейной траектории, направленной к центру вращения, обеспечивая одновременно ввод сыпучего материала, примыкающего к поверхности рабочей камеры, и его помол между поверхностью мелющих шаров, циркулирующих в выемках вращающегося ротора, и внутренней поверхностью рабочей камеры.
Основным недостатком измельчения известного способа и устройства, в данном случае относящегося к шаровым мельницам, является низкая их эффективность, обусловленная в первую очередь тем, что обрабатываемый материал и мелющие шары под действием центробежных нагрузок образуют плотную массу и при высоких скоростях вращения барабана ротора, несущего мелющие шары, измельчение как таковое прекращается. А низкая скорость вращения предопределяет невысокую производительность устройства и недостаточную тонину помола.
Высокие скорости вращения ротора, а также встречное вращение корпуса помольной камеры вызывают усиленный нагрев мелющих органов за счет сложения кинетических энергий встречно вращающихся элементов мельницы. При этом снижается прочность рабочих поверхностей мелющих элементов и рабочей поверхности рабочей камеры. В целом указанные недостатки снижают надежность работы мельницы, ресурс ее работы и, как следствие, производительность и качество помола сыпучих материалов. При этом качество помола снижается не только за счет увеличения крупности помола за счет износа рабочих элементов мельницы, но и за счет возможности превышения допустимой температуры помола и оплавления частиц измельченной продукции.
Сущность заявляемого решения
Задачей изобретения является повышение производительности и качества помола сыпучих материалов.
Техническим результатом, обеспечивающим решение поставленной задачи, является повышение надежности работы рабочих органов мельницы за счет снижения рабочей температуры в помольной камере измельчителя.
Поставленная задача решена тем, что в способе измельчения сыпучего материала проводят ударное разрушение частиц сыпучего материала кинетической энергией мелющих тел вращающегося ротора с последующим растиранием в порошок разрушенных частиц, попадающих в зазор между внешней поверхностью мелющих тел и внутренней рабочей поверхностью вращающейся помольной камеры. Согласно изобретению при помоле сыпучего материала ротор и помольную камеру вращают однонаправленно, при этом ротор вращают со скоростью, обеспечивающей прижатие слоя измельчаемого сыпучего материала к рабочей поверхности помольной камеры под действием центростремительной силы вращения ротора, а помольную камеру вращают со скоростью, обеспечивающей снижение температуры в камере до допустимых значений температуры помола сыпучего материала и мелющих органов. При этом помольную камеру вращают со скоростью, меньшей скорости вращения ее ротора на величину от 50 до 500 оборотов в минуту.
Устройство, реализующее предложенный способ измельчения сыпучих материалов, содержит помольную цилиндрическую камеру, внутри которой и на ее оси установлено не менее одного ротора с мелющими телами, а также содержит электромеханический привод вращения камеры и ротора.
Согласно изобретению привод вращения выполнен с возможностью однонаправленного вращения помольной камеры и ее ротора с разностью скоростей от 50 до 500 оборотов в минуту. Каждый ротор содержит вал, установленный на оси помольной камеры. По окружности вала и перпендикулярно его оси установлены радиальные штанги, на свободных концах которых закреплены мелющие элементы. При этом привод вращения содержит не менее одного электродвигателя, снабженного редуктором. Редуктор выполнен в виде планетарной или червячной передачи, разноскоростные выходы которой кинематически соединены с корпусом помольной камеры и валом ее ротора.
Обоснование достижения технического результата и решения поставленной задачи.
Выполнение ротора в виде вала с радиальными штангами и выбор скорости его вращения из условия прижатия сыпучего материала к рабочей поверхности помольной камеры под действием центростремительной силы вращения ротора позволяет обеспечить равномерное распределение и удержание сыпучего материала на рабочей поверхности помольной камеры. Помол сыпучего материала при однонаправленном вращении помольной камеры и ее ротора с разностью скоростей от 50 до 500 оборотов в минуту позволяет одновременно снизить температуру в помольной камере до допустимой температуры помола сыпучего материала как за счет снижения энергии трения мелющих органов, так и за счет охлаждения внешним воздухом вращающейся камеры.
В целом указанные технические преимущества позволяют повысить надежность работы рабочих органов мельницы, уменьшить перегрев и деструкцию результатов помола за счет снижения рабочей температуры в помольной камере мельницы, сократить межремонтные простои и, как следствие, повысить производительность и качество помола сыпучих материалов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-4. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства (мельницы) для измельчения сыпучих материалов; на фиг. 2 - поперечное сечение мельницы; на фиг. 3 и фиг. 4 - мельница с однорядным и многорядным ротором соответственно.
На фиг. 1-4 позициями обозначены:
1 - помольная камера;
2 - питатель для подачи исходного материала;
3 - приемник измельченного материала;
4 - вал ротора;
5 - ротор;
6 - штанга;
7 - мелющие тела;
8 - редуктор;
9 - привод;
10 - шестерня привода вала с мелющими телами;
11 - шестерня привода цилиндрической камеры измельчения;
12 - блок подшипников;
13 - съемная крышка помольной камеры;
14 - отсекающий диск;
15 - продольное соосное отверстие;
16 - радиальное отверстие;
17 - отверстия для выхода измельченного материала.
Изобретение поясняется конструктивными примерами его осуществления.
Пример 1. Устройство для измельчения (фиг. 1-2) в общем случае содержит помольную камеру 1 с внутренней полостью цилиндрической формы, соединенную по входу с питателем 2 для подачи сыпучего материала, а по выходу - с приемником 3 измельченного материала. Камера 1 выполнена с возможностью вращения вокруг своей оси. Внутри камеры 1 на ее оси установлен вал 4, на котором установлено не менее одного ротора 5. Каждый ротор 5 выполнен с возможностью его вращения в полости камеры 1 и содержит установленные равномерно по окружности вала 4 и перпендикулярно его оси радиальные штанги 6. На свободных концах штанг 6 установлены подвижно мелющие тела 7. Мелющие тела 7 выполнены из твердых материалов, например из карбида кремния, в форме сегмента, шара, капли, ролика. Для подвижного крепления на штангах 6 в них выполнены соответствующие выемки и/или отверстия. Вал 4 ротора 5 и корпус помольной камеры 1 соединены через редуктор 8 с приводом 9 вращения. Привод 9 вращения содержит не менее одного электродвигателя. Редуктор 8 выполнен в виде планетарной или червячной передачи, разноскоростные выходы которой кинематически соединены с корпусом помольной камеры 1 и валом 4 ее ротора 5 с возможностью их однонаправленного вращения с разностью угловых скоростей вращения от 50 до 500 оборотов в минуту.
Пример 2. Устройство для измельчения (фиг. 3) - в отличие от примера 1 помольная камера 1 содержит чашеобразное днище для удобства очистки и автоматического перемешивания измельчаемого материала. Кроме того, редуктор 8 выполнен в виде шестеренчатой передачи, содержащей шестерню 10 и 11 для вращения вала 4 в блоке подшипников 12 и для вращения помольной камеры 1 соответственно. С верхней стороны помольной камеры 1 установлена съемная крышка 13.
Пример 3. Устройство для измельчения (фиг. 4) - в отличие от вышеприведенных вариантов конструкции содержит блок роторов 5 в количестве от двух до десятков, установленных на общем валу 4. Конкретное значение количества роторов 5 зависит от вида сыпучего материала, его твердости и требуемой тонины его помола. Кроме того, с верхней стороны блока роторов 5 на валу 4 установлен отсекающий диск 14. При этом питатель 2 дополнительно содержит продольное соосное отверстие 15 в верхней части вала 4, соединенного с его выходными радиальными отверстиями 16 над верхней поверхностью диска 14. Верхняя поверхность диска 14 выполнена выпуклой в сторону приема сыпучего материала. В днище камеры 1 выполнены отверстия 17 для выхода измельченного материала в приемник 3.
Указанные устройства по предлагаемому способу измельчения работают следующим образом.
1
2
1
1
2
1
К
1
2
1
2
2
2
Перед началом помола включают электромеханический привод 1. При этом вращение вала привода через редуктор 2 передается одновременно и однонаправлено на камеру 3 и вал 4 ротора 5. При этом вал 4 ротора 5 вращают с угловой скоростью ωЄ{1000…10000} оборотов в минуту, а камеру 3 с угловой скоростью ω, меньшей ω на 50…500 оборотов в минуту, в одном угловом направлении с ротором 5. Конкретное значение ω и ω выбирают из плотности сыпучего материала и крупности его частиц. После набора рабочих оборотов мельницы в полость помольной камеры 1 через питатель 2 засыпают сыпучий материал. Под действием центробежной силы вращения ротора 1 с угловой скоростью ωЄ{1000…10000} оборотов в минуту сыпучий материал прижимается к внутренней поверхности помольной камеры 1. Далее прижатый материал перемалывается мелющими телами 7 за счет кинетической энергии W={m⋅(ω-ω)⋅R}/2, где m - масса мелющих тел 7; (ω-ω)=Δω - разность угловых скоростей ротора и помольной камеры; R - длина штанги 6 от центра ротора 5 до центра мелющих тел 7. Дальнейшее измельчение материала производится за счет его истирания между внешней поверхностью мелющих тел 7 и внутренней поверхностью помольной камеры 1.
При этом за счет вращения помольной камеры 1 в направлении вращения ее ротора 5 происходит снижение рабочей температуры в помольной камере измельчителя и, как следствие, повышение износоустойчивости и надежности работы рабочих органов мельницы.
Испытания предложенного способа измельчения проводились на опытном образце (фиг. 3) мельницы с футеровкой из карбида кремния. При этом объем «V» помольной камеры 1 составлял V=500 мл, а мощность «Р» электропривода 9 составляла Р=0,45 кВт. При этом в качестве сыпучего материала использовался твердый материал: кварцевый песок и электрокорунд белый марки 25А.
Режимы и результаты измельчения данным способом приведены в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что вращение камеры и ротора в одном направлении с указанными в таблице скоростями вращения камеры 1 и ротора 5 позволило измельчить в порошок твердый сыпучий материал за время не более 1 минуты.
Измерение температуры мелющих тел 7 после каждого цикла помола показало, что их температура не превысила допустимых значений (300°С) снижения их твердости. Испытания опытной мельницы в течение месяца ее работы не потребовали замены ее мелющих элементов.
2
Испытания указанной мельницы: при вращении только ротора (ω=0) время помола сократилось наполовину. Однако при этом температура в камере 1 превысила 500°С и произошел 50% износ мелющих тел 7 за один цикл помола. Это привело к необходимости полной замены мелющих тел в опытной мельнице.
Таким образом, предлагаемые способ и устройства измельчения позволяют разрешить противоречие между скоростью вращения ротора, необходимой для подачи сыпучего материала в зону его измельчения и недопустимой температурой в зоне измельчения за счет трения между собой рабочих органов (внутренней поверхности камеры 1 и мелющих тел 7). Результатом этого является резкое увеличение надежности работы мельницы, повышение ресурса ее работы. При этом за счет увеличения износоустойчивости мелющих элементов и качества помола при уменьшении рабочей температуры в мельнице одновременно удлиняются межремонтные сроки эксплуатации и профилактических замен мельниц, использующих предлагаемый способ измельчения.
Данное изобретение не ограничивается вышеприведенными примерами его осуществления. В рамках данного изобретения возможны и другие варианты его осуществления. В частности, при описанном способе измельчения стенка цилиндрической камеры 1 при вращении охлаждается естественным воздушным способом. Для дополнительного охлаждения возможна установка на внешнюю сторону цилиндрической камеры лопаток для забора воздуха и/или механизма воздушного охлаждения вне камеры. Это гораздо дешевле и проще используемых в настоящее время в прочих мельницах сложных систем охлаждения наружной футеровки. Для уменьшения истирания и увеличения срока службы мелющих тел 7 последние могут быть изготовлены из твердых износоустойчивых материалов и с возможностью автоматического их приближения к внутренней поверхности помольной камеры 1 по мере износа их трущихся частей. В данном случае мелющие тела 7 могут быть изготовлены, например, в виде шара с центральной выемкой для подвижной насадки на штанги ротора 5 или в виде объемной капли с отверстием на узком ее конце для подвижного болтового крепления капли на верхнем конце штанги 6.
Промышленная применимость
Данное изобретение может быть использовано для измельчения сыпучих материалов в горнодобывающей отрасли, химической промышленности, производстве строительных материалов, для переработки продуктов питания, отходов и других материалов в промышленных и исследовательских масштабах.
Источники информации
1. Г.С. Ходаков. Физика измельчения. М.: Наука, 1972, 308 стр. с илл.
2. Хинт Й.А. Основы производства силикальцитных изделий. М.: Госстройиздат, 1962. - 642 с.
3. SU №1313502, МПК: В02С 17/08.
4. RU №2097135, МПК: В02С 19/00, опубл. 27.11.97.
5. RU №2024309, МПК: В02С 15/08, опубл. 15.12.1994.
6. RU №2024309, МПК: В02С 15/08, опубл. 15.12.1994.
7. RU №2255809, МПК: В02С 15/08, опубл. 17.04.2003.