Основные способы механического измельчения и дисперсионного анализа твердых тел

УД К 621.926

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И ДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Н.С. Сембаев, Г.Д. Бозымбаев

Павлодарский государственный университет им. С.Торайгырова

Способы механического измельчения, т.е. способы разрушения твердых тел на все более мелкие частицы путем создания в них разрушающих напряжений, как и машины, предназначенные для этой цели, являются предметом изучения машиноведения. Физики измельчения они касаются в той мере, в какой действие среды изменяет прочность твердых тел и характер взаимодействия между дисперсными частицами. Поскольку условия, в которых производится измельчение, для каждого способа различны, то в зависимости от этих условий различен и характер взаимодействия твердых тел со средой, и, вследствие этого и эффекты, вызываемые влиянием среды.

По той же причине эффективность применения многих поверхностно-активных веществ для интенсификации процесса измельчения определяется принципом действия и особенностями конструкции машины. В связи с этим представляется уместным краткое описание и систематизация основных приемов тонкого измельчения, применяемых в промышленности и лабораторной практике.

Машины для измельчения порошков

При конструировании мельниц учитываются дисперсность, которую необходимо получить, размеры исходного материала, его механические свойства (твердость, пластичность, прочность), температурные характеристики, реакционная способность и ее изменение при измельчении, а также возможная степень загрязнения материала продуктами износа мельницы и мелющих тел, допустимая степень его окисления при взаимодействии с воздухом, взры-воопасность и ряд других показателей. Непременным условием промыншен-

ного процесса измельчения должна бьпъ его экономичность, разумная длительность, простота устройства машины и надежность ее работы. Все многообразие требований, предъявляемых практикой к порошкам и суспензиям и к способом их получения, привело к созданию самых разнообразных типов машин для измельчения. По мере развития техники в связи с появлением новых конструкционных материалов и изменением требований к измельченным порошком и расширением их ассортимента машины для измельчения становится более совершенными: число их типов, отличающихся размерами, производительностью и другими параметрами, все многочисленнее. Это вызвало необходимость некоторой их систематизации, связанной как с нуждами конструирования, так и предназначенной для облегчения их выбора для каждого конкретного случая промышленного использования или лабораторных нужд. Несмотря на значительные расхождения в деталях, можно наметить общие принципы систематизации и выявить несколько вполне определенных классов измельчителей и линий их развития.

Обычно разрушение материала производится путем механического воздействия на него мелющих тел или кусков того же материала. К машинам этого класса относятся вращающиеся, вибрационные и струйные мельницы, молотковые, валковые и другие дробилки. В машинах другого класса разрушение производится посредством воздействия на материал окружающей среды жидкости или газа. К этому классу относятся электрогидравлические дробилки и кавитационные мельницы. Разрушение в них осуществляется всесторонним сжатием материала и последующим резким сбросом давления, создаваемого генерацией в жидкости упругих волн и кавитацией. В некоторых случаях разрушение пористых влагосодержащих материалов облегчается их быстрым нагревом, в результате чего в твердом ' теле за счет давления пара создаются разрушающие напряжения.

Подавляющую часть порошков измельчают в машинах, в которых реализуется обычное механическое разрушение. Pix сравнительно простое конструктивное оформление сочетается с надежностью и экономичностью. Из машин, использующих другие принципы, электрогидравлический измельчитель пригоден для разрушения крупных кусков, а кавитаци-онный и ультразвуковой, в силу сравнительно малой мощности генерируемых колебаний и малых длин упругих волн, лишь для разрушения мягких материалов и агрегатов уже измельченных частиц.

руемых колебаний и малых длин упругих волн, лишь для разрушения мягких материалов и агрегатов уже измельченных частиц.

Мельницы различаются также назначением; одни из них приспособлены для грубого измельчения - диспергирования. Резкой разницы между дроблением и диспергированием не существует. Имеется большая группа машин, на которых можно получать материал средней тонкости. Диапазон дисперсности, достижимый в каждой машине, обычно бывает велик, однако из них в силу особенностей устройства свойственна некоторая дисперсность материала, при которой помол наиболее эффективен и экономичен.

Элементарные акты разрушения осуществляются созданием в частицах предельных напряжений сдвига путем сдавливания, удара или среза. Кинетическая энергия сообщается либо непосредственно мелющим телам, как в молотковых, щековых и других дробилках, в ударно- центробежных и дезинтеграторных мельницах, либо корпусу мельницы, от которого она передается свободным шарам, стержням или кускам материала посредством трения, центробежного эффекта и с использованием сил тяжести (вращающиеся шаровые и стержневые мельницы самоизмельчения, а также отражательные дробилки) или инерционных сил (вибрационные и планетарные мельницы). В струйных мельницах элементарные акты разрушения осуществляются при ударе частиц разогнанных струями газа, друг о друге либо об отбойную плиту из твердого материала.

Как в промышленности, так и в лабораторной практике чаще всего применяются четыре типа мельниц: вращающиеся шаровые, вибрационные, ударные и струйные. Эффективность их работы, экономичность и область дисперсности, в которой они дают лучшие показатели, зависят от таких факторов, как материалы стенок и мелющих тел, размеры и количество шаров, в случае струйной — скорость и запыленность газа, в случае вибрационной - частота в амплитуда колебаний и т.д. Многое определяет сопряженный с мельницей агрегат загрузки и удаления измельченного материала.

На основании известных в настоящее время данных можно с уверенностью утверждать, что не имеется такого одного типа мельницы, который мог бы всегда и во всех случаях эффективно заменить все другие, даже в сравнительно узкой области дисперсности. (Более того, можно, по-видимому, показать принципиальную невозможность создания такой универ-

сальной машины). Выбор мельниц для промышленных и исследовательских целей должен осуществляться с учетом конкретных свойств измельчаемого материала и условий его применения. В самых общих чертах из названных четырех типов мельниц при помоле абразивных материалов вращающаяся шаровая наиболее экономично, она позволяет получать продукт такой же тонкости, что и струйная. Для очень тонкого измельчения предназначены вибрационные мельницы, но измельченный материал в них загрязняется продуктами износа мелющих тел. В струйной мельнице износ минимален, но велики потери материала, уносимого отработанным газом. Мельницы ударного действия, называемые дезинтеграторами, пригодны для измельчения только очень мягких материалов, абразивность которых достаточно мала. Ниже дано более подробное описание конструкций и принципов действия измельчителей этих видов.

Вращающиеся мельницы с мелющими телами являются наиболее распространенным типом измельчителей. Они успешно применяются в горно-обогатительной, строительной и химической промышленности. Многие особенности этих мельниц свойственны также вибрационным и планетарным шаровым мельницам.

Вращающиеся шаровые и стержневые мельницы состоят из пустотелого барабана, имеющего торцевые крышки, с полыми цапфами, которые установлены в подшипниках. Помольная камера заполнена мелющими телами (шары, стержни, цильпебс, кремневая галька) и измельчаемым материалом. При вращении помольной камеры мелющие тела увлекаются посредством сил трения и центробежного эффекта стенками, поднимаются на некоторую высоту и падают вниз, измельчая частицы в зоне соприкосновения шаров (или других мелющих тел). Перемещение измельчаемого материала по мельнице осуществляется за счет естественного напора при непрерывной его подаче. При мокром помоле материал увлекается жидкостью. В случае сухого помола через мельницу может продуваться поток воздуха, выносящий более легкие измельченные частицы. Подача горячего воздуха позволяет совместить помол с сушкой.

В расчетах обычно рассматривается шар, увлекаемый силами трения во вращение барабаном мельницы. При движении шара по круговой траектории в некоторой ее точке проекция силы тяжести шара на радиус его

вращения вокруг оси мельницы становится равной центробежной силе. Поскольку тангенциальная сила погашается реакцией опоры и сопротивлением последующего ряда шаров того же слоя, шар получает возможность двигаться по круговой траектории под действием собственного веса как тело, брошенное под некоторым углом к горизонту.

На параболическом участке траектории при свободном падении шар обгоняет корпус мельницы. Вследствие этого число ударов шара за единицу времени по нижнюю часть барабана превышает число его оборотов.

Работа, затрачиваемая на подъем шара, равная его кинетической энергии в точке падения, и определяет основные технические характеристики барабанной мельницы. Очевидно, что при надлежащем выборе скорости вращения, обеспечивающей необходимый подъем шаров, их кинетическая энергия растет с увеличением диаметра барабана. Однако расчет энергии шара в момент падения осложняется совокупным движением других шаров и измельчаемого материала и может быть выполнен только при допущении ряда упрощающих приближений.

Полуэмпирическим путем была найдена приближенная формула для мощности, непосредственно затрачиваемой над движение мелющих тел и измельчаемого материала

где Б и Ь - диаметр и длина помольной камеры; /- насыпной вес мелющих тел, равный 0,6-0,75 удельного веса их материала;

к,,к2,к3,к4-коэффициенты, учитывающие свойства измельчаемого материала и, прежде всего внутреннее трение в измельчаемом материале, форму обкладок внутренней поверхности барабана, скорость его вращения и степень заполнения мелющими телами (обычно 25 - 30%).

Для мельниц различных размеров при постоянных степени заполнения шарами, скорости вращения и форме футеровки коэффициенты к^ у к 2 э к ^ ? кА можно заменить одним общим коэффициентом К..

Ж = к^кЛ^Ьу,

Тогда

I¥ = К02Чу

Мощность, сообщаемая единице объема помольной камеры, обычно называемая ее энергонапряженностью, равна

7СР2 т Я

4

Из формул (1) и (3) следует, что производительность вращающихся мельниц пропорциональна их геометрическим размерам, а удельная (на единицу объема) производительность - корню квадратному из диаметра помольной камеры. Высокопроизводительные вращающиеся мельницы имеют диаметры размером до 4 - 5 м и длины до 24 - 30 м.

Невозможность повышения энергонапряженности вращающейся мельницы иным путем, кроме как увеличением диаметра, особенно сказывается при сверхтонком измельчении. Как будет показано в дальнейшем, максимально достижимая в любой вращающейся мельнице дисперсность пропорциональна ее энергонапряженности. Поэтому вращающаяся шаровая мельница не может быть эффективно применена для тонкого измельчения. Длительность измельчения во вращающихся мельницах лабораторного типа для достижения достаточной дисперсности материала устанавливается иногда в десятки, и даже сотни часов.

Малая энергонапряженность вращающихся мельниц побудила к созданию машин, которых мелющие тела движутся с ускорениями, значительно превышающими ускорение силы тяжести. Из машин такого рода наибольшее признание и распространение получили вибрационные мельницы.

Принцип действия вибрационных мельниц основан на приведении массы шаров и измельчаемого материала в круговое колебательное движение посредством вибратора, сопряженного с электромотором. Частицы материала разрушаются, попадая в пространства между шарами. Активные для разрушения зоны вокруг каждого шара могут быть рассчитаны аналогично тому, как это было сделано для шаровой вращающейся мельницы.

Экспериментальные данные показывают, что эффективность измельчения в вибрационной мельнице определяется, кроме свойств материала, частотой и амплитудой колебаний, твердостью и размерами шаров, степенью заполнения ими объема мельницы, формой и объемом помольной камеры, степенью заполнения ее измельчаемым материалом, условиями его поступления и скоростью удаления измельченного продукта. Установлено, что эф-

фективность измельчения пропорциональна частоте и квадрату или кубу амплитуды колебаний. Она оптимальна, когда шары заполняют около трех четвертей объема помольной камеры. Скорость измельчения растет с повышением плотности и твердости материала, из которого изготовлены шары, а наиболее выгодные их размеры определяются размерами частиц исходного и измельченного продукта и его дисперсностью. С уменьшением размеров частиц исходного продукта и увеличением требований к его дисперсности необходимо уменьшать размеры шаров. В связи с этим обычно применяют шары двух или трех диаметров, взятых в соотношении один к пяти как по размерам, так и по количеству. Степень заполнения оптимальна, когда объем измельчаемого материала составляет около одной-двух десятых долей объема камеры. В среднем энергонапряженность вибрационных мельниц составляет около (о,8-1,2)-Ю~3 кВт/см3 объема помольной камеры, хотя в лабораторных мельницах достигаются значительно большие величины. Такая высокая энергонапряженность приводит к интенсивному выделению тепла в помольной камере, что вынуждает принимать специальные меры по его отводу путем принудительного охлаждения.

В настоящее время созданы различные по производительности и назначению вибрационные мельницы. Крупные промышленные машины, с объемом помольных камер 1000,600 и 230 л, применяются для тонкого измельчения цемента, кварцевого песка, известняка и других материалов и могут работать как в непрерывной схеме, так и периодически. Имеются также образцы вибромельниц малого объема, используемые в лабораторных условиях. Из них наиболее удобны мельница с объемом помольной камеры 10 л и эксцентриковая мельница с четырьмя барабанами, каждый объемом 100 см3.

Недостатком мельниц, заполненных мелющими телами, является большой удельный расход металла на конструкцию и износ (соответственно - загрязнение дисперсных порошков продуктами износа мелющих тел и корпуса). В связи с этим были созданы машины, в которых разрушение осуществляется высокоскоростным ударом. К мельницам этого типа относятся различные конструкции струйных мельниц и дезинтеграторы.

Струйными называют мельницы, в которых кинетическая энергия передается частицам измельчаемого материала потоком воздуха, пара или продуктов сгорания, а измельчение осуществляется либо при столкнове-

нии встречных потоков частиц материала, либо при их ударе об отбойную плиту. В обоих случаях некоторая часть материала измельчается от касательных ударов о внутренние поверхности установки при разгоне или при транспортировке по трактам пневмоклассификационной системы.

Поскольку частицы довольно быстро приобретают требуемую для разрушения скорость на относительно коротких участках, струйные мельницы оказываются относительно малогабаритными машинами. Их размеры и веса определяются, в основном, габаритами генератора энергоносителя, а также классифицирующих пьшеосадительных и пылеуловитель-ных устройств, в то время как собственно помольная часть имеет весьма небольшие размеры.

В настоящее время известно большое количество различных струйных мельниц, отличающихся как по типу энергоносителя - воздухоструй-ные, пароструйные и газоструйные (продукты сгорания топлива), так и по давлению газа-энергоносителя перед мельницей - высоконапорные, с давлением перед соплом от 2 до 15 атм; низконапорные - от 0,2 - 0,3 до 2 атм; вентиляторные - до 0,2 - 0,3 атм. Наиболее распространенным типом являются двуструйные противоточные мельницы, применяющиеся либо с вынесенным классификатором, либо с совмещенной помоль-но-классификационной схемой. Газоструйные и, частично, пароструйные мельницы могут быть использованы для совмещенного помола и сушки. Газоструйные мельницы при повышении температуры энергоносителя могут быть использованы для совмещенного помола и обжига, т.е. для механотермической обработки.

В струйных мельницах значительно изнашивается разгонный аппарат и, прежде всего, конфузор, расположенный в начале разгонной трубы, а также отбойной плиты. Несмотря на то, что 73% материала измельчается за счет ударов об отбойную плиту и только 5% за счет ударов о стенки разгонного аппарата и другие узлы мельницы, 80-90% износа приходится на разгонный аппарат [39]. Это объясняется различием угла атаки поверхности металла с частицами. Как известно, изменение угла атаки с 90° (нормальный удар) до зо° вызывает увеличение износа в 4-5 раз.С этой позиции, очевидно особенно большим должен быть износ в конфу-зоре мельницы, что и было отмечено при ее эксплуатации. Строго гово-

ря на цилиндрическом участке разгона износ должен быть невелик (угол атаки ламинарного потока равен нулю).

Однако значительная турбулизация потока летящих частиц, усугубляемая неравномерным распределением твердой фазы по сечению струи и обменом энергии при столкновениях, а также расширение газового потока вызывают появление частиц, ударяющихся о поверхность металла под различными углами атаки (вплоть до 30°). Общий же расход металла на износ у струйных мельниц существенно ниже, чем у шаровых.

Экспериментальные исследования, проведенные на воздухоструйных и пароструйных противоточных мельницах производительностью 3500 кг/час, показали влияние на рабочий процесс длины и диаметра разгонных трубок, а также расстояние между их срезами. Было установлено, что зависимость производительности и энергозатрат от геометрических факторов носит явно выраженный экстремальный характер.

Простата устройства, отсутствие движущихся частей и сложных подшипников обусловливают преимущество струйных мельниц по сравнению шаровыми. Конструктивная возможность выполнить небольшие участки, подвергающиеся интенсивному локальному воздействию, из высокопрочной абразивостойкой керамики или твердых сплавов определяют малые величины загрязнение готового материала продуктами износа. Отсутствие существенных механических напряжений в конструкциях помойной камеры делает эти машины весьма долговечными.

Недостаткам струйных мельниц являются значительно большие по сравнению с шаровыми энергозатраты при тонком извлечении и необходимость очистки отработанного газа в фильтрах. Неизбежен также унос наиболее высокодисперсной фракции материала с отработанным газом. Возможности струйной мельницы ограничены, таким образом с одной стороны- трудности разгона крупных кусков материала, с другой- необходимостью развития больших скоростей для измельчения очень мелких частиц и сложностью улавливания продуктов их измельчения. Опыт показывает, что наиболее эффективны эти мельницы в области средне- тонкого измельчения (до-40мкм) хрупких материалов с размерами частиц менее без мм.

Дезинтеграторы, как и струйные мельницы, относятся к числу машин ударного действия, однако измельчения в них производится ударом вращающихся стержней по свободно падающим частицам материала.

Дезинтегратор содержит в своем кожухе два вращающихся навстречу один другому диска с насаженными с внутренней стороны по окружности рядами штифтов цилиндрической (иногда конической или призматической) формы. Ряды штифтов обоих дисков расположены на разных радиусах вращения и входят с некоторым зазором один в другой.

Мельницы с одним вращающимся ротором называются дисмембрато-рами. Из преимущество является сравнительно простая конструкция. Вместе с тем, для достижения тех же, что и в дезинтеграторах, скоростей удара необходимо обеспечить соответственно большие скорости вращения диска.

Измельчаемый материал поступает в центральную чаль барабана. Частицы проходя через ряды стержней, подвергаются их ударам и по мере продвижения к периферии становятся все мельче и либо высыпаются через донный люк, либо выносятся потоком воздуха в классификатор. Степень измельчения материала в дезинтеграторе определяется скоростью вращения дисков, их диаметром, числом рядов, расположением и размерами стержней.

Важное значение дл работы дезинтегратора имеет качество материала стержней. Их износ является самым уязвимым местом этих машин. Некоторые конструкции дезинтеграторов предусматривают возможность полной замены роторов. Однако износ всегда является лимитирующим фактором работы дезинтеграторов, и поэтому их применяют в основном для измельчения таких малоабразивных материалов, как мел, каолин; пластмассы, уголь, пигменты.

Теории работы дезинтеграторов к настоящему времени не создано. Имеются попытки расчета окружных скоростей, необходимых для достижения заданной степени измельчения. В расчетах предполагается, что число ударов, получаемых частицей, равно числу ударов стержней, а скрость удара равна сумме скоростей соседних рядов. Степень измельчения при каждом ударе принята одинаковой. Однако на практике производительность и дисперсность помола каждого вида дезинтегратора определяются эмпирически. Точно так же эмпирически подбирается материал стержней, их форма и другие параметры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бальшин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургия

волокна. М.: Металлургия, 1972. 336 с.

2. Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков. М.:

Металлургия, 1969. 350 с.

3. Руденко И.Ф. Формование изделий с поверхностными виброустройствами.

М.: Стройиздат, 1972. 263 с.

4. Зыков Б. И. Обоснование параметров и создание уплотняющих ударно - виброционных машин с управляемым динамическим воздействием. Автореф. дисс... техн. наук. М. 1987. 32 с.

5. Олейник В.Т. Исследование процесса виброударного прессования

огнеупорных изделий. Автореф. дисс... канд. техн. наук. Л. 1974.28 с.

6. Гамынин Н.С. Динамика быстродействующего гидравлического привода. М.: Машиностроение, 1979. 80 с.

7. А. с. № 889906 (СССР). Виброзащитное устройство транспортных средств / А.И. Джылкичиев, Р.П. Кириков, В.В. Красноусов. опубл. 15.12.1991 Б.И.№ 46.

8. Тимофеев В.А. Инженерные методы расчета и исследования динамических систем. Л.: Энергия, 1975. 319 с.

Туйшдеме

Авторлар ¡ухтты денетрдщмеханикалъщ усацтаудыц неггзгг ßdicmepi мен дисперсионды талдауъша арналган гылыми зерттеулгрд1 усынады

Resume

The authors of the article represent scientific research, devoted to the main methods of mechanic blending and variance analysis of solids.