СПОСОБ СМЕШИВАНИЯ И ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
METHOD FOR MIXING AND GRINDING

Предлагаемое изобретение относится к способам измельчения и смешивания с использованием центробежных методов и предназначено для измельчения кусковых, зерновых и порошковых материалов, а также для приготовления смесей используемых в различных отраслях производства.
Известен способ смешивания, при котором смесь подают в загрузочную воронку, под действием центробежной силы частицы материала ускоренно движутся от центра к периферии распределяясь равномерно по внутренней поверхности конуса, при этом толщина слоя на периферии уменьшается за счет увеличения поверхности распределения частиц. Траектория материалопотока относительно конуса закручена в сторону, противоположную направлению вращения ротора. На конусе материал опоток разделяется на три части: первая проходит через перепускные окна, при этом диспергируясь; вторая движется по образующей конуса и сбрасывается через верхнее его основание на поверхность эллиптического днища, где происходит наложение основного и опережающего потоков; третья часть потока, отражаясь от внутренней поверхности направляющих лопастей, возвращается к основанию конуса. После завершения процесса смесь выводится из аппарата разгрузочной лопастью через патрубок. (RU №2311951, МПК B01F 7/26, В28С 5/16 д.п. 10.12.2007 г.)
Недостатком способа является относительно невысокое качество смешивания и измельчения по однородности конечного продукта, высокая длительность измельчения и наличие переизмельчения. Кроме этого наличие внутри рабочей емкости рабочих органов в виде усеченного конуса и направляющих лопастей приводит к появлению намола при измельчении и смешивании, а также необходимости систематической замены изношенных рабочих органов.
Из известных способов, наиболее близким к заявляемому способу является способ смешивания и измельчения, при котором обрабатываемый материал загружают внутрь эластичной обечайки рабочей емкости, рабочую емкость вращают со скоростью, которая обеспечивает прижим измельчаемого материала к внутренней поверхности эластичной обечайки под действием центробежных сил, а эластичную обечайку деформируют со стороны наружной поверхности эластичной обечайки вовнутрь в направлении оси вращения рабочей емкости, по крайней мере, одним роликом, установленным на корпусе с возможностью вращения. (А.С. №1560427, В28С 5/00 В02С 17/02, опубл. 30.04.1990 г.).
К недостаткам относятся наличие внутри эластичной рабочей емкости быстро изнашиваемых рабочих органов - пальцев, требующих регулярной замены, кроме этого отсутствие разности скоростей между пальцами и обрабатываемыми компонентами значительно увеличивает срок приготовления смеси. Низкая эффективность помола материалов в смесителе при использовании его в качестве мельницы, особенно при измельчении твердых материалов. Сложность конструкции и осуществления процесса выгрузки обрабатываемого материала из эластичной рабочей емкости.
Техническим результатом предлагаемого изобретения, является снижение износа эластичной обечайки, улучшение однородности готового продукта, сокращение длительности цикла обработки и повышение уровня дисперсности (тонины помола) измельчаемого материала.
Технический результат достигается тем, что в способе смешивания и измельчения, при котором обрабатываемый материал загружают внутрь эластичной обечайки рабочей емкости, рабочую емкость вращают со скоростью, которая обеспечивает прижим измельчаемого материала к внутренней поверхности эластичной обечайки под действием центробежных сил, а эластичную обечайку деформируют со стороны наружной поверхности эластичной обечайки вовнутрь в направлении оси вращения рабочей емкости, по крайней мере, одним роликом, установленным на корпусе с возможностью вращения, при этом деформацию эластичной обечайки регулируют по величине и направлению, изменяя положение роликов на корпусе при этом эластичную обечайку деформируют роликами так, чтобы перемещение внутренней поверхности эластичной обечайки в зоне деформации под действием роликов происходило со скачками ускорения; эластичную обечайку деформируют роликами, внешняя поверхность которых снабжена радиальными выступами; эластичную обечайку деформируют гладкими или снабженными радиальными выступами роликами, которым придают вибрационное перемещение в направлении оси вращения рабочей емкости; что эластичную обечайку деформируют во время разгона рабочей емкости или после достижения угловой скорости вращения рабочей емкости, обеспечивающей прижим под действием центробежных сил обрабатываемого материала к внутренней поверхности эластичной обечайки; обрабатываемый материал загружают внутрь эластичной обечайки вместе с мелющими телами.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.
Фиг. 1. Продольный разрез устройства для смешивания и измельчения с эластичной обечайкой и вертикальной осью вращения со схемой движения обрабатываемого материала и мелющих тел.
Фиг. 2 Схема движения обрабатываемого материала и мелющих тел в устройстве для смешивания и измельчения с эластичной обечайкой и горизонтальной осью вращения;
Фиг. 3 Схема движения обрабатываемого материала и мелющих тел внутри эластичной обечайки в поперечном сечении А-А на фиг. 2;
Фиг. 4. График перемещения S деформируемого участка эластичной обечайки рабочей емкости в направлении перпендикулярном оси вращения ролика в зависимости от угла ϕ поворота ролика с радиальными выступами;
Фиг. 5. График скорости V деформируемого участка эластичной обечайки рабочей емкости в направлении перпендикулярном оси вращения ролика в зависимости от угла ϕ поворота ролика с радиальными выступами;
Фиг. 6. График ускорения А деформируемого участка эластичной обечайки рабочей емкости в направлении перпендикулярном оси ролика с тремя конечными скачками ускорения в зависимости от угла ϕ поворота ролика с радиальными выступами;
Способ осуществляется следующим образом.
Во вращающуюся рабочую емкость 1, с эластичной обечайкой 2, установленную на корпусе 3 с возможностью вращения, которая может иметь вертикальную (фиг. 1), или горизонтальную (фиг. 2) ось вращения загружают измельчаемый материал 4 и мелющие тела 5, внутрь эластичной обечайки 2.
В зависимости от вида обрабатываемого материала и задаваемых технологических режимов обработки рабочую емкость 1 приводят во вращение приводом 6 и разгоняют до угловой скорости, обеспечивающей прижим обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 к внутренней поверхности эластичной обечайки 2. Мелющие тела 5 и обрабатываемый материал 4 загружают внутрь рабочей емкости 1 через устройство загрузки 7 (Фиг. 1). На схеме движения обрабатываемого материала и мелющих тел в устройстве для смешивания и измельчения с эластичной обечайкой с горизонтальной осью вращения рабочей емкости (Фиг. 2) привод рабочей емкости, а также устройство загрузки и выгрузки условно не показаны. Перед разгоном рабочей емкости 1 или в процессе ее разгона или после достижения рабочей емкости 1 угловой скорости вращения, обеспечивающей прижим обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 к внутренней поверхности эластичной обечайки 2 с помощью механизма 8 регулирования положения ролика 9 эластичную обечайку 2 деформируют со стороны наружной поверхности эластичной обечайки 2 во внутрь в направлении оси вращения рабочей емкости 1, по крайней мере, одним роликом 9, установленным на корпусе 3 с возможностью вращения. Величину и направление деформации эластичной обечайки 2 роликами 9 задают и регулируют в процессе обработки в зависимости от технических свойств обрабатываемого материала 4, угловой скорости вращения рабочей емкости 1 и требуемой конечной дисперсности обрабатываемого материала 4. Регулирование положения роликов 9 с помощью механизма 8, обеспечивающего изменение положения оси вращения ролика 9 относительно оси вращения рабочей емкости 1, позволяет создавать требуемую величину и направление деформации эластичной обечайки 2. При этом ось вращения ролика 9 может устанавливаться параллельно оси вращения рабочей емкости 1, под углом к оси вращения рабочей емкости 1, пересекая ось ее вращения или перекрещивая ось вращения рабочей емкости 1 не пересекая ее.
При вращении рабочей емкости 1 загруженные в нее обрабатываемый материал 4 и мелющие тела 5 под действием центробежных сил прижимаются к внутренней поверхности эластичной обечайки 2 рабочей емкости 1 и за счет сил трения разгоняются до угловой скорости вращения рабочей емкости 1. Величина давления обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 на эластичную обечайку 2 зависит от радиуса рабочей емкости 1, угловой скорости вращения и толщины слоя обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 и может регулироваться путем изменения скорости вращения и количества загружаемого обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5. В процессе совместного движения обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 с эластичной обечайкой 2 обрабатываемый материал 4 уплотняется под действием центробежных сил и измельчается за счет сдвиговых деформаций, возникающих в потоке смеси обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 в процессе уплотнения.
Во время деформации эластичной обечайки 2 роликами 9 поток смеси обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5, находящийся на деформируемом участке, отрывается от внутренней поверхности эластичной обечайки 2. Направление движения потока смеси обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 зависит от направления деформирующего воздействия роликов 9. Если ось вращения ролика расположена параллельно оси вращения рабочей емкости 1, то обрабатываемый материал 4 и мелющие тела 5 перемещаются в направлении оси вращения рабочей емкости 1 (Фиг. 1). Если оси роликов 9 установлены под углом к оси вращения рабочей емкости 1 (Фиг. 2), то обрабатываемый материал 4 и мелющие тела 5 можно дополнительно перемещать вдоль оси вращения рабочей емкости 1, например, в направление зоны выгрузки. Направление и скорость потока смеси обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 при сходе с деформированного участка эластичной обечайки 2 рабочей емкости 1 зависят от величины, способа и формы деформации этого участка. Таким образом, после прохождения деформированного участка эластичной обечайки 2 поток смеси обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 отрывается от внутренней поверхности эластичной обечайки 2 и падает на дно рабочей емкости 1 (Фиг. 1) или на внутреннюю поверхность эластичной обечайки 2 (Фиг. 2), которая может быть покрыта жесткими износостойкими пластинами. Траектория движения обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 внутри рабочей емкости 1 с горизонтальной осью вращения в поперечном сечении показана на Фиг. 3. При падении потока смеси обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 на внутреннюю поверхность эластичной обечайки 2 (Фиг. 2) или на дно рабочей емкости 1 (Фиг. 1) происходит дополнительное перемешивание и измельчение обрабатываемого материала 4 при соударении с мелющими телами 5, дном рабочей емкости 1 или износостойкими пластинами, покрывающими внутреннюю поверхность эластичной обечайки 2. Кроме этого во время движения по деформированному участку эластичной обечайки 2 в потоке смеси обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 происходят интенсивные сдвиговые деформации, обеспечивающие дополнительное перемешивание и измельчение обрабатываемого материала 4, находящегося в условиях объемного сжатия под действием центробежных сил и сил, действующих со стороны внутренней поверхности эластичной обечайки 2. Многократное повторение циклов движения обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 в рабочей емкости 1 приводят к равномерному перемешиванию ингредиентов в случае приготовления смесей или интенсивному измельчению обрабатываемого материала 4 за счет многократных сдвиговых деформаций (истирания), происходящих в потоке смеси обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5, и ударных воздействий мелющих тел 5.
В устройствах для смешивания и измельчения с эластичной обечайкой и вертикальной осью вращения удаление измельченного материала может осуществляться с помощью отсасывания возникающей пылевоздушной смеси через специальные отверстия или готовый материал удаляют после остановки рабочей емкости 1.
В устройствах для смешивания и измельчения с эластичной обечайкой и с горизонтальной осью вращения удаление измельченного или перемешанного материала может осуществляться за счет перемещения обрабатываемого материала 4 вдоль оси вращения рабочей емкости 1. Перемещение обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 в направлении зоны выгрузки производят за счет того, что, по крайней мере, один ролик 9 деформирует эластичную обечайку 2 под углом к оси вращения рабочей емкости 1 в направлении зоны выгрузки (Фиг. 2). Скорость перемещения мелющих тел 5 и обрабатываемого материала 4 внутри рабочей емкости 1 в направлении зоны выгрузки регулируют с помощью механизма 8 регулирования положения ролика 9 путем изменения наклона оси его вращения к положению оси вращения рабочей емкости 1 и изменения направления деформации эластичной обечайки 2. Рабочая емкость 1 с горизонтальной осью вращения может выполняться из нескольких секций снабженных эластичной обечайкой 2. Процесс смешивания и измельчения аналогичен в каждой секции рабочей емкости 1 (Фиг. 2.), так как обрабатываемый материал 4 и мелющие тела 5 могут перемещаться вдоль оси вращения рабочей емкости 1 из одной секции в другую.
С целью повышения интенсивности сдвиговых деформаций, увеличения интенсивности ударных воздействий мелющих тел 5, а также более полного отделения обрабатываемого материала 4 от эластичной обечайки 2 и исключения переизмельчения, деформацию эластичной обечайки 2 осуществляют по специальным законам, обеспечивающим создание ударных (скачкообразных) ускорений на внутренней поверхности эластичной обечайки 2 и в потоке смеси обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5, например, обеспечивая перемещение деформируемого участка эластичной обечайки 2 по законам приведенным на Фиг. 4, Фиг. 5, фиг. 6. Например, при заданном (Фиг. 4) графике перемещения S деформируемого участка эластичной обечайки 2 рабочей емкости 1 контактирующего с радиальным выступом 10 ролика 9 в направлении перпендикулярном оси вращения ролика 9 в зависимости от угла поворота ϕ ролика 9, скорость V (Фиг. 5) деформируемого элемента эластичной обечайки 2 рабочей емкости 1 изменяется по линейному закону. В этом случае деформируемый участок эластичной обечайки 2 в процессе деформации радиальным выступом 10 ролика 9 будет испытывать три мягких удара (конечных скачка ускорения А) в точках ABC графика ускорений А в направлении перпендикулярном оси вращения ролика 8 в зависимости от угла ϕ поворота ролика 9 (Фиг. 6). То есть деформируемый участок эластичной обечайки 2 будет двигаться с тремя конечными скачками ускорения при взаимодействии с радиальным выступом 10 ролика 9.
Ударное воздействие на обрабатываемый материал 4 и мелющие тела 5 реализуют путем создания дополнительного ударно-деформирующего воздействия на эластичную обечайку 2 рабочей емкости 1 в зоне ее деформации. Ударно-деформирующее воздействие реализуют двумя способами.
В первом случае ударно-деформирующее воздействие на деформируемый участок эластичной обечайки создают путем деформации эластичной обечайки 2 рабочей емкости 1 роликами 9, снабженными радиальными выступами 10 (Фиг. 1, Фиг. 2), выполненными на внешней контактирующей поверхности роликов 9. Радиальные выступы 10 выполняют по профилю, обеспечивающему ударное воздействие на эластичную обечайку 2. Например, радиальные выступы 10 деформируют эластичную обечайку 2 по закону, обеспечивающему три конечных скачка ускорения А (Фиг. 6).
Радиальными выступами 10 вращающегося ролика 9 периодически деформируют поверхность эластичной обечайки 2, создавая перемещение внутренней поверхности эластичной обечайки 2 со скачками ускорений (ударами). Энергия ударной деформации эластичной обечайки 2 передается потоку обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5, находящемуся в зоне ударной деформации. За счет ударного воздействия внутренней поверхности эластичной обечайки 2 поток обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 отрывается от нее и движется внутри рабочей емкости 1 до ударного взаимодействия с днищем (Фиг. 1) или эластичной обечайкой 2 рабочей емкости 1. После чего процесс разгона и отделения потока обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 от внутренней поверхности эластичной обечайки 2 повторяется.
Во втором случае ударно-деформирующее воздействие на эластичную обечайку 2 рабочей емкости 1 реализуют за счет вибрационного воздействия ролика 9 на эластичную обечайку 2. Виброперемещение гладкого или снабженного радиальными выступами 10 ролика 9, закрепленного в упругих опорах (условно не показаны) осуществляют виброприводом 11 (Фиг. 1, Фиг. 2), установленном на механизме 8 регулирования положения ролика 9. Виброперемещение ролика 9 в направлении оси вращения рабочей емкости 1, а, следовательно, деформация участка эластичной обечайки 2 также могут реализовываться по законам, обеспечивающим скачки ускорений, например, по законам, приведенным на Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6.
Оба способа ударно-деформирующего воздействия конструктивно могут быть реализованы как на одном ролике 9, так и на всех остальных роликах, установленных на корпусе и деформирующих эластичную обечайку 2.
При ударно-деформирующем воздействии на эластичную обечайку 2 обрабатываемый материал 4 подвергается дополнительному ударно-истирающему воздействию. При этом более интенсивно происходит перемешивание ингредиентов обрабатываемого материала 4 за счет разности восприятий ударного воздействия частицами различной крупности и массы и более интенсивно осуществляется процесс измельчения за счет ударного воздействия на обрабатываемый материал 4, мелющих тел 5 и крупных частиц обрабатываемого материла 4. При отсутствии ударно-деформирующего воздействия измельчение обрабатываемого материала 4 происходит в основном за счет раздавливающего и истирающего воздействия мелющих тел 5 на обрабатываемый материал 4 при его движении по поверхности эластичной обечайки 2, а также при движении по деформированному участку поверхности эластичной обечайки 2. А в случае ударно-деформирующего воздействия на эластичную обечайку 2 происходит не только дополнительное измельчение обрабатываемого материала 4 в зоне действия удара, но и за счет увеличения скорости соударения обрабатываемого материала 4 и мелющих тел 5 с внутренней поверхностью эластичной обечайки 2, покрытой износостойкими пластинами или днищем рабочей емкости 1.
Измельченный обрабатываемый материал 4, в случае рабочей емкости 1 с вертикальной осью вращения в виде, например, пылевоздушной смеси 12 выгружают через устройство для выгрузки 13 (Фиг. 1).
Измельченный обрабатываемый материал 4, в случае рабочей емкости 1 с горизонтальной осью вращения и мелющие тела 5 постепенно перемещают вдоль оси вращения рабочей емкости 1 в направлении зоны выгрузки.
Таким образом, предлагаемый способ для смешивания и измельчения позволяет резко снизить износ эластичной обечайки, так как уровень изнашивающего воздействия обрабатываемого материала на внутреннюю поверхность эластичной обечайки значительно сокращается в связи с уменьшением величины проскальзывания обрабатываемого материала относительно внутренней поверхности эластичной обечайки. Улучшение однородности готового продукта (смеси или порошка) связано с многократным повторением циклов обработки материала в рабочей емкости. Наличие высокоинтенсивного ударного воздействия мелющих тел на обрабатываемый материал, а также многократное повторение истирающих сдвиговых деформаций в потоке обрабатываемого материала и мелющих тел позволяет значительно сократить длительность цикла обработки и повысить уровень дисперсности (тонины помола) обрабатываемого материала.