УДАРНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ИЗМЕЛЬЧАЮЩЕЙ ДРОБИЛКЕ
IMPACT TOOL FOR USE IN HIGH-SPEED GRINDING CRUSHER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ударному инструменту для высокоскоростной измельчающей дробилки высокой ударной мощности. Такая дробилка обычно используется для дробления горных пород и минералов, добываемых из шахт.
Уровень техники
Как и применение измельчающих валков высокого давления (ИВВД), применение измельчающих дробилок является одним из способов, используемых для дробления горных пород и минералов. Горные породы поступают в дробилку через вход для материала и выходят из неё через выход для материала. Когда горные породы проходят через дробилку, на своем пути они встречаются и взаимодействуют с роторами и/или статорами, и в результате этого процесса номинальный диаметр частиц горной породы уменьшается. Многие из роторов и/или статоров содержат заостренные зубья, предназначенные для нанесения удара и разрушения падающей породы, тем самым, уменьшая размер частиц от одного уровня к другому. Лопатки роторов подвергаются значительным ударным нагрузкам, вследствие чего происходит их интенсивное изнашивание и возникновение дефектов, таких как краевые сколы.
Например, в патентном документе EP 2 851 122 B1 раскрыто измельчающее устройство для механического измельчения смесей разнородных горных пород, состоящих из пород различной плотности и/или консистенции. Предлагаемое устройство содержит измельчительную камеру цилиндрической формы, в которой установлен вертикальный блок вращающихся ударных инструментов. Вход для материала расположен в верхней части камеры, а выход для материала расположен в её нижней части. Конгломератная порода проходит сквозь измельчительную камеру в направлении от входа к выходу, в основном, под действием силы тяжести, при этом ударяясь об ударные инструменты.
Когда отдельный ударный инструмент подвергается интенсивному износу, и/или возникает его повреждение, это может приводить к значительно более серьезным повреждениям, при которых возникают повреждения других ударных инструментов дробилки. Работа дробилки при этом должна быть остановлена, и каждый поврежденный ударный инструмент заменен.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в создании ударных инструментов для измельчающей дробилки с повышенной износостойкостью и трещиностойкостью, что позволит продлить срок службы и эксплуатационную эффективность дробилки.
Одним объектом настоящего изобретения является ударный инструмент для использования в высокоскоростной измельчающей дробилке высокой ударной мощности, содержащий удлиненный блок, первый конец которого крепится к измельчающей дробилке, а также содержащий износостойкий элемент, служащий для повышения износостойкости ударного инструмента, содержащий множество отдельных звеньев.
Износостойкий элемент может проходить от второго конца, находящегося напротив первого конца, к первому концу, занимая максимум 90% длины ударного инструмента.
Износостойкий элемент может быть выполнен с возможностью закрывания передней кромки ударного инструмента.
Износостойкий элемент может содержать множество износостойких зубьев, установленных рядом друг с другом.
Износостойкий элемент может быть расположен на/в первой поверхности ударного инструмента.
Износостойкий элемент может быть расположен на/в первой поверхности и второй прилегающей поверхности ударного инструмента.
В некоторых случаях, износостойкий элемент может содержать множество выступов, выступающих наружу относительно одной или каждой поверхности ударного инструмента.
В некоторых случаях, выступы представляют собой вставки, установленные в выемках соответствующей формы, выполненных в одной или каждой поверхности.
Предпочтительно, вставки имеют закругленный профиль и расположены на поверхности или выступают вверх относительно поверхности каждого ударного инструмента.
Выступы могут быть расположены в виде регулярной матрицы на одной или каждой поверхности.
Выступы могут быть расположены более близко друг к другу в области ближе ко второму концу.
В некоторых случаях ударный инструмент дополнительно содержит удлиненные ребра, выступающие наружу относительно поверхности ударного инструмента.
Износостойкий элемент может содержать несколько пластин, установленных рядом друг с другом, прикрепленных к одной или каждой поверхности ударного инструмента.
В некоторых случаях износостойкий элемент содержит поликристаллический алмазный материал (ПКА).
Предпочтительно, износостойкий элемент содержит материал/материалы, содержащие спеченный карбид.
Еще одним объектом настоящего изобретения является ударный инструмент для применения в высокоскоростной измельчающей дробилке, содержащий удлиненный блок, первый конец которого крепится к высокоскоростной измельчающей дробилке, а также содержащий износостойкий элемент, служащий для повышения износостойкости ударного инструмента, содержащий износостойкий слой, занимающий часть ширины блока и образующий твердосплавное покрытие.
Износостойкий слой может иметь заданную переменную толщину и закрывать две или более отдельных зоны блока.
В некоторых случаях износостойкий элемент содержит поликристаллический алмазный материал (ПКА).
Предпочтительно, износостойкий элемент содержит материал/материалы, содержащие спеченный карбид.
Краткое описание чертежей
Ниже приводится подробное описание нескольких возможных вариантов осуществления настоящего изобретения, рассматриваемых только в качестве примера, со ссылками на следующие прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 – роторный вал и ударные инструменты согласно известному уровню техники, вид в перспективе;
на фиг. 2 – ударный инструмент согласно первому варианту выполнения, вид в перспективе;
на фиг. 3 – ударный инструмент согласно второму варианту выполнения, вид в перспективе;
на фиг. 4 – ударный инструмент согласно третьему варианту выполнения, вид в перспективе;
на фиг. 5 – ударный инструмент согласно четвертому варианту выполнения, вид в перспективе;
на фиг. 6 – ударный инструмент согласно пятому варианту выполнения, вид в перспективе;
на фиг. 7 – ударный инструмент согласно шестому варианту выполнения, вид в перспективе;
на фиг. 8 – ударный инструмент согласно седьмому варианту выполнения, вид в перспективе;
на фиг. 9 – ударный инструмент согласно восьмому варианту выполнения, вид в перспективе;
на фиг. 10 – ударный инструмент согласно восьмому варианту выполнения, вид в перспективе в разобранном состоянии; и
на фиг. 11 – ударный инструмент согласно девятому варианту выполнения, вид в перспективе.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан роторный вал 10 с множеством ударных инструментов 12 известного уровня техники, описанный в патентном документе EP 2 581 122 B1. Ударные инструменты 12 установлены на роторном валу 10 таким образом, что они могут вращаться относительно оси вращения, проходящей по длине роторного вала 10. Частота вращения ротора обычно составляет от 800 до 1500 оборотов в минуту. Роторный вал 10 установлен в цилиндрической измельчительной камере (не показана) высокоскоростной измельчающей дробилки. Как правило, измельчающая дробилка используется для отделения частиц ценных металлов и соединений минеральных веществ, интегрированных в термические отходы шлака и руды. Исходный материал, подлежащий измельчению или деагломерации, состоит из кусков базальтовой порода длиной порядка 300 мм и кусков железной руды длиной порядка 150 мм.
Измельчительная камера содержит вход для материала и выход для материала. Роторный вал 10 установлен вертикально, и частицы горной породы или конгломераты, подлежащие измельчению или отделению, подаются в верхнюю часть измельчительной камеры через вход для материала. В осевом направлении по длине роторного вала 10 установлено множество секций 14a, 14b, 14c. Каждая секция 14a, 14b, 14c содержит множество ударных инструментов 12, служащих для дробления материала, подаваемого в измельчительную камеру. Скорость в момент удара может достигать 200 м/с. Объектом настоящего изобретения являются только ударные инструменты 12.
На фиг. 2 представлен первый вариант выполнения ударного инструмента согласно настоящему изобретению, в целом обозначенного ссылочной позицией 16. Ударный инструмент 16 содержит удлиненный блок 18, первый конец 20 которого крепится к роторному валу 10 высокоскоростной измельчающей дробилки высокой ударной мощности, а также содержит износостойкий элемент, содержащий множество отдельных звеньев.
Способ соединения блока 18 с измельчающей дробилкой или крепления к ней не имеет отношения к настоящему изобретению, и поэтому предполагается возможным любой способ соединения или крепления их друг с другом.
Конфигурация ударного инструмента 16 - направленная, в том смысле, что он является радиально несимметричным относительно роторного вала 10. Ударный инструмент 16 содержит переднюю кромку 22 и заднюю кромку 24, определяемые в соответствии с предполагаемым направлением вращения относительно роторного вала 10 во время работы.
В рассматриваемом варианте выполнения ударный инструмент 16 имеет кубоидную форму, и, в целом, прямоугольную форму поперечного сечения. Однако возможны также и другие формы или формы поперечного сечения, например, ударный инструмент 16 может иметь в целом цилиндрическую форму, и, таким образом, форму круга в поперечном сечении. Как вариант, ударный инструмент 16 может иметь форму треугольной призмы и треугольную форму поперечного сечения. Как вариант, ударный инструмент 16 может иметь форму пятиугольной призмы и пятиугольную форму поперечного сечения. Как вариант, ударный инструмент 16 может иметь форму шестигранной призмы и шестиугольную форму поперечного сечения. Возможны также нерегулярные геометрические трехмерные фигуры. Разумеется, поверхности могут быть как плоскими, так и дугообразными.
Блок 18 ударного инструмента 16 содержит основание 25, которое в данном варианте выполнения выполнено из стали. Сталь может быть цементированной. Взамен стали или в дополнение к ней могут быть использованы и другие материалы. Могут использоваться черные и цветные металлы. Например, блок 18 может содержать импрегнированные алмазы в металлической матрице.
Блок 18 может быть монолитным или, как вариант, может содержать защитный слой или твердый корпус поверх сердечника из какого-либо другого материала. Предпочтительно, материал, используемый в качестве первого материала сердечника, имеет более высокую трещиностойкость, чем второй материал внешнего, т.е. защитного слоя, в то время как второй материал имеет более высокую твердость и износостойкость, чем первый материал. Однако, поскольку ударный инструмент 16 содержит износостойкий элемент, возможно, хотя и не является предпочтительным, другой, противоположное решение, при котором второй материал имеет более высокую трещиностойкость, чем первый материал, и первый материал имеет более высокую износостойкость, чем второй материал.
Блок 18 ударного инструмента содержит две соединенные между собой части блока, причем первая часть 18a блока имеет практически конусообразную форму (с закругленной вершиной) в плане, а вторая часть 18b блока имеет прямоугольную форму в плане. Вторая часть 18b блока по окружности (т.е. в боковом направлении) уже, чем первая часть 18a блока, так что имеется одноступенчатый уступ 26 в месте перехода от первой части 18a блока к его второй части 18b. По причинам, которые станут ясными из сказанного ниже, этот ступенчатый уступ 26 присутствует только на передней кромке 22 ударного инструмента 16. На задней кромке 24 ударный инструмент 16 сужается в боковом направлении внутрь от точки A, сразу после перехода между первой и второй частями 18a, 18b блока.
На первом конце 20, в первой части 18a блока, расположено сквозное отверстие 28, служащее для крепления ударного инструмента 16 к роторному валу 10 с помощью обычно применяемых средств. Например, может использоваться механическое шарнирное соединение.
В рассматриваемом варианте выполнения износостойкий элемент содержит множество износостойких зубьев 30, расположенных рядом друг с другом по передней кромке 22 ударного инструмента 16. Установка износостойких зубьев 30 вдоль по передней кромке обеспечивает защиту ударного инструмента в месте, подверженном наибольшему износу. Износостойкие зубья 30 установлены на участке от второго противоположного конца 32 ударного инструмента 16 по направлению к первому концу 20, приблизительно до середины длины ударного инструмента 16.
В рассматриваемом варианте используются шесть износостойких зубьев 30, хотя может быть установлено большее или меньшее количество износостойких зубьев. Количество устанавливаемых износостойких зубьев 30 и их протяженность по передней кромке ударного инструмента 16 зависят от ожидаемого износа или повреждения, вызываемого падающими конгломератами, и может соответствующим образом изменяться.
Каждый зуб 30 крепится к блоку 18 ударного инструмента 16 с помощью соединительного разъема. В рассматриваемом варианте выполнения зубья 30 присоединены к блоку 18 с помощью пайки. Как вариант, для простоты замены, износостойкие зубья 30 могут крепиться к блоку с возможностью отсоединения.
Каждый зуб 30 обычно представляет собой кубический элемент с закругленной передней кромкой 34. Первый в ряду зуб упирается в ступенчатый уступ 26 между первой и второй частями 18a, 18b блока. Последний в ряду зуб, наиболее близко расположенный ко второму концу 32, дополнительно искривлен внутрь в сторону первого конца 20. Последний зуб помимо закругленных передних кромок имеет закругленную внешнюю кромку 36. Износостойкие зубья 30 установлены со смещением радиально внутрь относительно передней кромки 22, так что они не заходят за вторую часть 18b блока в направлении вращения.
Закругленные или скошенные кромки уменьшают напряжение в критических областях, где происходит соударение с породой, таким образом, предотвращая или по меньшей мере уменьшая растрескивание ударного инструмента 16. Кроме закругленных углов, на передней кромке может использоваться полусферическая поверхность, которая также хорошо работает.
Каждый зуб 30 выполнен из износостойкого материала, такого как спеченный карбид (например, спеченный карбид вольфрама), поликристаллический алмазный материал (ПКА), кубический нитрид бора (КНБ), поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ) или керамика.
С верхней плоской поверхности 40 ударного инструмента наружу выступают удлиненные защитные ребра 38. Эти ребра 38 предназначены для защиты блока 18 ударного инструмента. Шесть ребер 38 расположены параллельно друг другу и проходят от второго конца 32 до визуальной границы между первой и второй частями 18a, 18b блока.
В конструкции может быть использовано меньшее или большее количество ребер 38. При необходимости, ребра могут проходить в направлении поперек блока 18 ударного инструмента.
Ребра 38 содержат легкоплавкий твердый сплав (ЛТС) с железной основой. Материалы, которые можно указать в качестве примера, описаны в патентных документах US 8,968,834, US 8,846,207 и US 8,753,755. Как вариант, ребра 38 могут содержать спеченный карбид или поликристаллический алмазный материал (ПКА), или другой износостойкий материал.
На приведенных ниже чертежах показаны различные варианты выполнения ударного инструмента. В соответствующих случаях одинаковые или аналогичные элементы и детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Для краткости мы рассмотрим только ключевые различия между различными вариантами.
На фиг. 3 показан еще один вариант выполнения ударного инструмента 42. В этом варианте износостойкие зубья 44 не смещены радиально внутрь относительно передней кромки 22. В отличие от варианта выполнения, показанного на фиг. 2, износостойкие зубья 42 выступают за вторую часть 18b блока в направлении вращения.
Еще одно отличие заключается в том, что каждый износостойкий зуб 42 установлен таким образом, что его нижняя сторона 46 опирается на блок 18 ударного инструмента. Блок 18 содержит короткую опорную стенку 48, которая отходит в направлении по окружности наружу от нижней стороны второй части 18b блока. Эта опорная стенка 48 уменьшает риск выбивания износостойкого зуба 42 из блока 18 при ударном воздействии кусков породы, падающих сверху на ударный инструмент 42. Износостойкие зубья 42 прикреплены к блоку 18 посредством высокотемпературной пайки. Для осуществления крепления такого типа глубина (в осевом направлении) ударного инструмента была увеличена.
На фиг. 4 показан еще один вариант выполнения ударного инструмента 50, конструкция которого основана на варианте, показанном на фиг. 2, но ширина которого приблизительно в два раза меньше.
Ширина еще одного варианта выполнения ударного инструмента 52 , показанного на фиг. 5, снова была уменьшена примерно вдвое. Конструкция содержит четыре износостойких зуба 34, прикрепленных к блоку 18 ударного инструмента 52 снова с помощью соединительного разъема.
Ударный инструмент 54, показанный на фиг. 6, содержит удлиненный блок с прямоугольной формой поперечного сечения. В рассматриваемом варианте выполнения износостойкий элемент содержит множество выступов или шипов 56, выступающих наружу из верхней плоской поверхности 40 ударного инструмента 54. Выступы 56 расположены в виде матрицы на поверхности 40 на одинаковом расстоянии друг от друга. Однако они могут быть расположены и по-другому, более близко друг к другу, в частности, но не обязательно, в области ближе ко второму концу 32. Выступы 56 представляют собой вставки, установленные в выемках соответствующей формы, выполненных на поверхности 40.
Назначение выступов 56 заключается в том, чтобы выполнять функцию щита для защиты основания 25. Кроме того, они также повышают эффективность резания ударного инструмента. Считается, что при соударении с падающей породой уменьшенная площадь выступов (по сравнению с блоком 18) обеспечивает более высокую концентрацию напряжений в породе, чем в случае, если поверхность блока 18 была бы плоской.
Как и в любом другом варианте выполнения износостойкого элемента, рассматриваемых в настоящем описании, в качестве материала для выступов, предпочтительно, используется спеченный карбид или поликристаллический алмазный материал (ПКА). Возможно применение и других износостойких материалов.
В рассматриваемом варианте выполнения вставки 56 имеют закругленный профиль и расположены на поверхности 40 или выступают вверх относительно неё. Разумеется, могут быть использованы вставки с другими профилями, например, параболическими или в форме усеченного конуса. Аналогичным образом, вставки могут быть сферическими, полусферическими, кубическими, кубоидными и т.д.
Вставки 56 прикреплены к блоку 18 с помощью высокотемпературной пайки, но могут быть использованы и другие способы, например, запрессовка, горячая посадка, приклеивание и многие другие способы соединения.
Износостойкий элемент, показанный на фиг. 7, также содержит множество выступов 56. Однако в рассматриваемом варианте выполнения ударный инструмент 58 содержит удлиненный блок с трапецеидальным поперечным сечением. Наиболее широкая поверхность является самой нижней поверхностью ударного инструмента 58. Выступы 56 расположены не только на верхней плоской поверхности 40, но и на второй плоской поверхности 60. Вторая плоская поверхность 60 расположена на передней кромке 22 ударного инструмента 58.
Ударный инструмент 62, показанный на фиг. 8, содержит удлиненный блок с прямоугольной формой поперечного сечения. В данном варианте выполнения износостойкий элемент выполнен в форме прямоугольных пластин 64. Множество пластин 64 проходят поперек верхней плоской поверхности ударного инструмента 62 рядом друг с другом, и занимают участок в направлении от второго конца 32 к первому концу 20. Пластины 64 занимают приблизительно 60% длины верхней поверхности 40. В варианте выполнения, показанном на фиг. 8, изображены семь пластин 64, однако, ясно, что при необходимости их может быть меньше или больше. Каждая пластина 64 прикреплена к блоку 18 ударного инструмента 62 с помощью высокотемпературной пайки, хотя другие способы крепления также могут быть использованы.
Как показано на фиг. 9 и 10, ударный инструмент 66 содержит удлиненный блок с прямоугольной формой поперечного сечения. Износостойкий элемент выполнен в форму карбидного колпачка 68, закрывающего часть основания 25, и рукава 70, закрывающего вторую (другую) часть основания 25 рядом с первой частью. Карбидный колпачок 68 установлен на участке от второго конца 32 по направлению к первому концу 20, и занимает участок приблизительно 30% длины ударного инструмента 66. Рукав 70 представляет собой корпус, выполненный из поверхностно-упрочненной стали. Длина рукава 70 приблизительно равна длине карбидного колпачка 68, но установлен он приблизительно в середине ударного инструмента 66, так что общая протяженность износостойкого элемента составляет около 60% по длине ударного инструмента 66.
Ударный инструмент 72, показанный на фиг. 11, содержит удлиненный блок с прямоугольной формой поперечного сечения. Износостойкий элемент выполнен в форме защитного слоя, проходящего частично поперек основания 25. Стальное основание выполняет функцию упругого сердечника, способного выдерживать ударные и вибрационные нагрузки на ударный инструмент, в то время как защитный слой обеспечивает износостойкость, уменьшая изнашивание ударного инструмента.
Защитный слой может быть выполнен из стандартного твердосплавного материала или из вышеупомянутого легкоплавкого твердосплавного материала. Для получения требуемых свойств материала на поверхности или вблизи неё можно использовать различные технологии: азотирование, науглероживание, поверхностное цементирование и/или лазерную обработку.
Защитный слой выполнен в двух отдельных зонах. Первая зона 74 имеет первую заданную толщину, а вторая зона 76 имеет вторую заданную толщину, причем толщина второй зоны 76 больше толщины первой зоны 74. Вторая зона 76 расположена на втором конце ударного инструмента 72. Такой целенаправленный подход к созданию слоя гарантирует, что защитный слой обеспечивается только там, где он наиболее необходим для обеспечения износостойкости; в конечном счете, это делается для снижения материальных затрат.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было объяснено и описано на примере конкретных вариантов выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть сделаны различные изменения в форме и деталях, не выходящие за границы объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.
Кроме того, хотя в качестве материала, падающего на ударные инструменты, упоминались конгломераты, настоящее изобретение не ограничивается только лишь этим материалом. Настоящее изобретение может с равным успехом использоваться для конгломератов, агломератов или любых других типов горных пород и минералов аналогичного размера и с аналогичными характеристиками.
Хотя износостойкие зубья были описаны как проходящие по части ширины ударного инструмента, альтернативно износостойкие зубья могут быть установлены по всей ширине ударного инструмента 16. В таком варианте выполнения каждый износостойкий зуб может содержать фиксирующее отверстие, сквозь которое проходит запорный штифт для крепления износостойких зубьев к блоку ударного инструмента.
В любом из вышеописанных вариантов выполнения износостойкий элемент может проходить в направлении от второго конца ударного инструмента к его первому концу по всей длине ударного инструмента (т.е. может занимать 100% длины ударного инструмента). При необходимости, износостойкий элемент может проходить в направлении от второго конца к первому концу, занимая максимум 90%, максимум 80%, максимум 70%, максимум 60%, максимум 50%, максимум 40%, максимум 30%, максимум 20% или максимум 10% длины ударного инструмента.
При создании конкретного устройства согласно настоящему изобретению возможно любое сочетание отличительных признаков из различных вариантов выполнения. Например, выступы 56 могут быть использованы в комбинации с износостойкими зубьями 30 в качестве замены для защитных ребер 38 (или дополнительно к ним).
Описанный здесь ударный инструмент обладает отличной износостойкостью и трещиностойкостью, обеспечивая превосходную сопротивляемость нагрузкам, создаваемым падающим частицам горных пород и минералов, обрабатываемых с помощью высокоскоростной измельчающей дробилки высокой ударной мощности.
Некоторые стандартные термины и понятия, используемые в настоящем документе, кратко объясняются ниже.
Указанный выше поликристаллический алмазный материал (ПКА) содержит множество мелких кристаллических алмазов, значительное количество которых непосредственно соединено друг с другом, причем содержание алмаза составляет по меньшей мере около 80 процентного объема данного материала. Промежутки между мелкими кристаллическими алмазами могут быть практически пустыми или могут быть по меньшей мере частично заполнены наполнителем. Материал наполнителя может содержать материал, способствующий спеканию.
Материал ПКНБ содержит кристаллы кубического нитрида бора (КНБ), диспергированные в матрице, выполненной из металла, полуметаллического и/или керамического материала. Например, материал ПКНБ может содержать по меньшей мере около 30 объемных процентов кристаллов КНБ, диспергированных в связывающем матричном материале, содержащем Ti-содержащее соединение, такое как карбонитрид титана, и/или Al-содержащее соединение, такое как нитрид алюминия, и/или соединения, содержащие металлы, такие как Co и/или W. Некоторые варианты (или «сорта») материала ПКНБ могут содержать по меньшей мере около 80 объемных процентов или даже по меньшей мере около 85 объемных процентов кристаллов КНБ.