Вертикальная шаровая мельница
BALL-AND-RACE MILL

Изобретение относится к устройствам для помола материалов и может быть использовано в строительной, лакокрасочной, химической, фармацевтической, горнодобывающей и других отраслях промышленности.
Известна нано-шариковая мельница, которая  состоит из измельчающего барабана и горизонтального вращающегося ротора; сепаратор материала помещен между измельчающим ротором и измельчающим цилиндром; во внутренней стороне сепаратора сформирована полость помола (CN203750625, МПК B02C 17/18, опубл. 06.08.2014).
Недостатком является то, что горизонтальная схема расположения мельницы ведет к большой площади занимаемого пространства и к снижению качества помола, поскольку материал под тяжестью оседает в нижнюю часть мельницы, что ведет к низкой производительности.
Известная вертикальная бисерная мельница кольцевого типа для диспергирования пигмента, для которой можно использовать дисперсионную среду с очень маленьким размером частиц, не вызывая проблемы забивания среды, и для которой можно сократить время промывки (JP2006000751, МПК B01F3/18; B01F5/10; B01F7/00; B01F7/16; B01F7/18; B04B3/00; C09D17/00, опубл. 05.01.2006).
Недостатком является то, что эта мельница эффективна только при надлежащей подготовке перемалываемого материала, т.е. предварительно измельченного до надлежащего размера.
Широко известны коллоидные мельницы, например, мельница раздельного типа с трехступенчатым дроблением (CN203281268, МПК B01F13/10; B02C7/08; B02C7/12; B02C7/16, опубл. 13.11.2013, CN103736550, МПК B02C7/04; B02C7/11; B02C7/17,  опубл. 23.04.2014 и др.).
Их общим недостатком является то, что измельчение материалов происходит между статором и ротором, что приводит к их быстрому износу.
Недостатком таких мельниц также является отсутствие четкого соотношения шаров различного размера в массе шаровой загрузки, что не обеспечивает максимальной производительности и высокого качества получаемой товарной продукции (о данной проблеме подробно изложено в патенте РФ №2121876 от 20.11.98 г.).
Известна вертикальная шаровая мельница, состоящая из привода, резервуара с рубашкой, рамы, загрузочного и разгрузочного устройств, насосной установки и вала с расположенными на нем по винтовой линии под углом друг к другу лопастями. Лопасти выполнены в виде стержней с постоянным поперечным сечением, с закрепленными на них с постоянным шагом шарами, диаметр которых уменьшается в радиальном направлении при приближении к оси вращения вала, причем расстояние между шарами не меньше среднего арифметического значения диаметров шаров на лопасти. При взаимодействии лопасти с шарами в плоскости, перпендикулярной оси лопасти, возникает усилие, приложенное к лопасти со стороны шара. Так как верхние образующие рабочей поверхности лопасти наклонены под некоторым углом к горизонтали, возникает осевое усилие, отжимающее шары к стенке резервуара и к валу мешалки.
Благодаря этому возрастает усилие взаимодействия между шарами как в верхних, так и в нижних горизонтальных слоях. Увеличение относительного скольжения шаров при одновременном возрастании усилия их взаимодействия значительно увеличивает производительность шаровой вертикальной мельницы на единицу объема ее резервуара и степень измельчения исходного продукта (см. - а.с. СССР №354892 от 24.08.1970).
Недостатком является сложность устройства и ненадежность получения продукта требуемого размера.
В ходе патентного поиска прототип не был выявлен.
Техническая проблема, решаемая изобретением - обеспечить получение продукта размера, близкого к нано-размеру, стабильного качества из материала достаточно большой начальной фракции без его предварительной подготовки.
Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в повышении производительности при обеспечении качественного помола.
Технический результат достигается за счет того, что в разработана вертикальная  шаровая мельница, содержащая два неподвижных соединенных между собой полых полукорпуса с загрузочным отверстием  и установленное в полости между полукорпусами устройство помола, соединенное с электроприводом,  снабженным частотным регулятором,  устройство помола снабжено внутренней сквозной полостью, образованной сквозными отверстиями, выполненными в соосно установленных вращающихся верхнем и нижнем роторах, соединенных между собой штифтами с возможностью ограниченного вертикального колебания относительно друг друга за счет пружинных элементов, установленных между ними; верхний полукорпус снабжен кольцевой проточкой с уложенными в ней с возможностью перемещения и вращения шарами, поджатыми к ответной кольцевой проточке верхнего ротора; нижний ротор выполнен с эксцентриковой проточкой, в которой с возможностью вращения и скольжения по ней уложены шары, установленные в ячейки  обруча, поджатого к нижнему ротору внутренней торцевой поверхностью нижнего полукорпуса; в нижней части нижнего ротора выполнены сквозные радиальные отверстия, открытые во внутреннюю сквозную полость, которая на входе снабжена фильтром, соединенным с нижним ротором, а на выходе через патрубок, закрепленный на верхнем роторе, герметично соединена с корпусом крыльчатки, снабженным выпускной трубой с установленными в ней фильтром и емкостью для приема микрочастиц, при этом в нижнем полукорпусе выполнено отверстие вывода остатков продукта.
Верхний и нижний полукорпуса снабжены контурами охлаждения, выполненными в виде обвитых по наружным стенкам корпусов трубок с хладагентом.
Наличие в вертикальной шаровой мельнице двух неподвижных соединенных между собой полых полукорпусов с загрузочным отверстием и установленным в полости между полукорпусами устройством помола, соединенным с электроприводом, снабженным частотным регулятором позволяет обеспечивать помол загружаемого через загрузочное отверстие материала.
Наличие частотного регулятора электропривода позволяет в процессе помола менять частоту вращения роторов устройства помола, вызывая вибрацию шаров, обеспечивающих помол, что позволяет повысить эффективность, производительность и качество помола.
Выполнение вертикальной  шаровой мельницы с устройством помола, снабженным внутренней сквозной полостью, образованной сквозными отверстиями, выполненными в соосно установленных вращающихся верхнем и нижнем роторах, соединенных между собой штифтами с возможностью ограниченного вертикального колебания относительно друг друга за счет пружинных элементов, установленных между ними, а верхнего полукорпуса снабженным кольцевой проточкой с уложенными в ней с возможностью перемещения и вращения шарами, поджатыми к ответной кольцевой проточке верхнего ротора, нижнего ротора с эксцентриковой проточкой, в которой с возможностью вращения и скольжения по ней уложены шары, установленные в ячейки  обруча, поджатого к нижнему ротору внутренней торцевой поверхностью нижнего полукорпуса обеспечивает повышение производительности мельницы за счет динамических вибраций, вызванных перемещением шаров по эксцентриковой проточке при изменении частоты вращения верхнего и нижнего роторов.
Изменение усилия поджатия шаров к проточкам, по которым они перемещаются в верхнем и нижнем роторах, обеспечено за счет использования частотного регулятора и пружинного поджатия верхнего и нижнего роторов к соответствующим полукорпусам, что дает возможность увеличить производительность мельницы и качество помола.
Выполнение в нижней части нижнего ротора сквозных радиально расположенных отверстий, открытых во внутреннюю сквозную полость, которая на входе снабжена фильтром, соединенным с нижним ротором, а на выходе через патрубок, закрепленный на верхнем роторе, герметично соединена с корпусом крыльчатки, снабженным выпускной трубой с установленными в ней фильтром и емкостью для приема микрочастиц, и наличие в нижнем полукорпусе отверстия для вывода остатков продукта недолжного качества, обеспечивает повышение качества полученного на выходе материала в виде микрочастиц, приближенных к нано-размеру, за счет невозможности попадания частиц большего размера внутрь сквозной полости.
Устройство показано на схемах.
Фиг. 1 - общий вид мельницы, установленной во внешнем корпусе;
Фиг. 2 - взрыв-схема мельницы;
Фиг. 3 - продольное сечение мельницы по загрузочному отверстию;
Фиг. 4 - продольное сечение нижнего вращающегося ротора;
Фиг. 5 - вид А фиг. 4;
Фиг. 6 - сечение В-В фиг. 4.
Разработанная вертикальная  шаровая мельница предназначена предпочтительно для измельчения фторопласта, обладающего самым низким коэффициентом сухого трения среди полимеров, в частности, фторопласта-4.
Вертикальная шаровая мельница 1 установлена во внешнем корпусе 2 и закреплена внутри него на раме 3, подпружиненной относительно внешнего корпуса (см. фиг. 1). Подпружинивание рамы 3 относительно корпуса 2 необходимо для того, чтобы предотвратить передачу вибрации, возникающей в шаровой мельнице 1 во внешнюю среду.
Вертикальная шаровая мельница 1 (см. фиг. 1, 2) содержит два неподвижных соединенных между собой полых полукорпуса 4, 5. В верхнем полукорпусе 4 выполнено загрузочное отверстие 6 (см. фиг. 2, 3).   В полости между полукорпусами 4, 5 установлено устройство помола. Устройство помола включает два вращающихся ротора - верхний и нижний.  Устройство помола снабжено внутренней сквозной полостью 7, образованной за счет соосно установленных вращающихся верхнего 8 и нижнего 9 роторов. Верхний 8 и нижний 9 роторы соединены между собой штифтами 10. В нижнем роторе 9 штифты 10 запрессованы, в верхнем роторе 8 штифты посажены в отверстия по скользящей посадке. Установка штифтов 10 в верхнем роторе 9 по скользящей посадке обеспечивает возможность незначительного вертикального перемещения верхнего 8 и нижнего 9 роторов относительно друг друга.
В каждом из роторов выполнены соосные глухие пазы, расположенные друг над другом, в которые установлены пружинные элементы 11.  Нижний ротор 9 устройства помола через ременную передачу 12 соединен с электроприводом 13 (электродвигателем), снабженным частотным регулятором 14 (см. фиг.1, 2). В частном случае для проведения испытаний был использован частотный преобразователь производства Китай, модель PST 350-7.5G3, мощностью 7,5 кВт, ток 16,1 А.  Верхний 8 и нижний 9 роторы вращаются с одинаковой угловой скоростью.
Верхний полукорпус 4 снабжен кольцевой проточкой 15 с уложенными в нее с возможностью перемещения и вращения шарами 16 (см. фиг. 2, 3). На наружной поверхности верхнего ротора 8, обращенной в сторону верхнего полукорпуса 4, выполнена ответная кольцевая проточка 17, к которой поджаты шары 16. Нижний ротор  9 выполнен с эксцентриковой проточкой 18, выполненной на наружной стороне нижнего ротора 9, обращенной в сторону нижнего полукорпуса 5 (см. фиг. 2, 3, 4, 5). Смещение оси Х эксцентриковой проточки показано на фиг. 5. В эксцентриковую проточку 18 с возможностью вращения и скольжения по ней уложены шары 19, установленные в ячейки  обруча 20. Обруч 20 поджат к нижнему ротору 9  внутренней торцевой поверхностью 21 нижнего полукорпуса 5. Вертикальное перемещение верхнего 8 и нижнего 9 роторов относительно друг друга позволяет обеспечить поджатие роторов к верхнему 4 и нижнему 5 полукорпусам, обеспечивая плотное поджатие шаров 16 и 19 к поверхностям проточек 15, 17 и эксцентриковой проточке 18 соответственно.
Верхний 8 и нижний 9 роторы выполнены с внутренним сквозным отверстием 22, 23 соответственно. В нижней части сквозного отверстия 22 верхнего ротора 8 выполнена проточка 24 большего диаметра (см. фиг.3). В проточку 24 по скользящей посадке установлен выступ 25 нижнего ротора 9. Такая посадка роторов обеспечивает получение практически герметичной внутренней сквозной полости 7, образованной сквозными отверстиями 22, 23 верхнего 8 и нижнего 9 роторов.  В нижней части нижнего ротора 9 выполнены сквозные радиальные отверстия 26, открытые во внутреннюю сквозную полость 7 (см. фиг.4, 6). На входе во внутреннюю сквозную полость 7 к нижнему ротору 9 присоединен фильтр 27, обеспечивающий забор чистого воздуха в сквозную полость 7 (см. фиг. 1). На выходе сквозная полость 7 через патрубок 28, закрепленный на верхнем роторе 8, герметично соединена с корпусом 29 крыльчатки, снабженным выпускной трубой 30 с установленными в ней фильтром 31 и емкостью 32 для приема микрочастиц, приближенных к нано-размеру. В нижнем полукорпусе 5 выполнено отверстие 33 вывода остатков продукта, имеющего повышенную зернистость.
Шары 16 имеют больший диаметр, чем шары 19.
Верхний 4 и нижний 5 полукорпуса снабжены контурами охлаждения, выполненными в виде обвитых по наружным стенкам корпусов трубок 34 с хладагентом для обеспечения стабильной температуры процессов и предотвращения спекания измельченного материала. В качестве хладагента может быть использована также и вода.
Вертикальная шаровая мельница работает следующим образом.
Сырье засыпается в загрузочное устройство 35, установленное на верхней части внешнего корпуса 2 и снабженное дозатором, и подается через загрузочное отверстие 6, выполненное в верхнем полукорпусе 4, в полость между верхним полукорпусом 4 и верхним ротором 8 устройства помола (см. фиг. 1, 3).
Первый грубый помол осуществляется шарами 16, увлекающимися с возможностью вращения по кольцевой проточке 15 и ответной кольцевой проточке 17 вращающегося верхнего ротора 8. Пружинные элементы 11 раздвигают верхний 8 и нижний 9 роторы для оказания необходимого давления на шары 16, 19, расположенные в кольцевой проточке 17 и  эксцентриковой проточке 18 указанных роторов для обеспечения требуемой степени помола.
Между верхним ротором 8 и стенкой верхнего полукорпуса 4 выполнен зазор 36, по которому продукт помола под своим весом перетекает к эксцентриковой проточке 18 нижнего ротора 9.
Шарами 19, установленными с возможностью вращения в ячейки обруча 20 и скольжения по эксцентриковой проточке 18, производится более мелкий помол.  Шары 19, скользящие по эксцентриковой проточке 18 и вращающиеся в ячейках обруча 20,  поджатого к эксцентриковой проточке 18, вызывают биение и вибрацию, за счет чего выполняется более качественный  помол поступившего продукта до требуемого размера (приближенного к нано-размеру). Возникающие биение и вибрация могут быть усилены за счет изменения частоты вращения редукторов с помощью управления электроприводом посредством частотного регулятора 14.
Возникающие вибрации способствуют также отделению более мелкой фракции от крупных частиц, который могут оставаться после помола. Помолотый продукт ссыпается в зазор 37, образованный между нижним полукорпусом 5 и нижним редуктором 9, откуда крупные частицы под своим весом и за счет вибрации мельницы через жиклеры отверстия 33 вывода остатков продукта ссыпаются в канал 38 и далее в приемную емкость 39 (см. фиг. 1). Из приемной емкости 39 отходы помола могут быть вновь отправлены на помол.
Мелкая фракция через сквозные радиально расположенные отверстия 26, открытые во внутреннюю сквозную полость 7, всасываются в указанную полость 7 и потоком воздуха, создаваемым крыльчаткой, увлекаются в верхнюю часть, попадают в выпускную трубу 30 с установленным в ней титановым фильтром 31 с отверстиями меньшего размера, чем продукт помола. Крыльчатка приводится во вращение собственным электродвигателем, который условно не показан.
Титановый фильтр 31 отсекает мелкую фракцию, и она ссыпается в емкость 32 для приема микрочастиц.
При предлагаемом многоступенчатом измельчении продукта, частицы мелкого помола (приближенного к нано-размеру) перемещаются регулируемым воздушным потоком, а прочие фракции собираются в нижней части мельницы помола и высыпаются через жиклеры отверстия 33 вывода остатков продукта.
Как показали испытания, заявляемая вертикальная  шаровая мельница обеспечивает высокую производительность помола, стабильное качество получаемого продукта при измельчении материала достаточно большой начальной фракции.
Устройство может быть изготовлено с использованием известных устройств, современных технологий и материалов. В частности, основные элементы устройства могут быть изготовлены из следующих материалов: шары - из нержавеющей стали марки AISI 304, роторы - из стали 40Х, полукорпуса - из стали 45.
Заявленное устройство может быть использовано в строительной, лакокрасочной, химической, фармацевтической, горнодобывающей и других отраслях промышленности, предпочтительно для измельчения фторопласта, обладающего самым низким коэффициентом сухого трения среди полимеров, в частности, фторопласта-4.