МЕЛЬНИЦА И СПОСОБ РАЗМАЛЫВАНИЯ
MILL AND METHOD OF GRINDING

Предпосылки к созданию изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к ротационной мельнице и к способу размалывания.
Описание существующего уровня техники
Обычные ротационные мельницы включают в себя цилиндрический барабан, который вращается вокруг по существу горизонтальной оси. Во вращающийся барабан загружают зернистый материал, такой как пульпа или порошок, причем частота вращения барабана составляет от половины до трех четвертей «критической скорости» (т.е. минимальной скорости, с которой материал, находящийся на внутренней поверхности барабана, перемещается по окружности в контакте с мельницей). Это вызывает галтовочное действие, когда шихта и любой шлифовальный материал частично перемещаются вверх по внутренней стенке барабана, и потом отделяются и падают, ударяясь о другие частицы шихты. Уменьшение размеров частиц достигается главным образом за счет абразивного и ударного действия.
В международной патентной заявке WO 99/11377 описана конструкция мельницы, в которой ротационный барабан разгоняют со значительным превышением критической частоты вращения для того, чтобы сформировать спрессованный слой зернистого материала, удерживающегося на внутренней поверхности контейнера, и сдвигающие элементы, такие как диски или штыри, соприкасающиеся с этим слоем для того, чтобы вызвать сдвиг в слое. Это создает перемешанные зоны со значительным сдвигом в спрессованном материале, прилегающем к сдвигающим элементам, создавая очень эффективный перемалывающий механизм.
При использовании множества сдвигающих дисков они разделяются расстоянием, достаточным для получения внутри камеры измельчения чередующихся затвердевших и перемешанных зон.
Мельница по WO 99/11377 является эффективной при небольших масштабах, однако обнаружено, что скорость измельчения и рост производительности при увеличении масштабов сдерживаются ограничениями накопления измельченного материала вдоль мельницы, в которой применяется множество дисков.
В австралийской патентной заявке AU-A-302336/00 описаны адаптации мельницы WO 99/11377, включающие новые системы загрузки.
Содержание заявок WO 99/11377 и AU-A-302336/00 включается сюда посредством ссылки.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на предложение усовершенствованной конструкции мельницы.
В одной форме изобретение предлагает мельницу для зернистого материала, включающую в себя ротационный контейнер с внутренней поверхностью, систему подачи материала для загрузки зернистого материала в контейнер, первый роторный привод, вращающий контейнер вокруг первой оси вращения и вызывающий сдвиг элемент, соприкасающийся с зернистым материалом в контейнере таким образом, чтобы вызвать сдвиги в указанном зернистом материале, причем вызывающий сдвиг элемент установлен на второй оси, причем указанные первая ось вращения и вторая ось вращения располагаются с угловым смещением относительно друг друга.
В другой форме изобретение предлагает способ измельчения зернистого материала, включающий в себя загрузку зернистого материала в контейнер, который имеет внутреннюю поверхность, вращение контейнера вокруг первой оси вращения, размещение внутри контейнера вызывающего сдвиг элемента, установленного на второй оси таким образом, чтобы зернистый материал соприкасался с вызывающим сдвиг элементом для того, чтобы вызывать сдвиг в указанном зернистом материале, причем указанные первая ось вращения и вторая ось вращения располагаются с угловым смещением относительно друг друга.
В еще одной форме изобретение предлагает мельницу для зернистого материала, которая включает в себя роторный контейнер, имеющий внутреннюю поверхность, первый роторный привод, вращающий контейнер вокруг первой оси вращения и вызывающий сдвиг элемент, соприкасающийся с зернистым материалом в контейнере таким образом, чтобы вызвать сдвиги в указанном зернистом материале, причем вызывающий сдвиг элемент установлен на второй оси, и механизм угловой настройки, предназначенный для регулирования относительного углового смещения первой оси вращения и второй оси вращения.
В другой форме изобретение предлагает способ измельчения зернистого материала, включающий в себя загрузку зернистого материала в контейнер, который имеет внутреннюю поверхность, вращение контейнера вокруг первой оси вращения, помещение внутри контейнера вызывающего сдвиг элемента, установленного на второй оси таким образом, чтобы зернистый материал соприкасался с вызывающим сдвиг элементом для того, чтобы вызывать сдвиг в указанном зернистом материале, причем указанные первая ось вращения и вторая ось вращения располагаются с регулируемым угловым смещением относительно друг друга.
Возможно, что вторая ось является осью вращения вызывающего сдвиг элемента, и мельница также включает в себя роторный привод для вызывающего сдвиг элемента.
Возможно также, что мельница включает в себя средство регулирования углового смещения первой и второй осей.
Желательно, чтобы мельница была приспособлена ко вращению контейнера со скоростью выше критической, и предпочтительно со скоростью, достаточной для создания одной или более по существу затвердевших зон в слое зернистого материала.
Краткое описание чертежей
Дополнительные предпочтительные варианты реализации изобретения будут теперь описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 показан перспективный вид мельницы согласно первому варианту реализации;
на фиг.2 показан вид сбоку, частично в разрезе, мельницы с фиг.1;
на фиг.3 показана вертикальная проекция с вырезом детали конфигурации первого измельчающего контейнера и сдвигающего элемента;
на фиг.4 показана с вырезом детали перспектива с фиг.3, демонстрирующая более подробно контур сдвигающих дисков;
на фиг.5 показана вертикальная проекция с вырезом детали конфигурации второго измельчающего контейнера и сдвигающего элемента;
на фиг.6 показана вертикальная проекция с вырезом детали конфигурации третьего измельчающего контейнера и сдвигающего элемента;
на фиг.7А и 7В показаны соответственно вертикальная проекция с вырезом детали конфигурации четвертого измельчающего контейнера и сдвигающего элемента и отдельного лезвия сдвигающего элемента;
на фиг.8 показан перспективный вид с одной стороны мельницы согласно другому варианту реализации изобретения;
на фиг.9 показан перспективный вид с другой стороны мельницы с фиг.8, с увеличенным угловым смещением между измельчающим контейнером и вызывающим сдвиг элементом; и
на фиг.10 показана вертикальная проекция с вырезом, схематически демонстрирующая формирование затвердевшей зоны на внутренней поверхности контейнера.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации
Как показано на фиг.1-4, мельница 100 имеет основание 102, которое поддерживает первую монтажную раму 104 и вторую монтажную раму 105.
Первая монтажная рама поддерживает измельчающий контейнер 106 и соответствующее ротационное средство привода, включая приводной двигатель 108, зубчатую передачу или приводной шкив 110 и приводной вал 112, установленный в раме на подшипниках 114.
Измельчающий контейнер 106 прикреплен к одному концу приводного вала 112 для вращения вместе с ним вокруг первой оси вращения 116. Следует отметить, что в этом варианте реализации ось наклонена, хотя возможно применение и других ориентаций, таких как горизонтальная и вертикальная оси.
Как показано на фиг.3 и 4, внутренняя поверхность 118 измельчающего контейнера 106 образует частично сферическую измельчающую камеру 120 и выполнен из двух частей - задней части 106а, которая образует крепление к приводному валу 112 и загрузочному входу 122, и передней части 106b, которая имеет разгрузочное отверстие 124 и через которую приводное средство сдвигающего элемента 126 входит в измельчающую камеру. Задняя половина 106а контейнера может быть выполнена, как показано, как одно целое с приводным валом 112, или же может быть прикреплена болтами или другим подходящим средством крепления.
Передняя и задняя половины 106b, 106a измельчающего контейнера крепятся друг к другу с возможностью отделения - например, с помощью болтов, зажимов или других подходящих средств - для того, чтобы обеспечить сборку половин контейнера после крепления сдвигающего средства 126 к концу его приводного вала 136 болтами 152 или другим подходящим средством.
В варианте реализации, показанном на фиг.3 и 4, две половины 106а, 106b контейнера имеют выровненные углубления под болты 127а, 127b, предназначенные для пропуска болтов (не показаны) для соединения двух половин.
Как показано на фиг.2, разгрузочный лоток 128 и разгрузочный желоб или труба 130 также прикреплены к первой монтажной раме 104, прилегающей к разгрузочному отверстию 124 измельчающей камеры. Вторая монтажная рама 105 поддерживает роторный сдвигающийся элемент 126 и соответствующие роторные приводные средства, включая компоновку приводного двигателя 134 и приводного вала 136.
Двигатель 134 и приводной вал 136 приводят во вращение сдвигающий элемент 126 вокруг второй оси вращения 138, которая располагается под углом к оси вращения 116 и пересекается с осью 116 внутри измельчающей камеры 120.
Двигатель 134, приводной вал 136 и сдвигающий элемент 126 установлены на второй раме 106 с помощью поворотной рамы 140, которая крепится к раме 106 в точках поворота 142 с каждой стороны рамы для того, чтобы образовать поворотную ось 144, которая проходит через центр сферической измельчающей камеры, совпадающий с пересечением осей вращения 116, 138.
Поворачивание поворотной рамы 140 направляется направляющими штифтами 146, которые ходят внутри дугообразных направляющих пазов 146, с зажимным механизмом 150, предназначенным для фиксации углового положения поворотной рамы. Таким образом, может регулироваться угол между осью сдвигающего элемента 138 и осью контейнера 116.
Приводной вал 136 устанавливается в поворотной раме 140 на подшипниках 151.
Другие детали одного варианта реализации измельчающего контейнера и сдвигающего элемента можно видеть на фиг.3 и 4.
В варианте реализации, проиллюстрированном на фиг.3 и 4, сдвигающий элемент 126 содержит центральный вал 154 с рядом радиальных круговых сдвигающих дисков 156, ранжированных по диаметру таким образом, чтобы иметь в общем частично сферическую форму с центром, который совпадает с центром частично сферической измельчающей камеры 120.
Механизм, предназначенный для регулирования углового положения приводного вала 136 и сдвигающего элемента 126, удерживает такую концентрическую компоновку между сдвигающим элементом и измельчающей камерой.
В процессе применения система привода контейнера обеспечивает вращение контейнера 106 с высокой скоростью, предпочтительно выше критической скорости, и предпочтительно гораздо выше критической скорости, например со скоростью, создающей в материале на внутренней поверхности контейнера усилие, по меньшей мере приблизительно в 100 раз превышающее силу тяжести.
Двигатель 134 и приводной вал 135 приводят сдвигающий элемент во вращение относительно контейнера 106. Направление вращения сдвигающего элемента может быть таким же, как у вращения контейнера 106, или противоположным ему, как рассматривается дополнительно ниже, или же в некоторых вариантах реализации сдвигающий элемент может быть зафиксирован с недопущением вращения.
Текучий зернистый материал, предназначенный для измельчения - обычно в форме пульпы - непрерывно подают в измельчающую камеру через стационарную загрузочную трубу 158 (фиг.3), которая проходит через центр приводного вала контейнера 112 и входит в контейнер мельницы через загрузочный вход 122. В зависимости от ориентации приводного вала, характера пульпы и требующегося расхода шихта может поступать под действием силы тяжести или закачиваться через загрузочную трубу.
Мельница приспособлена для самоизмельчения - т.е. материал измельчается без особой измельчающей среды - хотя в случае необходимости для особой области применения в мельницу может загружаться исходная партия внешней измельчающей среды, которая остается в мельнице.
Высокая скорость вращения контейнера вызывает формирование из материала шихты плотного, затвердевшего слоя 180, который удерживается на внутренней поверхности 118 контейнера и вращается вместе с ней, в общем, сходным образом с описанным в WO 99/11377 и в AU-A-30236/00 и схематически показанным на фиг.10.
Относительное вращение контейнера 106 и дисков сдвигающего элемента 156 вызывает скопление спрессованного слоя шихты возле дисков 156, образующих перемешанную зону с высоким сдвигом, ограниченную дисками 156 и затвердевшим слоем.
Во многих случаях было бы удобно, чтобы сдвигающий элемент вращался в направлении, противоположном направлению вращения контейнера с целью максимизации эффекта измельчения сторонами сдвигающих дисков или других сдвигающих элементов, соприкасающихся с материалом, перемещающимся вместе с оболочкой контейнера. В других случаях, таких как измельчение тонкого, сухого материала, может оказаться удобным, чтобы контейнер и сдвигающий элемент вращались в одном направлении, но с разной скоростью, с целью максимизации давления в мельнице благодаря центробежному действию. Возможны некоторые случаи, при которых желательно держать сдвигающий элемент неподвижным и полагаться только на вращение контейнера с целью достижения различия во вращении.
Уменьшение размеров частиц в зоне смещения достигается, в первую очередь, за счет сдвига и трения под давлением, дополняемых разрушением при сжатии, вызванным превышением «гравитационной» силы. Определенную роль могут играть соударения частиц, в особенности, в случае более крупных частиц, превышающих приблизительно 5-10 мкм.
Скорость вращения контейнера и сдвигающего элемента и радиальное положение разгрузочного отверстия, которое влияет на глубину слоя материала, могут регулироваться с целью варьирования давления внутри слоя материала. Например, во многих областях применения было бы удобно использовать очень большую силу G, такую как 100G или больше, с целью максимизации разрушения частиц, в то время как возможны варианты, такие как истирание поверхностного слоя частиц, в которых более подходящей является меньшая сила G, такая как 20G.
Угловое смещение между осями вращения 116, 138 контейнера 106 и сдвигающего элемента 126 вызывает продвижение дисков 156 по поверхности контейнера при вращении контейнера и диска, так что вместо простого формирования борозды в затвердевшем слое, подобно WO 99/11377 и AU-A-30236/00, относительное вращение контейнера и сдвигающего элемента в настоящем варианте реализации дополнительно вызывает продольное накопление вдоль измельчающей камеры, способствуя прохождению измельченного материала через мельницу.
В результате этого продольного продвижения дисков вдоль поверхности контейнера затвердевшая зона удерживается на внутренней поверхности контейнера, однако шихта скапливается внутри корпуса мельницы, достигая большого активного объема для измельчения.
Регулирование углового положения сдвигающего элемента относительно контейнера путем регулирования угла поворотной рамы 140 допускает это продольное накопление и, соответственно, регулирование длительности нахождения в мельнице и производительности для удовлетворения требований к определенным условиям измельчения.
На фиг.5 показана альтернативная конфигурация сдвигающего элемента для варианта реализации с фиг.1-4, которая содержит шарообразный элемент 160, который имеет на своей наружной поверхности сдвигающие штыри.
На фиг.6 показана другая конструкция, приспособленная для измельчения сухого зернистого материала.
Измельчающий контейнер и средства загрузки подобны описанным со ссылкой на вариант реализации на фиг.1-4, и одинаковые числовые позиции используются для аналогичных признаков.
Сдвигающий элемент 164 является шаровидным, и его ось 138' смещена в одну сторону измельчающей камеры таким образом, что зазор между сдвигающим элементом и внутренней поверхностью измельчающего контейнера равен «Х» с одной стороны при меньшем расстоянии «Y» с другой стороны.
Вращение контейнера передает материал в меньший зазор Y при относительном вращении сдвигающего элемента и контейнера, действующем, в сущности, как сочетание пестика и ступки, вызывающим смещение зернистого материала между сдвигающим элементом и вращающимся, затвердевшим слоем, описанным выше.
Как и в вариантах реализации, показанных на фиг.3, 4 и 5, угловое смещение между осями вращения контейнера 106 и углового элемента 126 вызывает продольное накопление частиц.
Шаровидный сдвигающий элемент может иметь гладкую поверхность, подобно показанному, или иметь много борозд, гребней или других образований с целью улучшения измельчения.
На фиг.7А и 7В проиллюстрирована альтернативная конфигурация сдвигающего элемента, при которой сдвигающий элемент содержит ряд надрезанных дисковых лезвий 166, каждое из которых имеет выступы 168 и V-образные вырезы 170 между ними. Выступы могут быть по существу радиальными, как показанные, или же альтернативно могут быть наклонены по окружности и/или в продольном направлении.
Каждое лезвие имеет центральное установочное отверстие 172, которое может быть не круглым, а квадратным или прямоугольным (как показано), или со шпонкой, предназначенное для установки на имеющую соответствующую форму части установочного вала 136.
Лезвия могут быть конфигурированы для установки на валу с совмещенными или смещенными по окружности вырезами при условии, что конфигурация лезвия приспособлена для сбалансированного вращения сдвигающего элемента вокруг оси вращения.
Конфигурация сдвигающего элемента на фиг.7А и 7В может быть приспособлена для областей применения, при которых желательно иметь меньшее лобовое сопротивление на сдвигающем элементе, и/или повышенную подвижность измельчаемого материала в продольном направлении в мельнице по сравнению со сплошными дисками, показанными на фиг.3 и 4.
На фиг.8 и 9 проиллюстрирован альтернативный вариант реализации изобретения с горизонтальной установкой.
Числовые позиции на фиг.8 и 9 основываются на позициях для аналогичных компонентов, показанных на фиг.1-7, с использованием позиций 200-й серии вместо позиций 100-й серии, применяемых на фиг.1-6. Например, измельчающий контейнер 206 на фиг.8 и 9 аналогичен измельчающему контейнеру 106 на фиг.2.
Измельчающий контейнер 206 с его механизмом привода - включая двигатель 208, зубчатую передачу или приводной шкив (опущен для ясности), подшипники 214 и приводной вал 212 - установлены на первой монтажной раме 204, прикрепленной к основанию 202.
Сдвигающий механизм и его механизм привода - двигатель 234, зубчатая передача или приводной шкив (опущен для ясности), подшипники 251 и приводной вал 236 - установлены на основании через посредство поворотной рамы 240. Поворотная рама поворачивается горизонтально вокруг оси поворота 242, расположенной непосредственно под центром измельчающей камеры, с совмещением отверстий 266 на основании 202 и поворотной раме 240, допускающем фиксацию угла из множества заданных углов.
На фиг.8 показан сдвигающий элемент, установленный под относительно небольшим углом относительно измельчающей камеры, в то время как на фиг.9 показан сдвигающий элемент, расположенный под большим углом с целью повышения пропускной способности мельницы.
В целом работа мельницы, показанной на фиг.8 и 9, подобна работе при описанных выше вариантах реализации, и сдвигающий элемент различных конфигураций, таких как показанные на фиг.3 и 4, 5, 6 или 7, могут использоваться вместе с этой компоновкой.
Оптимальное угловое смещение между осью вращения контейнера и осью сдвигающего элемента может варьироваться в зависимости от материала, предназначенного для измельчения, диаметра мельницы и скоростей вращения контейнера и вызывающего сдвиг элемента. В общем, больший диаметр мельниц потребует меньшего углового смещения, поскольку больший диаметр приведет к большему продольному перемещению сдвигающего элемента относительно поверхности контейнера при данном угле. Например, угол около 5° может применяться в мельнице диаметром 250 мм, в то время как угол, равный всего 2,5°, может потребоваться в более крупной мельнице диаметром 2,5 м.
Типичные угловые смещения могут варьироваться в пределах от 0,2 до 20°, более обычно от 0,5 до 15°, и более предпочтительно от приблизительно 1 до 10°.
Кроме того, в то время как проиллюстрированные варианты реализации предусматривают наличие регулируемого угла между осями, предполагается возможность использования постоянного угла. Например, мельница с регулируемым углом может использоваться при испытаниях с целью определения оптимального угола для определенной сферы применения, после чего мельницу с постоянным углом устанавливают на этот угол.
В настоящем описании слово «содержащий» должно пониматься в «узком» смысле, т.е. в смысле «включающий в себя», и не ограничивается, таким образом, «узким» смыслом, то есть смыслом «состоящий только из». Соответствующие значения должны быть присвоены соответствующим словам «содержит, включает и составляет» там, где они появляются.
Хотя выше были описаны определенные варианты реализации настоящего изобретения, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение может быть воплощено в других определенных формах без отклонения от его существенных особенностей. Настоящие варианты реализации и примеры могут поэтому рассматриваться во всех отношениях в качестве иллюстраций, а не ограничения рамок изобретения, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения, а не приведенным описанием, и все изменения, которые соответствуют значениям и диапазону эквивалентности пунктов формулы изобретения, должны поэтому охватываться ею. Далее будет понятно, что любые ссылки на известные технические решения не должны, если только иное не оговорено особо, представлять собой признание того, что такое существующее техническое решение общеизвестно специалистам в той области техники, к которой относится изобретение.