ЦЕНТРОБЕЖНАЯ МЕЛЬНИЦА

Полезная модель относится к устройствам для измельчения полидисперсных частиц твердых материалов, а именно к центробежным мельницам и может найти применение в строительной, горнорудной, химической и других отраслях промышленности, в частности - может быть использована в электротехнической промышленности при измельчении белой сажи для производства сепараторов свинцовых аккумуляторов.
Из предшествующего уровня техники (патент RU 2498858, публ. 20.11.2013) известна центробежная мельница для измельчения частиц твердых материалов, содержащая соединенные между собой ударно-центробежную дробилку и воздушный классификатор, при этом дробилка содержит корпус, ускоритель, установленный внутри корпуса на вертикальном валу, отбойные элементы, закрепленные на внутренней поверхности корпуса с зазором по отношению к ней и с образованием с ускорителем зоны дробления, воронку для подачи материала в ускоритель, установленную непосредственно над ускорителем и отбойными элементами с возможностью фиксированного перемещения в вертикальной плоскости, трубу для подачи исходного материала в воронку и патрубки для подачи воздуха в мельницу, расположенные в нижней части корпуса, а воздушный классификатор содержит полый корпус с камерой разделения материала, в которой расположены средства для возврата крупных частиц в ускоритель дробилки для доизмельчения в виде течек, верхней частью закрепленных на корпусе, цилиндрическую вставку, поворотные лопатки для закрутки воздушного потока и патрубок для вывода отделенных мелких частиц материала вместе с воздушным потоком, расположенный в верхней части корпуса, при этом воздушный классификатор расположен непосредственно над ударно-центробежной дробилкой и соединен с ней таким образом, что зазор между внутренней поверхностью корпуса дробилки и отбойными элементами непосредственно сообщается с камерой разделения материала воздушного классификатора, причем верхняя часть течек и цилиндрическая часть цилиндроконической вставки выполнены с кольцевыми карманами, а поворотные лопатки своими боковыми частями расположены в этих карманах.
Недостатком этой мельницы является не эффективное, несмотря на придание двухфазному потоку тангенциального ускорения, отделение недоизмельченных частиц и, следовательно, - регулирование спектра крупности измельченных частиц материала.
Другим недостатком известной мельницы является неравномерная подача исходного материала в мельницу, вызывающая нестабильность во времени размеров измельченных частиц, что неприемлемо для изготовления сепараторов, соответствующих предъявляемым требованиям.
Известна также центробежная мельница, содержащая соединенные между собой ударно-центробежную дробилку и воздушный классификатор, при этом дробилка содержит корпус, рабочее колесо с билами, установленное внутри корпуса на главном вертикально расположенном валу, направляющую вставку в форме усеченного конуса, направленного малым основанием вниз, закрепленную на внутренней поверхности корпуса над рабочим колесом с образованием камеры дробления и разделительной камеры, шнековый питатель для подачи исходного материала в зону измельчения и патрубок для подачи воздуха в нижнюю часть мельницы, а воздушный классификатор содержит установленное на валу лопастное колесо, расположенное внутри направляющей вставки по ее оси (копия перевода руководства по эксплуатации мельницы тонкого дробления с воздушным разделением, Модель QWJ-30, ближайший аналог).
Известная мельница, по сравнению с выше описанной центробежной мельницей, позволяет улучшить отделение мелких частиц от недоизмельченных за счет возможности вращения в противоположных направлениях колеса классификатора и рабочего колеса с билами.
Недостатком известной центробежной мельницы является низкая эффективность выноса вращающимся двухфазным потоком восходящего воздуха и измельченных частиц, закручиваемым вращающимся рабочим колесом мельницы, мелких частиц (менее 50 мкм) из зоны подачи материала в мельницу. Этот недостаток обусловлен недостаточно эффективным воздействием рабочего колеса мельницы на увеличение скорости вращения двухфазного воздушного потока. Поэтому при существенном изменении крупности частиц исходного материала во времени (доля мелких частиц в исходном материале колеблется в пределах от 10 до 30% (мас.)), наблюдается переизмельчение мелких частиц и недостаточно эффективное измельчение крупных. В результате конструкция известной мельницы не обеспечивает стабильное во времени регулирование конечного спектра крупности измельченного материала изменением скорости вращения лопастного колеса классификатора. В связи с этим средний размер частиц измельченного материала колеблется в широких пределах, а значительная доля недоизмельченных частиц превышает максимальный размер (~50 мкм) оптимального диапазона крупности, что ухудшает характеристики изготавливаемых с использованием измельченной белой сажи сепараторов.
Другой недостаток известной мельницы заключается в неравномерности дозирования исходного материала, обусловленной неуправляемым сходом из шнекового питателя существенных объемов загружаемого материала, вследствие чего ухудшается эффективность измельчения частиц материала, повышается содержание крупных частиц, превышающих максимальный размер (50 мкм) оптимального диапазона крупности, и увеличивается средний размер измельченных частиц.
Задача полезной модели состоит в разработке конструкции центробежной мельницы, которая предусматривает повышение эффективности измельчения крупных частиц белой сажи и стабильности диапазона крупности измельченных частиц и их среднего размера за счет улучшения равномерности дозирования белой сажи в зону подачи материала и эффективности выноса из нее мелких частиц.
Технический результат достигается заявляемой полезной моделью центробежной мельницы, содержащей, как и известная мельница, соединенные между собой ударно-центробежную дробилку и воздушный классификатор, при этом дробилка содержит корпус, рабочее колесо с билами, установленное внутри корпуса на главном вертикально расположенном валу, направляющую вставку в форме усеченного конуса, направленного малым основанием вниз, закрепленную на внутренней поверхности корпуса над рабочим колесом с образованием камеры дробления и разделительной камеры, питатель для подачи исходного материала в зону измельчения и патрубок для подачи воздуха в нижнюю часть мельницы, а воздушный классификатор содержит установленное на валу лопастное колесо, расположенное внутри направляющей вставки по ее оси, согласно предлагаемой полезной модели мельница содержит трубу с шиберной заслонкой для тангенциальной подачи воздуха, установленную в патрубок подачи воздуха в нижнюю часть мельницы, а питатель выполнен в виде пневматического эжектора, содержащего шиберную заслонку, размещенную на патрубке подачи материала, и дроссельную заслонку, установленную со стороны свободного конца питателя.
Предлагаемая центробежная мельница за счет установки трубы с шиберной заслонкой обеспечивает подачу высокоскоростной струи воздуха тангенциально внутренней цилиндрической поверхности нижней части мельницы. Благодаря этому в зону дробления мельницы поступает крутящийся поток воздуха, направление вращения которого соответствует направлению вращения рабочего колеса с билами. Наддув в мельницу предварительно закрученного потока воздуха и его захват вращающимся рабочим колесо с билами способствуют повышению скорости вращения двухфазного восходящего потока и улучшение выноса мелких частиц (менее 45-50 мкм) из зоны подачи исходного материала. Вследствие этого происходит уменьшение переизмельчения мелких частиц и незначительное (из-за неравномерной подачи шнековым питателем исходного материала в известную мельницу) сокращение в измельченном материале содержания крупных частиц, превышающих максимальный размер (50 мкм) оптимального диапазона крупности.
Кроме того, предлагаемая мельница за счет использования пневматического эжектирования исходного материала обеспечивает практически постоянную концентрацию взвеси частиц в потоке воздуха, транспортирующего материал в зону подачи материала. Вследствие равномерной подачи исходного материала на измельчение, значительно уменьшающей во времени разброс масс дозируемых порций материала, повышается эффективность ударного разрушения частиц, что способствует стабильному отделению недоизмельченных частиц и регулированию конечного спектра крупности измельченного материала изменением скорости вращения лопастного колеса классификатора.
Совместное использование равномерной пневматической подачи потока белой сажи в зону подачи материала и дополнительного увеличения скорости вращения двухфазного потока воздуха и измельчаемого материала повышает эффективность выноса мелких частиц из зоны подачи материала. Это обусловлено тем, что при пересечении траектории движения потока воздуха с взвешенными частицами исходного материала, подаваемого в зону подачи материала и теряющего скорость движения в объеме зоны, вращающимся двухфазным потоком происходит эффективное отделение взвешенных частиц поперечными направлениями движений потоков и вынос их восходящим потоком в зону классификации (разделения) измельченных частиц. В результате существенно уменьшаются диапазон изменений среднего размера измельченного материала и содержание крупных частиц, превышающих максимальный размер оптимального диапазона крупности (примерно 50 мкм).
Технических решений, совпадающих с существенными признаками заявляемой центробежной мельницы, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «новизна».
Поскольку предлагаемая центробежная мельница обеспечивает технический результат, выражающийся в повышении эффективности измельчения и стабильности диапазона крупности измельченных частиц и их среднего размера за счет улучшения равномерности дозирования белой сажи в зону подачи материала и эффективности выноса их нее мелких частиц, то можно сделать вывод, что полезная модель соответствует критерию «промышленная применимость».
Подтверждение возможности осуществления предлагаемой центробежной мельницы изложены в нижеследующем подробном описании примеров измельчения белой сажи и оценке свойств изготовленных с ее использованием сепараторов со ссылками на схематический чертеж (фиг), на котором представлена конструкция центробежной мельницы (разрез).
Мельница включает соединенные между собой ударно-центробежную дробилку и воздушный классификатор; при этом дробилка содержит корпус 1, рабочее колесо 2 с билами, установленное внутри корпуса на главном вертикально расположенном валу, разделительную вставку 6 в форме направленного малым основанием вниз усеченного конуса, закрепленную на внутренней поверхности корпуса над рабочим колесом 2 с образованием камеры дробления (расположена в объеме мельницы между внешней поверхностью вставки 6 и корпусом 1) и камеры разделения (внутренний объем вставки 6), питатель 10, содержащий на входном фланце шиберную заслонку 8, а со стороны свободного конца - дроссельную заслонку 7, патрубок 5 с трубой 11 и регулирующей расход воздуха шиберной заслонкой 9 для тангенциальной подачи воздуха вентилятором (на схематическом чертеже не показан) в нижнюю часть мельницы и патрубки 4 для отвода воздуха с взвешенными измельченными частицами вытяжным вентилятором (на схематическом чертеже не показан), а воздушный классификатор содержит установленное на валу лопастное колесо 3, расположенное в камере разделения (внутри направляющей вставки 6) по ее оси.
Согласно предлагаемой полезной модели мельница содержит трубу 11 с шиберной заслонкой 9 для тангенциальной подачи воздуха, установленную в патрубок 5 подачи воздуха в нижнюю часть мельницы, а питатель 10 выполнен в виде пневматического эжектора, содержащего шиберную заслонку 8, размещенную на патрубке подачи материала, и дроссельную заслонку 7, установленную со стороны свободного конца питателя.
Выхлопной конец трубы 11 загнут и ориентирован в плоскости, перпендикулярной оси вращения рабочего колеса 2, таким образом, чтобы направление истечения скоростной струи воздуха совпадало с направлением вращения рабочего колеса.
Описанная центробежная мельница работает следующим образом.
Воздух от вентилятора поступает в трубу 11 с регулирующей шиберной заслонкой 9 и через выхлопной конец трубы подается скоростной струей (40-60 м/с), направленной тангенциально по отношению к внутренней цилиндрической поверхности нижней части мельницы, с формированием вращающегося потока воздуха, поступающего через центральное отверстие донной части корпуса 1 в полость, образованную донной частью и вращающимся рабочим колесом 2 мельницы. Предварительно закрученный поток воздуха захватывается вращающимся рабочим колесом с билами, что способствуют повышению скорости его вращения, и вытесняется через зазор, образованный внутренней поверхностью корпуса 1 и цилиндрической поверхностью рабочего колеса 2, в камеру дробления исходного материала.
Исходный материал под действием силы тяжести поступает в питатель 10 через шиберную заслонку 8, установленную на входном фланце, и смешивается с воздухом, движущимся через дроссельную заслонку 7 и воздушный канал питателя 10 под действием разрежения, создаваемого вытяжным вентилятором, и подается в виде взвеси с воздушным потоком в камеру дробления мельницы.
Радиально направленный поток воздуха и взвешенных частиц исходного материала взаимодействует в камере дробления с поступающим из нижней части мельницы вращающимся потоком воздуха. Взаимодействие указанных потоков сопровождается отделением мелких частиц исходного материала и их выносом вращающимся воздушным потоком из камеры дробления на классификацию в камеру разделения. При этом крупные частицы измельчаемого материала за счет трения о стенки корпуса 1 теряют скорость движения, возвращаются в камеру дробления и измельчаются ударным разрушением рабочим колесом 2. В результате протекания этих процессов происходит формирование вращающегося двухфазного восходящего потока воздуха и взвешенных частиц материала, поступающего на разделение измельченных частиц по крупности. За счет противоположных направлений вращений лопастного колеса классификатора 3 и двухфазного потока происходит эффективное разделение частиц материала по крупности и регулирование диапазона изменения крупности путем корректирования скорости вращения лопастного колеса классификатора. Крупные частицы белой сажи возвращаются в камеру дробления на доизмельчение, а измельченные частицы вместе с воздушным потоком отводятся вытяжным вентилятором на фильтр очистки воздуха для осаждения мелких частиц.
Управление режимом работы мельницы может осуществляться посредством регулирования шиберной заслонкой 8 и дроссельной заслонкой 7 соотношения массовых расходов материала и воздуха в пределах 1,0-2,0, подаваемых в питатель 10, посредством регулирующей шиберной заслонки 9 расхода воздуха в пределах 2900-3700 куб. м/ч, подаваемого через трубу 11 в нижнюю часть мельницы при скоростях истечения воздуха из трубы 11, изменяющихся в пределах от 40 до 60 м/с.
Осуществление подачи в мельницу восходящего потока воздуха путем наддува предварительно закрученного тангенциально направленной скоростной (40-60 м/с) струей воздуха, направление вращения которого соответствует направлению вращения двухфазного потока воздуха и измельчаемых частиц, обеспечивает повышение скорости вращения последнего и улучшение выноса мелких частиц (менее 50 мкм) из зоны подачи исходного материала и, как следствие, повышение степени измельчения крупных частиц. Благодаря этому происходит сокращение содержания на 3-5% частиц, превышающих 50 мкм, а предельный размер частиц измельченного материала уменьшается от 120 до 100 мкм.
Осуществление подачи в мельницу исходного материала в виде концентрированной воздуховзвеси измельчаемых частиц при соотношении массовых расходов материала и воздуха 1,0-2,0 обеспечивает, вследствие равномерной подачи исходного материала на измельчение, повышение эффективности ударного разрушения частиц и регулирования конечного спектра крупности измельченного материала. Вследствие этого происходит сокращение содержания на 6-8% частиц, превышающих 50 мкм, а предельный размер частиц измельченного материала уменьшается от 120 до 80 мкм.
Совместное осуществление наддува предварительно закрученного воздуха и подачи концентрированной воздуховзвеси измельчаемых частиц в мельницу обеспечивает эффективное отделение взвешенных частиц поперечно движущимися потоками и вынос их восходящим потоком в зону классификации. В результате содержание крупных частиц, превышающих 50 мкм, существенно уменьшается от 23% (прототип) до 6%, а предельный размер частиц измельченного исходного материала уменьшается от 120 до 60 мкм.
В таблице приведены результаты выполнения примеров измельчения белой сажи, включающие основные характеристики измельченных образцов белой сажи и значения отношений массовых расходов исходного материала и воздуха, подаваемых в мельницу в виде концентрированной воздуховзвеси измельчаемого материала. В таблице также приведены некоторые свойства аккумуляторных сепараторов, изготовленных с использованием измельченной белой сажи.
В первой группе примеров (№№1-3) представлены экспериментальные данные, полученные при условии подачи в мельницу восходящего потока воздуха путем наддува предварительно закрученного тангенциально направленной скоростной (40-60 м/с) струей воздуха, направление вращения которого соответствует направлению вращения рабочего колеса 2; при этом подачу исходного материала в опытную мельницу осуществляли согласно ближайшему аналогу.
Во второй группе примеров (№№4-10) приведены экспериментальные данные, полученные путем реализации подачи в мельницу исходного материала в виде концентрированной воздуховзвеси измельчаемых частиц при соотношении массовых расходов материала и воздуха 1,0-2,0; при этом подачу в мельницу восходящего потока воздуха осуществляли согласно ближайшему аналогу.
В примере №11 представлены результаты измельчения белой сажи согласно предлагаемой полезной модели (для средней величины отношения расходов материала и дополнительного воздуха), а в примере №12 - ближайшему аналогу.
Для сравнительной оценки указанных примеров дополнительно провели измельчение исходного материала со средним размером частиц 85 мкм в течение часа работы установки на одном и том же режиме. На основании экспериментальных данных установлено, что средний размер частиц, измельченных предлагаемой мельницей, колеблется во времени в диапазоне 20-27 мкм, а измельченных ближайшим аналогом - в диапазоне 15-42 мкм.
На основании приведенных в таблице данных можно утверждать, что предлагаемая полезная модель, по сравнению с ближайшим аналогом, обеспечивает уменьшение диапазона крупности измельченных частиц от 0-120 до 0-60 мкм, сокращение в измельченном материале доли частиц с размером более 50 мкм от 23 до 6% и снижение среднего размера частиц от 31,8 до 24,9 мкм. Кроме того, сепараторы, изготовленные с использование измельченных предлагаемой мельницей частиц, характеризуются большей величиной пористости и меньшим удельным электрическим сопротивлением в электролите.