ДЕЗИНТЕГРАТОР
DISINTEGRATOR

Изобретение относится к области измельчения, диспергирования и механической активации материалов, в том числе с наноструктурой материалов, и может быть использовано в горной и строительной промышленности, в энергетике, в технологических схемах обогатительных фабрик, в схемах подготовки твердого топлива для сжигания и в технологических линиях приготовления кормов для сельскохозяйственных животных.
Известен дезинтегратор (RU 2047364 С1, МПК В02С 13/22, опубл. 10.11.1995), содержащий корпус, в котором установлены друг напротив друга рабочие органы в виде дисков, с возможностью вращения в противоположных направлениях, с закрепленными на них цилиндрическими измельчающими элементами в виде бил. Использование данного устройства для измельчения твердых материалов неэффективно, так как необходима частая замена измельчающих элементов на двух дисках из-за больших ударных нагрузок, также данное устройство не предназначено для быстрой разборки.
Известен дезинтегратор (UA 104485 С1, МПК В02С 13/00, опубл. 10.02.2016), состоящий из цилиндрического корпуса с соосно смонтированными в нем верхним неподвижным и нижним подвижным дисками с измельчающими элементами, расположенными на обращенных друг к другу поверхностях дисков. Измельчители горизонтального типа имеют недостаток, заключающийся в том, боковая поверхность вращающегося диска заполняется продуктами измельчения, что требует принятия специальных мер по их удалению. Также у данного измельчителя затруднен ремонт и замена ударных элементов - бил, которые запрессованы непосредственно в верхнюю часть корпуса с загрузочной воронкой.
Известен дезинтегратор (аналог) (SU 1768285 А2, МПК В02С 13/22, опубл. 15.10.1992), состоящий из цилиндрического корпуса, состоящего из двух камер: камеры осаждения и измельчения. В камере измельчения соосно размещены вертикальные неподвижный и подвижный диски с измельчающими элементами - билами. В периферии неподвижного диска, между билами имеется отверстие для вывода измельченного материала в камеру осаждения. При подаче через загрузочное приспособление сырья на измельчение в камеру помола попадает воздух и создается давление превышающее давление, чем в камере осаждения. Данный дезинтегратор имеет недостаток, заключающийся в том, что рядов измельчающих элементов на каждом диске всего два, между рядами бил много свободного пространства, поэтому количество соударений частиц между собой и с билами невелико. На степень помола частиц влияют количество соударений частиц между собой, количество рядов бил, линейная скорость бил и многое другое. Поэтому не будет обеспечиваться необходимая тонина загружаемого в дезинтегратор минерального сырья.
Известен дезинтегратор (SU 1734834 А1, МПК В02С 13/22, опубл. 23.05.1992). Исходный материал через загрузочные патрубки падает на ускоряющие лопасти, при помощи которых материал равномерно направляется на первый ряд измельчающих элементов и ротора. В результате удара об эти элементы частицы материала разрушаются и отбрасываются к следующим к измельчающим элементам статора и так далее до полного выхода измельченного материала через выгрузочный патрубок. Недостатком этого устройства является низкая производительность и низкая износостойкость, так как при выходе из строя одной лопасти лопатки ротора необходим восстановительный ремонт всей лопасти, по сравнению с измельчающими элементами в виде бил лопатки являются менее предпочтительными.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является дезинтегратор, описанный в патенте (SU 1704821 А1, МПК В02С 13/22, опубл. 15.01.1991). Дезинтегратор - прототип содержит корпус, внутри которого вертикально расположены ротор и неподвижный диск с концентрично установленными рядами штифтов, загрузочный и выгрузной патрубки. При этом измельчающие элементы, распределены на подвижном диске по окружности, расположенной ближе к центру диска, и выполнены в поперечном сечении в виде прямоугольной формы. Остальные измельчающие элементы, установленные на подвижном диске распределены равномерно по концентрическим окружностям, удаленным от центральной части диска выполнены в виде трапециевидной формы с углом наклона рабочих плоскостей к радиальной плоскости 4°÷6°. Измельчающие элементы, расположенные на концентрических окружностях неподвижного диска выполнены в форме равнобочной трапеции с вогнутыми боковыми сторонами 9, центр кривизны которых расположен над меньшим основанием на расстоянии, равном 0,6÷0,8 высоты трапеции, а радиус составляет 2,5÷3,0 ее высоты.
Дезинтегрирование сырья в устройстве - прототипе осуществляется следующим образом. Исходный материал через загрузочный патрубок поступает в рабочую камеру, где последовательно измельчается на концентрично установленных рядах измельчающих элементов ротора и измельчающих элементов неподвижного диска и через разгрузочный патрубок выводится наружу. При износе рабочих поверхностей измельчающих элементов вращения ротора дисмембратора меняют на противоположное. Выполнение измельчающих элементов указанной формы и их параметров обеспечивает прямое центральное соударение с частицами измельчаемого материала без скольжения и истирания, что способствует повышению однородности продукта помола и срока службы штифтов. Возможность работы дезинтегратора в реверсивном режиме также существенно увеличивает срок службы. Прямое соударение приводит к равномерному износу рабочих поверхностей штифтов, что оставляет неизменными качество помола в течение всего срока службы штифтов.
Недостатком данного измельчителя является то, что согласно рабочей гипотезе, разработанной И.А. Хинтом [Хинт И.А. Об основных проблемах механической активации. Таллин, 1977. Препринт 1.], активация определяется тремя параметрами: скоростью соударения, числом ударов и интервалом времени между последующими ударами. Мелющие элементы с круглым поперечным сечением дают материалу наиболее широкую гамму видов соударения от прямого удара до скользящего со всевозможными углами наклона, активизация материала происходит в широких пределах силовых воздействий от сил чистого сжатия до сдвиговых усилий, в зоне прямого удара материал активируется силами сжатия, и продукт получается преимущественно крупной фракции, в зоне скользящего удара материал активируется усилиями сдвига, и продукт получается преимущественно мелкой фракции. В ддезинтеграторе, реализующим способ-прототип отсутствует скольжение и истирание частиц измельчаемого сырья, поэтому невозможно добиться максимальной тонины помола.
Эти недостатки обусловлены тем, что в рабочей камере отсутствуют циркуляционные потоки, которые влияют на перемещения скорость внутри камеры помола частицы сырья.
Значительная продолжительность переработки сырья происходит из-за того, что на процесс дезинтеграции существенно влияет скорость соударения частиц сырья с разрушающими элементами. В способе - прототипе эта скорость мала, так как частицы перемещаются по зазорам между билами только под воздействием гравитационных и центробежных сил, которые создают незначительные динамические усилия и придают отдельным частицам относительно низкое ускорение в направлении от загрузочного отверстия к выгрузному отверстию, расположенному в периферийной части камеры помола. Потеря скорости частиц при перемещении требует многоциклового динамического воздействия для их измельчения до заданных размеров.
При реализации известного устройства для дезинтеграции минерального сырья тяжело создать избыточное давление внутри рабочей камеры, чем усложняются условия выноса измельченных частиц и создаются условия для осаждения этих частиц внутри рабочей камеры.
Техническая задача, на которую направлено изобретение, заключается в повышении скорости перемещения частиц дезинтегрированного сырья внутри дезинтегратора и интенсификации процесса помола.
1
Решение поставленной задачи достигается тем, что в дезинтеграторе, содержащим корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, в котором вертикально установлены неподвижный и подвижный рабочие органы, выполненные в виде дисков с рядами измельчающих элементов (билов), расположенными радиально на обращенных друг к другу поверхностях дисков, при этом каждый измельчающий элемент (бил) расположен с зазором между соседними рядами разрушающих элементов (бил) противолежащего диска, к центру подвижного диска рабочего органа механически закреплена ось электропривода, дополнительно введены вентиляционные лопасти, собирающая воронка и бункер. Обращенные друг к другу поверхности подвижного и неподвижного дисков выполняют в виде тарелок таким образом, они в любом радиальном сечении образовывали зазор, изменяющийся по закону двух равнобедренных трапеций с общим малым основанием h. При этом одна из равнобедренных трапеций является сходящейся от центра дисков к периферии под углом схождения ϕ, лежащим в диапазоне (45°÷60°), а вторая равнобедренная трапеция является расходящейся под углом схождения ϕ, лежащим в диапазоне (10°÷20°). Длина измельчающих элементов (билов) изменяется по линейному закону прямо пропорционально изменению зазору радиального сечения, причем зазор δ между не закрепленными концами измельчающих элементов (билов) и поверхностью противолежащего диска выполняют одинаковым и лежащим в диапазоне (1,5÷2) мм. Загрузочное отверстие выполняют в центральной части неподвижного диска, а ось вращающего подвижный диск привода механически закрепляют в центральной части вращающегося диска. На поверхности периферийной окружности подвижного диска размещают вентиляционные лопасти, которые равномерно распределяют по указанной поверхности и механически соединяют с ней. В упомянутых лопастях выполнен изгиб, направленный в сторону вращения диска под углом 132÷138 градусов к направлению движения. Разгрузочный патрубок выполняют на корпусе в виде спиралевидной улитки, выходной канал которой направлен по касательной к направлению вращения рабочего диска, и выполнен в виде сопла Лаваля, представляющего из себя две конических воронки, одна из которых выполнена в виде сходящегося под углом (45÷60°) усеченного конуса, а вторая из упомянутых воронок выполнена в виде расходящегося под углом (10°÷20°) конуса.
На фиг. 1 схематически показано поперечное сечение дезинтегратора, реализующего заявляемый способ.
На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1- корпус камеры помола; 2 - загрузочное отверстие; 3 - выгрузное отверстие; 4 - подвижный диск; 5 - неподвижный диск; 6 - измельчающие элементы (билы) на неподвижном диске; 7 - измельчающие элементы (билы) на подвижном диске; 8 - вентиляционные лопатки; 9-ось вала привода; 10, 11 - шарикоподшипник; 12 - разгрузочный патрубок, 13 - боковые стенки дисмембратора; 14 - загрузочный патрубок.
На фиг. 2 изображен внешний вид корпуса дисмембратора, выполненный в виде улитки. На фиг. 2 введены следующие обозначения: 1 - орпус камеры помола; 3 - разгрузочное отверстие; 9 - ось привода; 12 - разгрузочный патрубок, 15 - собирающая воронка; 16 - бункер.
Фиг. 1, фиг. 2 служат для пояснения сущности изобретения.
Сущность изобретения заключается в следующем. Загрузочный патрубок 14 (фиг. 1) расположен на боковой стенке 13 дисмембратора и механически скреплен с неподвижным диском 5 (статором). В боковой стенке 13 и статоре 5 выполнено загрузочное отверстие 2, с которым сообщается загрузочный канал патрубка 14. Исходный материал через загрузочный патрубок 14 и загрузочное отверстие 2 поступает в рабочую камеру 1, где последовательно измельчается на концентрично установленных рядах измельчающих элементов (билах) 7 подвижного диска (ротора) 4 и измельчающих элементах (билах) 6 неподвижного диска (статора) 5 и через выгрузное отверстие 3 разгрузочного патрубка 12 выводится наружу. Ротор 4 приводится во вращение приводом, ось которого 9 через шарикоподшипник 10, 11 механически соединена с центром ротора 4. Исходный материал падает на первый ряд измельчающих элементов (билов) 7, 6 статора 5 и ротора 4. Ударяясь об эти элементы и поверхности подвижного и неподвижного дисков, частицы материала разрушаются и отбрасываются к следующим измельчающим элементам статора и так далее, до полного выхода измельченного материала через выгрузочный патрубок 3. В заявляемом устройстве перемещение дезинтегрированных частиц от загрузочного отверстия 2 в разгрузочному отверстию 3 происходит не только под действием центробежной и гравитационной сил, как это реализуется в устройстве - прототипе, но и под действием градиента давления, возникающего между указанными отверстиями. Это происходит следующим образом. Высокая скорость вращения ротора с установленным и на нем билами, при помощи вентиляционных лопаток 8 создает поток воздуха, движущегося от загрузочного отверстия 2 к разгрузочному отверстию 3. Для усиления вентиляционного эффекта, возникающего в зазорах, вентиляционные лопасти 8 механически закрепляют на торце подвижного диска. Лопасти 8 выполняют в виде плоских лопаток, изогнутых под углом (132÷138) градусов к направлению вращения подвижного диска. Для усиления вентиляционного эффекта разгрузочный патрубок выполнен в виде улитки (фиг. 2). Вентилятор улитка - это одно из наиболее эффективных устройств, которые применяются с целью повышения скорости воздушного потока. Такое выполнение вентилятора - улитки имеет свои особенности, нюансы конструкции и принцип работы, который отличает улитку от других систем. Лопасти, изогнутые под углом (132÷138) градусов к направлению движения подвижного диска и разгрузочный патрубок, выполненный в виде улитки (фиг. 2) служат для существенного усиления вентиляционного эффекта и способствуют повышению градиента давления между загрузочным и разгрузочным патрубками. Экспериментально показано, что наиболее оптимальный угол изгиба вентиляционных лопастей составляет 135°, и незначительно изменяется в указанном выше диапазоне. Созданный поток воздуха проходит через внутренние полости между подвижным и не подвижным дисками.
1
Обращенные друг к другу поверхности подвижного и неподвижного дисков выполняют в виде тарелок таким образом, чтобы они в любом радиальном сечении образовывали зазор, изменяющийся по закону двух равнобедренных трапеций с общим малым основанием h. При этом одна из равнобедренных трапеций является сходящейся от центра дисков к периферии под углом схождения ϕ, лежащим в диапазоне (45°÷60°), а вторая равнобедренная трапеция является расходящейся под углом схождения ϕ, лежащим в диапазоне (10°÷20°). Длина измельчающих элементов (билов) изменяется по линейному закону прямо пропорционально изменению зазору радиального сечения, причем зазор δ между не закрепленными концами измельчающих элементов (билов) и поверхностью противолежащего диска выполняют одинаковым и лежащим в диапазоне (1,5÷2) мм.
Выбор величины δ в указанном диапазоне значений обусловлен тем, что δ<01,5 мм при любом люфте при вращении диска и его незначительного перекоса по отношению к статору имеется опасность соприкосновения не закрепленных концов измельчающих элементов (билов) с противолежащим диском (ротором или статором), что может привести к их разрушению. При δ>2 мм часть кускового материала может оказаться не вовлеченной в процесс дезинтеграции, что снизит эффективность помола.
На фиг. 1 показан угол схождения ϕ первой трапеции, а также половинный угол расхождения  второй расходящейся трапеции. Загрузочное отверстие 2 выполняют в центральной части неподвижного диска (статора). Ось вращающего подвижный диск привода механически закрепляют к центру вращающегося диска (ротора). Диапазоны углов сужения и углов расширения упомянутых выше трапеций обусловлены стремлением максимального увеличения скорости перемещения частиц дезинтегрируемого сырья. Известно, что наибольшую скорость струя потока воздуха или жидкости достигает в том случае, если ее пропускают через так называемое сопло Лаваля. Сопло Лаваля, (сужающееся-расширяющееся сопло) представляет собой канал, суженный в середине. Сопло Лаваля служит для ускорения газового потока, проходящего через него, при определенных условиях до скоростей выше скорости звука. Радиальное сечение полости между дисками (статором и ротором, фиг. 1) полностью соответствует профилю поперечного сечения сопла Лаваля. Оптимальными размерами сопло Лаваля обладает при углах сужения и расширения упомянутых выше трапеций, лежащих указанных выше диапазонах значений.
1
Скоростной поток воздуха создает внутри камеры сильнейшее разрежение, засасывая дезинтегрированные частицы и придавая им высокие скорости, что существенно повышает интенсивность дезинтгрирования и степень измельчения (дезинтгрирования) частиц сырья. Скоростной поток существенно возрастает за счет того, что корпус дисмембратора выполнен в виде улитки (фиг. 2). При этом внутренняя полость канала разгрузочного патрубка выполнена в виде сопла Лаваля, и направленного по касательной к направлению движения подвижного диска. Разгрузочный канал, выполненный в виде сопла Лаваля, представлял собой два усеченных конуса, один из которых был сходящимся под углом α=(55°÷60°), а второй конус расходящимся под углом α=(8°÷10°). Выбранные углы сходящегося и расходящегося конусов, образующих сопло Лаваля, основаны на известных опытных данных, показывающих, что эти углы являются оптимальными.
Выполнение выходного канала разгрузочного патрубка в виде сопла Лаваля еще в более значительной мере усиливает вентиляционный эффект. Измельченный материал, доходя до последнего ряда билов, выбрасывается на высокой скорости через разгрузочное отверстие 3, и направляется на поверхность собирающей воронки 15. Соударение дезинтегрируемого материала с поверхностью воронки 15 на высокой скорости приводит к его дальнейшему существенному измельчению, что значительно повышает степень его дезинтеграции и эффективности помола. Дезинтегрированный материал ссыпается в накопительный бункер 16. Одновременно с этим, свежий материал непрерывно засасывается в патрубок, поддерживая постоянный цикл смешивания, помола и накачки.
Пример конкретного выполнения. При помощи заявляемого способа осуществлялся помол фторангидрита, который из накопительного бункера, шнеком-дозатором направляется дозированно на измельчение гранул в молотковую мельницу (дозирование осуществляется тарировкой и поддержанием требуемой частоты вращения электроприводом шнека-дозатора). После молотковой мельницы фторангидрит поступал в дезинтегратор (фиг. 1) через загрузочный патрубок и загрузочное отверстие 2.
Дезинтегратор был выполнен в виде подвижного (ротора) 4 и неподвижного 5 (статора) дисков. Диаметр обоих дисков был одинаков (фиг. 1) и составлял 513 мм. Рабочая камера дисмембратора была выполнен в виде улитки (фиг. 2), основу которой образовывал рабочий корпус 1 выполненный в виде цилиндра. К корпусу 1 присоединялись боковые крышки 13. В одной из крышек 13, присоединенной к корпусу 1 со стороны неподвижного диска (статора) 5 был изготовлен загрузочный патрубок 14. Через центральное отверстие другой крышки и шарикоподшипник 9, 10 проходила ось вала привода 9, которая механически закреплялась к ротору 4.
1
1
На поверхности окружности подвижного диска 4 были выполнено 8 вентиляционных лопастей 8, которые были механически закреплены на торце подвижного диска. Лопасти 8 были выполнены в виде плоских лопаток, повернутых под углом 135° к направлению вращения подвижного диска. Для усиления вентиляционного эффекта разгрузочный патрубок выполнен в виде улитки (фиг. 2). Внутренние полости между подвижным и подвижным дисками были образованы обращенными друг к другу поверхностями подвижного и неподвижного дисков, которые были выполнены в виде тарелок обращенных друг к другу вогнутыми поверхностями. Обращенные друг к другу поверхности подвижного и неподвижного дисков были выполнены в виде тарелок таким образом, чтобы они в любом радиальном сечении образовывали зазор, изменяющийся по закону двух равнобедренных трапеций с общим малым основанием h. При этом одна из равнобедренных трапеций являлась сходящейся от центра дисков к периферии под углом схождения ϕ, лежащим в диапазоне 52° а вторая равнобедренная трапеция является расходящейся под углом схождения ϕ, лежащим в диапазоне 15°. Длина измельчающих элементов (билов) изменялась по линейному закону прямо пропорционально изменению зазору радиального сечения, причем зазор δ между не закрепленными концами измельчающих элементов (билов) и поверхностью противолежащего диска выполняют одинаковым и лежащим в диапазоне 1,8 мм. Загрузочное отверстие 2 было выполнено на неподвижном диске в области малого основания первого усеченного конуса. Ось вращающего подвижный диск привода механически была закреплена к центру малого основания первого усеченного конуса вращающегося диска. Корпус дисмембратора выполнен в виде улитки (фиг. 2). При этом внутренняя полость канала разгрузочного патрубка 12 была выполнена в виде сопла Лаваля, направленного по касательной к направлению движения подвижного диска. Разгрузочный канал, выполненный в виде сопла Лаваля, представлял собой два усеченных конуса, один из которых был сходящимся под углом α=60°, а второй конус расходящимся под углом α=15°.
При использовании заявляемого устройства была достигнута производительность 2400 кг/час. Средняя дисперсность измельченного фторангидрита составляла 3 мкм. При дезинтегрировании фторангидрита устройством - прототипом, производительность не превышала 1200 кг/час, а средняя дисперсность измельченного фторангидрита не снижалась ниже 10 мкм.
Таким образом, заявляемый дезинтегратор, по сравнению с устройством - прототипом позволил повысить производительность 2 раза, а дисперсность частиц сырья, уменьшить более чем в 3 раза.