АКТИВАТОР АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ С ВОСХОДЯЩИМ ВИХРЕВЫМ ПОТОКОМ
AERODYNAMIC VERTICAL ACTIVATOR WITH VORTEX UPFLOW

Изобретение относится к области измельчения и механической активации материалов и может быть использовано в производстве строительных материалов - вяжущих веществ, а также в иных областях экономики, требующих применения мелкодисперсных материалов.
Известна вертикальная молотковая мельница (патент на полезную модель RU 102540, опубликованный 10.02.2011), содержащая корпус с футерованной внутренней поверхностью, в котором размещен вертикальный ротор в виде усеченного конуса с закрепленными на его валу по винтовой линии молотками. Недостатком данного устройства является недостаточная степень измельчения материала.
Известно устройство для измельчения порошков (патент на изобретение RU 2039606, опубликованный 20.07.1995), содержащее вертикальный цилиндрический корпус с входным отверстием на верхней торцевой стенке и выходным на нижней торцевой стенке, мешалку, на валу которой расположены лопасти, и размольные шары. Недостатком данного устройства является его сложность при производстве, а также низкая производительность.
Известно устройство для измельчения материалов (патент на изобретение EP 2415526, опубликованный 08.02.2012), содержащее вертикальную камеру, загрузочный бункер, расположенный на валу диск с отверстиями, мелющие элементы. Недостатком устройства является низкая эффективность измельчения.
Наиболее близким к предложенному изобретению является устройство для активации сыпучих материалов (патент на изобретение RU 2328345, опубликованный 27.12.2007), содержащее вертикальную камеру измельчения, выполненную в виде полого цилиндра, в крышках которого установлен вал с возможностью вращения, при этом на валу закреплены по меньшей мере два диска. Недостатком данного устройства является невысокая степень активации материала.
Также общим недостатком указанных устройств является невозможность получения однородной мелкодисперсионной массы конечного материала без применения этапа дополнительной сепарации из-за большого разброса по размерам частиц получаемого материала. В частности, размер получаемых частиц может варьироваться от 5 до 100 и более мкм, то есть невозможно получить частицы с заданным размером в узком диапазоне.
Задача изобретения: получение однородной мелкодисперсной высокоактивной массы сыпучего материала применительно к строительным материалам - вяжущих веществ, с размером частиц в узком диапазоне.
Технический результат заключается в повышении степени активации материала, включая более высокую степень дезинтеграции частиц при высокой производительности, с возможностью получения однородного по размеру частиц материала, например, до 10 мкм.
Поставленная задача решается с помощью устройства для активации сыпучих материалов в высокоскоростном восходящем вихревом воздушном потоке (далее - «аэродинамический активатор»).
Аэродинамический активатор состоит из вертикальной камеры измельчения (далее - ротор), выполненной в виде полого цилиндра, в крышках которого установлен вал с возможностью вращения, при этом на валу закреплены, по меньшей мере, два рабочих диска, два лопастных вентилятора и нижнее кольцо, установленное внизу вертикальной камеры.
Согласно изобретению устройство дополнительно содержит стержни, установленные в стенке статора, и била, радиально установленные на торцевой поверхности рабочих дисков и выступающие за края диска, при этом стержни установлены таким образом, что при вращении дисков ротора с билами стержни статора располагаются между билами, закрепленными на дисках ротора.
Била расположены на дисках одно под другим и каждое из них содержит соосные отверстия, через которые может вертикально перемещаться перерабатываемый материал.
Торцевая поверхность рабочих и нижнего дисков выполнена с кольцевым углублением, через которое может осуществляться горизонтальное перемещение частиц перерабатываемого материала.
Стержни статора выполнены регулируемыми по глубине ввода в камеру измельчения и имеют криволинейную отражающую поверхность.
Ротор содержит, по меньшей мере, два кольца с лопастными вентиляторами, которые располагаются под соответствующими рабочими дисками, и нижнее кольцо, также выполненное с лопастным вентилятором.
Активатор имеет загрузочный бункер и выходное отверстие, выполненные в верхней крышке вертикальной камеры измельчения, при этом загрузочный бункер выполнен с затвором (загрузочным клапаном, подпружиненной заслонкой, обратным клапаном), а в нижней крышке вертикальной камеры измельчения выполнены по меньшей мере три отверстия для подачи воздуха для создания избыточного давления в вертикальной камере.
Активатор установлен на станине, а ротор активатора посредством приводного механизма присоединен к двигателю, который также установлен на упомянутой станине.
Активация достигается путем измельчения сыпучих материалов. Измельчение осуществляется методом разгона частиц до высоких скоростей (линейная скорость частиц у внутренней стенки статора от 100 до 150 м/с, для сравнения у имеющихся аналогов линейная скорость частиц менее 100 м/с) и соударение их о стержни статора или вращающиеся била ротора, а также столкновение частиц между собой после отражения от стержней и бил. Причем основным элементом измельчения является именно столкновение частиц между собой, при этом в небольшой массе измельчаемого материала количество таких столкновений может доходить до нескольких тысяч.
При столкновении частиц происходит:
а) Поверхностная активация. Разрушение частиц путем выбивания мелких частиц друг из друга при соударении их, что приводит в конечном итоге к получению частиц в форме «ежиков». В отличие от частиц, получаемых в стандартных дробилках (молотковых, шаровых), которые имеют зализанную плоскую или рисообразную эллиптическую форму. Удельная площадь частиц увеличивается при этом в 2,5-3 раза.
б) Химическая активация. Происходит разрушение кристаллической решетки измельчаемого материала и разрыв межмолекулярных связей и образование свободных ковалентных связей, в связи с чем резко возрастает химическая активность материала.
в) Электрическая активация. При многочисленных столкновениях возникает наведенная электризация.
Измельчение и активация сыпучих материалов осуществляется при высоких скоростях движения частиц от 100 до 150 м/с, при этом активатор имеет возможности для регулирования скорости разгона частиц в указанных пределах и, следовательно, изменения степени активации обрабатываемого материала, включая измельчение частиц до размеров менее 5 мкм.
На Фиг.1 показан активатор в разрезе согласно настоящему изобретению, где 1 - вертикальная камера; 2 - приводной шкив; 3 - верхняя крышка камеры измельчения; 4 - нижняя крышка камеры измельчения; 5 - вал; 6 - рабочие диски; 7 - стержни; 8 - била; 9 - отверстия в билах; 10 - загрузочный бункер; 11 - кольцо с лопастным вентилятором; 12 - кольцевое углубление в торцевой поверхности дисков; 13 - подшипники; 14 - выходное отверстие, 15 - нижнее кольцо с лопастным вентилятором, 16 - отверстие в нижней крышке; 17 - затвор.
На Фиг.2 показан общий вид установки, где 18 - станина; 19 - приводной механизм; 20 - двигатель.
Активатор по настоящему изобретению содержит вертикальную камеру (1) измельчения, выполненную в виде полого цилиндра и закрытую крышками (3, 4). В крышках (3, 4) установлен вал (5) с возможностью вращения посредством подшипников (13). На валу (5) закреплены по меньшей мере два рабочих диска (6), каждый из которых содержит била (8), радиально установленные на каждой поверхности рабочего диска (6) и выступающие за края данного диска (6). Также в нижней части вертикальной камеры (1) измельчения установлено нижнее кольцо (15), выполненное с лопастными вентиляторами, а в нижней крышке камеры выполнены по меньшей мере три отверстия (16), через которые подается сжатый воздух в вертикальную камеру (1).
При этом била (8) расположены одно под другим и каждое из них содержит по меньшей мере одно отверстие (9), которое может быть выполнено на одной оси. Торцевая поверхность каждого диска (6) может быть выполнена с кольцевым углублением (12).
Активатор также содержит стержни (7), установленные в стенке вертикальной камеры (1) измельчения, при этом стержни (7) установлены таким образом, что при вращении упомянутых дисков (6) с билами (8) упомянутые стержни (7) располагаются между билами (8), закрепленными на дисках (6). Стержни (7) выполняют регулируемыми по глубине ввода в вертикальную камеру (1) измельчения для регулирования размера получаемых частиц.
Активатор установлен на станине (18) совместно с двигателем (20), от которого посредством приводного механизма (19) передается крутящий момент на вал (5).
Выходное отверстие (14) и загрузочный бункер (10) выполнены в верхней крышке (3) вертикальной камеры (1) измельчения. Загрузочный бункер (10) содержит также затвор (17) (загрузочный клапан, подпружиненную заслонку или обратный клапан), который регулирует подачу исходного материала в вертикальную камеру (1). Затвор (17) может быть выполнен в виде любого устройства, регулирующего подачу исходного материала, например, в виде подпружиненной заслонки или обратного клапана.
Активатор содержит по меньшей мере одно кольцо (11), которое располагают под каждым диском (6). Каждое кольцо (11) выполняют в виде колеса с наклонными лопастями, где часть колеса, расположенного под выступающими частями бил (8), выполнена сплошной.
Устройство работает следующим образом. Сыпучий материал с тониной помола не более 5 мм засыпается в вертикальную камеру (1) измельчения. После включения привода (двигателя (20)), который соединен с валом (5) через приводной механизм (19) (ремни), вал (5) начинает вращаться в подшипниках (13), установленных в крышках (3, 4) вертикальной камеры (1) измельчения, и, соответственно, крутящий момент от двигателя (20) передается на диски (6) с билами (8). В результате чего частицы сыпучего материала при взаимодействии с билами (8) и стержнями рассыпаются на более мелкие, которые центробежной силой отбрасываются к внутренней стенке вертикальной камеры, где и достигают максимальной линейной скорости.
Ударяясь о стержни (7), имеющие искривленную отражающую поверхность, частицы разлетаются в различных направлениях и попадают в создаваемый лопастными вентиляторами (11, 15) восходящий вихревой воздушный поток, хаотично двигаясь в котором совершают тысячи столкновений между собой и с рабочими органами активатора.
Частицы при ударе о нижнюю поверхность рабочих органов активатора отражаются вниз и постепенно переходят на нижние уровни активатора и под воздействием гравитации оседают на нижней крышке (3) вертикальной камеры (1) измельчения, где под действием восходящего потока от нижнего кольца (15) и подаваемого через входные отверстия (16) воздуха возвращаются в рабочую зону измельчения.
При достижении частицами размеров, при которых они поднимаются под действием восходящего потока от нижнего кольца (15) и восходящего потока воздуха от отверстий (16) выше рабочей зоны измельчения, они выбрасываются через выходное отверстие (14), выполненное в верхней крышке (3) вертикальной камеры (1) измельчения. Создание избыточного давления и восходящего потока посредством входных отверстий (15) позволяет регулировать размер получаемых частиц за счет поддержания их в рабочей зоне измельчения исходного материала до тех пор, пока частицы не будут измельчены до такого размера, чтобы быть поднятыми восходящим потоком и вынесенными через выходное отверстие (14). Это позволяет получить частицы с очень узким диапазоном по размеру частиц, например от 5 до 10 мкм.
В результате такой аэродинамической активации значительно возрастает поверхностная, химическая и электрическая активность материала.
Измельченный и активированный таким образом отход химического производства (фосфогипс) соответствует требованиям ГОСТ 125-79 для гипса марки Г4. При повышении степени активации в 1,5 раза - до Г9.