Шаровая планетарная мельница для высокоэнергетического измельчения материалов
BALL PLANETARY MILL FOR HIGH POWER ENERGY MATERIALS

Изобретение относится к области механохимической обработки материалов, а именно к шаровым планетарным центробежным мельницам и может быть использовано для тонкого и сверхтонкого измельчения твердых материалов, используемых в авиакосмической, транспортной, горнорудной и других отраслях промышленности.
Известна центробежная мельница (см., например, пат. РФ №2100081 «Центробежная мельница»), которая включает барабаны (стаканы) с рабочими камерами измельчения со сферической или эллиптической формой, мелющие тела, привод вертикального вращения, а также корпус. Изобретение позволяет повысить эффективность измельчения. Недостатком мельницы по пат. РФ №2100081 является относительно низкая энергетическая напряженность процесса измельчения материалов, что является причиной низкой производительности мельницы.
Известна мельница лабораторная (см., например, пат. РФ №2566483 «Мельница лабораторная»), которая содержит вертикально ориентированную помольную камеру в виде стакана с конусной внутренней поверхностью. В камере соосно размещен рабочий орган, включающий приводной вал и мелющие тела в виде контактирующих с внутренней поверхностью камеры цилиндрических пружин.
Недостатком конструкции мельницы по пат. РФ №2566483 является быстрый износ рабочих органов, низкая энергетическая напряженность процесса, а следовательно, невысокая производительность.
Известна планетарная мельница (см., например, пат. РФ №33519 «Планетарная мельница»), содержащая корпус, с размещенными в нем цилиндрическими помольными барабанами, внутренние осевые сечения которых выполнены эллиптическими.
Недостатком данной конструкции является значительный дисбаланс, возникающий при работе мельницы из-за неравномерного движения помольных агентов внутри барабана. Из-за дисбаланса высокую скорость вращения помольного барабана назначать нельзя, поскольку дисбаланс является источником высокого уровня вибрации мельницы, снижающего эксплуатационную ее надежность. При низкой скорости вращения помольного барабана уменьшается энергетическая напряженность процесса размола и значительно снижается производительность.
Известна также планетарная мельница (прототип) (см., например, пат. SU №1584203 «Планетарная мельница»), содержащая помольные барабаны (стаканы) с цилиндрическими рабочими камерами, ограниченными плоскими днищами. Такой вариант рабочей камеры имеет наибольшее распространение на сегодняшний день и считается самым эффективным для процесса механической активации материалов в вертикальных шаровых планетарных мельницах. Планетарная мельница по пат. SU №1584203 характеризуется простотой конструкции, обслуживания и сравнительно малыми дисбалансами.
Недостатком конструкции прототипа является сравнительно низкая производительность, обусловленная невысокой энергетической напряженностью процесса размола исходной шихты.
Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в повышении энергетической напряженности процесса размола исходной шихты (механической активации) в шаровых планетарных центробежных мельницах и повышение производительности процесса механической активации.
Технический эффект достигается тем, что форма поперечного сечения рабочей камеры каждого из помольных стаканов мельницы выполнена квадратной, при этом вершины вертикальных прямых двухгранных углов, образованных взаимно перпендикулярными вертикальными гранями, а также вершины прямых двухгранных углов, образованных вертикальными гранями и основанием (днищем) стакана, выполнены в виде цилиндрических желобов, радиус которых равен или превышает радиус помольного шара.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема шаровой планетарной мельницы для высокоэнергетического измельчения материалов; на фиг. 2 - помольные стаканы с внутренними рабочими полостями для размола твердых материалов, выполненными в виде: а) цилиндрической камеры; б) квадратной камеры со скругленными цилиндрическими желобами; в) многогранной камеры; на фиг. 3 - направление движения помольных шаров в цилиндрической камере стакана; на фиг. 4 - направление движения помольных шаров в квадратной камере стакана со скругленными цилиндрическими желобами; на фиг. 5 - направление движения помольных шаров в многогранной камере стакана; на фиг. 6 - распределение переданной энергии по числу контактов в цилиндрической камере стакана; на фиг. 7 - распределение переданной энергии по числу контактов в многогранной камере стакана; на фиг. 8 - распределение переданной энергии по числу контактов в квадратной камере стакана со скругленными цилиндрическими желобами; на фиг. 9 - сравнительное распределение переданной энергии по числу контактов в: а - цилиндрической, б - многогранной, в - квадратной камере стакана.
Шаровая планетарная мельница включает в себя электродвигатель М (фиг. 1), на валу 1 которого жестко закреплен диск 2, выполняющий функцию водила. В диске 2 выполнены отверстия, в которые на подшипниках качения установлены оси 3. На осях 3 расположены зубчатые колеса 4, на верхних торцах которых закреплены помольные стаканы 5. Число осей 3, зубчатых колес 4 равно числу помольных стаканов 5. Внутренняя рабочая полость 6 (камера) имеет квадратное поперечное сечение (фиг. 1, сечение А-А). Вершины вертикальных двухгранных прямых углов помольных стаканов 5 выполнены в виде цилиндрических желобов 7, радиус г которых равен или превышает радиус размольных шаров (фиг. 1, фрагмент I). На нижнем конце не вращающейся вертикальной оси 8 жестко закреплена центральная шестерня 9, которая находится в зацеплении с зубчатыми колесами 4.
В виде цилиндрических желобов радиусом г выполнены также вершины прямых горизонтальных двухгранных углов 10, образованных вертикальными плоскостями рабочей камеры 6 и основанием (днищем) 11 стакана 5. Конструктивные элементы шаровой планетарной мельницы размещены в корпусе 12.
Шаровая планетарная мельница работает следующим образом.
Измельчаемый материал и размольные шары помещают в рабочую камеру 6 стаканов 5 (фиг. 1). При подаче электрического напряжения на электродвигатель М вращаются с угловой скоростью а) вал 1, водило 2, оси 3, зубчатые колеса 4 и помольные стаканы 5. Оси симметрии помольных стаканов 5 вращаются по окружности 13.
Поскольку зубчатые колеса 4 находятся в зацеплении с шестерней 9, жестко закрепленной на неподвижной оси 8, то зубчатые колеса 4 обкатываются вокруг шестерни 9. Вместе с зубчатыми колесами 4 вращаются вокруг собственных осей симметрии также и помольные стаканы 5. Таким образом, помольные стаканы 5 совершают вращение относительно собственных осей симметрии и одновременно с этим их оси симметрии вращаются по окружности 13, осуществляя измельчение твердого материала размольными шарами, помещенными в рабочую камеру 6 стаканов.
Для повышения энергетической напряженности процесса размола твердого материала, а, следовательно, и производительности процесса размола профиль поперечного сечения рабочих камер 6 помольных стаканов 5 выполнен в виде квадрата.
Под энергетической напряженностью процесса размола твердого материала понимают количество энергии, передаваемой шихте и образующемуся при этом порошку мелющими телами (исключительно при нормальной компоненте удара) в единицу времени (см., http://www.crystallography.ru/MA/control.html#eq11 «Параметры механоактивации и способы их оценки» МИСиС, электронное пособие).
Нормальной компонентой энергии удара считается лобовое столкновение шар-шар; шар-стенка рабочей камеры, при этом тангенциальная составляющая энергии удара игнорируется согласно статье Т. Н. Courtney «Process modeling of mechanical alloying (Overview)». Materials Transactions, JIM, vol. 36 (1995), No. 2, pp.110-122.
Для определения эффективности предполагаемого изобретения авторы провели сравнительное трехмерное компьютерное моделирование процесса размола твердого материала с использованием метода дискретных элементов (DEM). Для моделирования выбраны три геометрические формы рабочей камеры стакана: цилиндрическая (фиг. 2. а), наиболее распространенная в шаровых планетарных мельницах; квадратная (фиг. 2. б), использованная в предполагаемом изобретении; многогранная (фиг. 2. в), взята для сравнительной оценки проводимого трехмерного компьютерного моделирования.
Исходные условия компьютерного моделирования процесса размола шихты для выбранных геометрических форм рабочей камеры стаканов приняты равнозначными, при этом время размола материала составляло две секунды для всех сравниваемых вариантов. Рабочие режимы: скорость вращения водила, передаточное отношение задаем в соответствии с технической характеристикой широко распространенной мельницы АГО-2. Материал помольного стакана и шаров - сталь, коэффициент трения 0,4 принят для процесса размола исходной шихты Al-2Mg.
Объем внутренней рабочей полости стакана заполняли измельчаемым твердым материалом на 30% согласно работе: Е.В. Шелехов, Т.А. Свиридова «Моделирование движения и разогрева шаров в планетарной мельнице». Влияние режимов обработки на продукты механоактивации смеси порошков Ni и Nb. Материаловедение, 1999, №.10, с. 13-22.
В процессе размола шары движутся по закону Hertz-Mindlin (no-slip). Так называемое водопадное движение помольных шаров является самым энергетически напряженным (см. http://www.studmed.ru/docs/document6474?view=1&pa=&page=4, Адамов Э.В. Технология руд цветных металлов).
Моделирование процесса размола твердого материала показало, что в стаканах с квадратной геометрической формой рабочей камеры наблюдается водопадное движение размольных тел (шаров), вследствие чего измельчение шихты в стаканах с квадратной геометрической формой происходит преимущественно ударами размольных шаров. При водопадном движении шаров шихта измельчается также истиранием, однако этот процесс незначителен по сравнению с измельчением шихты ударами рабочих тел.
При размоле шихты в помольных стаканах с цилиндрической и многогранной формой рабочих камер наблюдается каскадное движение помольных шаров (фиг. 3, фиг. 4), при котором шихта измельчается преимущественно за счет сил трения.
Проведенное моделирование показало, что при радиусе r цилиндрического желоба квадратной рабочей камеры, меньшем чем радиус помольного шара, происходит налипание (адгезия) измельчаемой шихты в вершинах двухгранных углов камеры (фиг. 5). Для исключения адгезии и радиус r цилиндрических желобов должен быть равным или больше радиуса помольных шаров. С использованием постпроцессора программного комплекса DEM построены графики распределения энергетической напряженности по количеству контактов шар-шар, шар-стенка рабочей камеры за время размола, равное двум секундам, для цилиндрической, многогранной и квадратной рабочей камеры.
При использовании стаканов с цилиндрической камерой эффективная энергонапряженность составляет 9530 Дж/час (фиг. 6), при этом переданная энергия принимает значения от 0,002 - 0,035 Дж, а количество контактов - от 1 до 19 для различных значений переданной энергии. Приведенные данные (фиг. 6) свидетельствуют не только о малой переданной энергии, но и небольшом количестве самих контактов, что является причиной невысокой энергонапряженности процесса размола.
При использовании помольных стаканов с многогранной рабочей камерой эффективная энергонапряженность процесса составляет 12530 Дж/час (фиг. 7), а переданная энергия принимает значения в интервале от 0,006 -0,072 Дж, что выше в 2 - 3 раза ее значений для цилиндрических стаканов (фиг. 6). Количество контактов при использовании стаканов с многогранной рабочей камерой примерно такое же, как и для цилиндрических (изменяется от 1 до 16). Энергонапряженность процесса размола шихты в многогранных стаканах выше в 1,3 раза по сравнению с цилиндрическими.
При использовании стаканов с квадратной рабочей камерой со скругленными цилиндрическими желобами наблюдается существенное увеличение эффективной энергонапряженности процесса размола до 184890 Дж/час (фиг. 8), что в 19,4 и в 14,7 раза больше, чем при размоле в стаканах с цилиндрической и многогранной рабочей камерой соответственно (фиг. 9). Значительное увеличение эффективной энергонапряженности процесса размола в стаканах с квадратной формой объясняется более высокими значениями переданной энергии (0,08 Дж) и увеличением количества контактов для различных ее значений (от 1 до 97).
Кривые а и б (фиг. 9) характеризуют соответственно распределение переданной энергии при размоле в цилиндрической и многогранной камере и отстоят на небольшом расстоянии от оси абсцисс, а кривая (фиг. 9, в) в интервале от 0,025 до 0,06 Дж значительно удалена от этой оси и характеризует процесс размола в квадратном стакана, что подтверждает высокую энергетическую напряженность размола шихты в стаканах с квадратной рабочей камерой.
Таким образом, предложенная конструкция шаровой планетарной мельницы обеспечивает повышение энергетической напряженности, а, следовательно, производительности процесса измельчения твердых материалов по сравнению с известными аналогичными мельницами, исключает адгезию шихты в области вершин прямых двухгранных углов и способствует получению однородного тонкоизмельченного порошка.