ИГОЛЬЧАТЫЙ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬ МАТЕРИАЛОВ

Предлагаемая полезная модель относится к технологическому оборудованию для измельчения и гомогенизации листовых, мелкокусковых и волокнистых материалов преимущественно органического или техногенного происхождения и может быть использовано в промышленности строительных материалов, в пищевой, фармацевтической, химической и сельскохозяйственной отраслях в циклах тонкого помола предпочтительно по мокрому способу.
Известно устройство для измельчения волокнистых материалов, содержащее корпус, ротор, статор, крыльчатку, снабженную диском с отверстиями, корпус которой снабжен вставкой, сопряженной с плоскостью диска, имеющей сквозное отверстие, совмещающееся с отверстиями диска (Патент РФ №2225258, МПК B02C 19/06. Устройство для измельчения волокнистых материалов).
Недостатками данного устройства являются:
- достаточно сложная конструкция, эксплуатация которой сопряжена со значительными трудностями, обусловленными нестабильностью поведения дисперсного материала в рабочих зонах;
- высокая энергоемкость, связанная с большими потерями на трение в зонах разрушения, осуществляемого низкоэффективным способом;
- низкая интенсивность измельчения, обусловленная отсутствием высокоградиентных механизмов разрушения, создающих необходимые контактные напряжения в рабочих зонах.
Известен дисковый диспергатор, состоящий из неподвижного верхнего диска, сблокированного с загрузочной воронкой подвижного вращающегося в корпусе нижнего диска, установленного с возможностью осевого перемещения для регулирования зазора между ними, причем нижний диск соединен с помощью муфты с валом электродвигателя (Горловский И.А., Козулин Н.А., Оборудование заводов лакокрасочной промышленности. Ленинград: Химия. Лен. отделение, 1980, стр. 327-328, рисунок XVII - 25). Рабочий процесс дискового диспергатора характеризуется тем, что суспензия обрабатываемого материала подвергается обработке в щелевом зазоре между дисками.
Недостатками данного устройства являются:
- на дисках сложно выполнить рабочие выступы для концентрации ударных нагрузок и обеспечить минимальный зазор между измельчающими поверхностями, что не позволяет обрабатывать достаточно крупные и неоднородные исходные компоненты;
- устройство очень чувствительно к посторонним прочным или недробимым включениям, требует точной регулировки зазора между дисками;
- значительная энергоемкость процесса и низкая износостойкость при обработке достаточно прочных и абразивных материалов;
- рабочие диски необходимо изготавливать из дорогостоящих материалов, например, корунда.
Достаточно близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому игольчатому измельчителю является устройство для измельчения материалов (Устройство для измельчения материалов. Заявка на изобретение РФ №94038380, B02C 18/14, опубл. 27.05.1996.) Устройство содержит корпус, в котором на горизонтальной оси установлен ротор с измельчающими элементами, закрепленные на нем ряды противорежущих пластинчатых элементов, сито, охватывающее ротор снизу, загрузочный патрубок, установленный на корпусе в верхней части со смещением от вертикальной плоскости, проходящей через горизонтальную плоскость ротора и разгрузочный патрубок в нижней части корпуса, причем ряды противорежущих пластинчатых элементов расположены по обе стороны ротора, смещены вверх от горизонтальной оси ротора до совмещения верхнего уровня с нижним краем загрузочного патрубка, а сито своими верхними краями пристыковано к этим рядам до совмещения с их нижними уровнями.
Недостатками данного устройства для измельчения являются:
- невысокая степень измельчения;
- отсутствие возможности получения однородной композиционной смеси с введением в нее тонкодисперсных добавок-ингредиентов;
- высокая энергоемкость процесса измельчения и низкая производительность агрегата.
Указанные недостатки обусловлены сложностью его конструкции и низкой эффективностью единичных актов воздействия рабочих элементов на обрабатываемый материал или композицию.
Задачей предлагаемой полезной модели является интенсификация процесса измельчения материалов, повышение его производительности, а также улучшение качества готового продукта путем воздействия на частицы исходных материалов высокоскоростных истирающих, сдвиговых или срезающих нагрузок.
Техническая гипотеза предлагаемого решения заключается в создании высокоградиентного, заданного вида, воздействия на разрушаемые частицы адаптивных стержневых элементов, образующих упорядоченное их расположение при большом количестве и малых размерах и создающих оптимальные условия подачи в рабочие зоны сырьевых композиций и удаления обработанного продукта.
Поставленная задача достигается тем, что игольчатый измельчитель материалов содержит камеру для обработки материала с загрузочным и разгрузочным патрубками, внутри которой установлен ротор с рабочим органом. Рабочий орган оснащен игольчатыми элементами, одни концы которых жестко закреплены на рабочем органе, а вторые обращены своими торцами к внутренней поверхности рабочей камеры.
В дополнительных вариантах реализации полезной модели игольчатые элементы могут быть выполнены из набора металлических стержней и смонтированы на роторе в виде щетки, а также набор металлических игольчатых элементов может быть выполнен в виде цилиндрической щетки.
В дополнительных вариантах реализации изобретения предусмотрено, что игольчатые элементы выполнены из набора металлических стержней и состоять, в том числе, из секций, расположенных по ее образующим, или из сборных дисков.
Кроме того, торцы игольчатых элементов могут быть установлены с зазором относительно внутренней поверхности рабочей камеры или быть отогнутыми своими свободными концами в направлении, противоположном их вращению, и прижиматься с определенным усилием к этой поверхности.
С практической точки зрения также важно, когда зоны входа и выхода материала в рабочее пространство между игольчатыми элементами и внутренней поверхности рабочей камеры разделены перегородкой, а на этой поверхности выполнены зубчатые выступы.
Для ряда применений актуальным может быть выполнение устройства для выгрузки материала в виде решетки с отверстиями, охватывающей рабочий орган.
Выполнение ротора с рабочим органом, оснащенным игольчатыми элементами, одни концы которых жестко закреплены на роторе, а вторые обращены своими торцами к внутренней поверхности рабочей камеры, позволяет простым конструктивным способом реализовать требуемый механизм разрушения путем многоконтактного истирания, сдвига и среза. При этом за счет высокой линейной скорости движения измельчающих игольчатых элементов достигается высокая интенсивность процесса.
Выбор в качестве измельчающих элементов игольчатых стержней обусловлен их уникальными свойствами:
- высокой прочностью;
- адаптивной способностью, позволяющей избирательно деформироваться под воздействием внешней нагрузки;
- очень малой торцевой поверхностью, что обеспечивает создание очень больших контактных напряжений;
- объединение их в наборы, секции или щетки создает повышенное число зон воздействия на обрабатываемый материал и, следовательно, решает задачу интенсификации процесса измельчения.
Таким образом, игольчатые элементы путем их соответствующей установки на рабочем органе ротора, в том числе, за счет отгиба в направлении, противоположном их вращению и, тем более, с высокой линейной скоростью, например, 20-40 м/сек реализуют заданный механизм разрушения с преобладанием сдвига и истирания.
Конструктивные решения, связанные с закреплением стержней и формированием на их основе секций, щеток заданной формы или дисков, направлены на обеспечение необходимой надежности рабочих органов и формирования на их основе различных типоразмерных вариантов измельчителей. При этом, установка рабочих органов таким образом, что торцы игольчатых элементов образуют зазор или контактируют с внутренней поверхностью рабочей камеры определяет характер протекания процесса измельчения и, следовательно, возможность эффективной переработки того или иного материала.
Перегородка для разделения между собой зоны входа и выхода материала необходима для формирования управляемого движения обрабатываемых потоков, а выполнение устройства для выгрузки материала в виде решетки с отверстиями служит для своевременного удаления из рабочей зоны тех частиц продукта, которые достигли требуемой крупности.
Выполнение на внутренней поверхности рабочей камеры зубчатых выступов позволяет создать дополнительно в обрабатываемом материале режущий эффект и, тем самым, активизировать рабочий процесс путем повышения степени измельчения, особенно волокнистых материалов.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое решение отличается тем, что рабочий орган оснащен игольчатыми элементами, одни концы которых жестко закреплены на рабочем органе, а вторые обращены своими торцами к внутренней поверхности рабочей камеры. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию полезной модели «новизна».
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 представлена общая конструктивная схема игольчатого измельчителя материалов, на фиг. 2 - тоже, вид сбоку; на следующих фигурах представлены разновидности выполнения рабочего органа:
фиг. 3-е отогнутыми концами игольчатых элементов, контактирующих с внутренней поверхностью рабочей камеры;
фиг. 4-е зазором и выполнением на внутренней поверхности рабочей камеры зубчатых выступов;
фиг. 5 - из секций, расположенных по образующим рабочего органа;
фиг. 6 - из секций в виде дисков, смонтированных на роторе;
фиг. 7 - схема игольчатого измельчителя с устройством для выгрузки материала в виде решетки с отверстиями.
Игольчатый измельчитель материалов включает в себя основание 1, на котором установлена камера 2 для обработки материала, в верхней части которой находятся загрузочный 3 и разгрузочный 4 патрубки для подачи и выгрузки материала. Внутри камеры 2 расположен ротор 5 с рабочим органом 6, оснащенным игольчатыми элементами 7. Ротор 5 установлен в опорах 8, 9 и через муфту 10 связан с приводным электродвигателем 11. Зоны входа 12 и выхода 13 материала из рабочего пространства, где происходит процесс измельчения, разделены перегородкой 14. Рабочие органы могут быть выполнены в виде стержней 15 с отогнутыми концами, а на внутренней поверхности рабочей камеры выполнены зубчатые выступы 16. Исполнение рабочих органов предусматривает оснащение их щетками в виде секций 17 или дисков 18, смонтированных на роторе. Для удаления обработанного продукта из рабочей камеры 2 предусмотрена также решетка 19 с отверстиями 20, охватывающая рабочий орган 6.
Игольчатый измельчитель работает следующим образом.
При включении приводного электродвигателя 11, через муфту 10 приводится во вращение ротор 5, установленный в опорах 8, 9. На роторе находится рабочий орган 6 с закрепленными на нем игольчатыми элементами 7 (или 15, 18). Через загрузочный патрубок 3 в камеру 2, имеющую основание 1, подается исходный материал, например картон, и, попадая в зону входа 12, захватывается движущимися с большой линейной скоростью игольчатыми элементами 7, перемещается в рабочие пространства между ними и интенсивно измельчается путем ударов, сдвига, истирания или среза. Прошедший таким образом обработку материал выносится рабочим органом 6 в зону выхода 13 и через разгрузочный патрубок 4 удаляется из аппарата. Игольчатый измельчитель работает в непрерывном режиме, причем в том случае, если для получения продукта требуемого качества его однократной обработки недостаточно, то его работа организуется в проточно-циркуляционном режиме, т.е. путем возвращения продукта на дополнительные циклы обработки.
Для обработки продуктов с различными свойствами, в том числе волокнистого строения, предусмотрены разновидности установки игольчатых элементов 7 с зазором относительно внутренней поверхности рабочей камеры 2 или их контактному взаимодействию со стенками камеры. В последнем случае концы игольчатых элементов 7 отогнуты в направлении, противоположном их вращению, что необходимо для обеспечения устойчивой работы рабочего органа 6.
Вариант пржатия концов игольчатых элементов 7 к внутренней поверхности рабочей камеры 2 является не только эффективным с точки зрения осуществления процесса размола материала, но и работоспособным, так как при устойчивой работе измельчителя между участвующими в измельчении деталями (иглы и стенки камеры), отсутствует непосредственный контакт, а они разделены слоем обрабатываемого материала.
Перегородка 14 препятствует попаданию обрабатываемого продукта на повторный цикл измельчения, а зубчатые выступы 16 на внутренней поверхности рабочей камеры 2 активизируют процесс дезинтеграции материала. При этом выполнение рабочего органа 6 в виде секций 17, расположенных по его образующим и имеющим между собой свободные зоны, позволяет за один оборот его вращения захватывать большее количество материала и, следовательно, увеличивать интенсивность процесса и повышать производительность аппарата по пропускной способности.
При выполнении устройства для выгрузки материала в виде решетки 19 с отверстиями 20 технологический режим измельчителя определяется размерами и количеством отверстий 20 и осуществляется по открытому циклу.
Настройка предложенного игольчатого измельчителя на заданные производительность, тонину помола и другие показатели работы осуществляется подбором соответствующих рабочих органов, частотой их вращения, характером взаимодействия с внутренними поверхностями рабочей камеры, количеством загружаемого материала и другими исходными условиями. После окончания процесса обработки материала рабочие детали измельчителя необходимо очистить от обрабатываемого материала, что можно сделать его промывкой во включенном состоянии.
Использование предлагаемой полезной модели в сравнении с известными устройствами аналогичного назначения позволяет решить целый ряд важных задач:
- подобным техническим исполнением реализуется максимально простая конструкция, основанная на применении широко известных в технике щеток и подобных им элементов;
- конструкция отличается универсальностью, обладает защитой при попадании в рабочую зону недробимых включений;
- измельчитель имеет повышенную износостойкость, что связано с чрезвычайно высокой твердостью проволочных стержневых элементов и однородностью этих свойств по их длине;
- рабочий процесс измельчителя характеризуется минимальным энергопотреблением, так как при максимальном количестве участвующих в разрушении материала измельчающих элементов время нахождения продукта в рабочей камере минимально;
- аппарат позволяет получать продукт самого высокого качества с совмещением в рабочем модуле гомогенизации, механоактивации и возможности приточно-циркуляционного режима работы;
- конструкция характеризуется высокой ремонтопригодностью и отличается высокой адаптивностью по отношению к перерабатываемому материалу.