Вибрационные мельницы: аспекты классификации

УДК 622.23.05

ВИБРАЦИОННЫЕ МЕЛЬНИЦЫ: АСПЕКТЫ КЛАССИФИКАЦИИ © С.Р. Абдулова1

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Обоснована необходимость и актуальность вибрационного измельчения материалов. Проведен анализ научных работ, посвященных конструкциям и рабочим параметрам вибрационных мельниц. Систематизированы и классифицированы вибрационные мельницы, разработана общая классификация. Подробно рассмотрена классификация по конструктивным признакам. Дана краткая характеристика каждого вида вибрационных мельниц, определены их недостатки и преимущества. Отмечены перспективные технологии вибрационного помола. Ключевые слова: вибрационное измельчение; тонкое измельчение; помольная камера; вибрационная мельница; классификация.

VIBRATORY MILLS: CLASSIFICATION ASPECTS S.R. Abdulova

National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article proves the necessity and relevance of vibratory grinding of materials. Having analyzed the scientific works dealing with the constructions and operating parameters of vibratory mills, the author systematizes and classifies the types of vibratory mills, develops their general classification and gives a thorough examination to the classification by functional features. Each type of vibratory mills is briefly described with the reference to their advantages and disadvantages. Promising vibrating grinding technologies are indicated. Keywords: vibrating grinding; fine grinding; grinding chamber; vibratory mill; classification.

Измельчение является одним из основных процессов обогащения полезных ископаемых и широко используется в различных отраслях промышленности - от производства сельскохозяйственной продукции до выпуска строительных материалов. Несмотря на стремительное развитие информационных технологий, механическое измельчение не утратило своего значения. Тонкое измельчение является основой производственного процесса во многих отраслях: пищевой, химической, металлургической, горнорудной и многих других. На сегодняшний день материалы, измельченные до наночастиц, являются исходным сырьем для производства множества продуктов.

В процессе поиска оптимального метода измельчения были разработаны различные способы помола и типы мельниц для каждого из них. Особое место занимают вибрационные мельницы, которые наиболее эффективны при тонком диспергировании, причем, чем тоньше помол, тем выше эффективность измельчения.

Предшественниками вибрационных мельниц были шаровые, но для достижения нужной тонины помола продолжительность измельчения в шаровой вращающейся мельнице иногда достигала десятков и даже сотен часов. Малая энергонапряженность вращающихся мельниц вызвала необходимость создания машин, в которых движение мелющих тел осуществляется с ускорениями, значительно превышающими ускорение сил тяжести. Из машин такого рода наибольшее признание получили вибрационные мельницы [8].

В настоящее время существует множество кон-

струкций вибрационных мельниц. Все они разнообразны и имеют конструктивные особенности. Несмотря на многолетний опыт исследования в данной области, определенной систематизации и комплексной классификации вибрационных мельниц не разработано. Скорее всего это связано с многообразием установок. На рис. 1 представлена систематизированная классификация вибрационных мельниц, разработанная автором.

По способу подачи исходного материала вибрационные мельницы подразделяют на два вида:

- непрерывного действия;

- периодического действия.

Непрерывный режим используется для измельчения большого количества материалов. При непрерывном процессе загрузка и выгрузка измельчаемого материала происходит циклически без прерывания процесса измельчения.

Периодический режим применяют для тонкого измельчения материалов, которые требуются в небольшом количестве, а также для трудно измельчаемых материалов. Периодический процесс измельчения требует больших временных затрат в связи с загрузкой и выгрузкой исходного сырья. Основным недостатком мельниц с периодическим действием является неоднородная крупность частиц измельченного материала. По мере помола продукт продолжает измельчаться, при этом затрудняется и замедляется помол оставшихся более крупных частиц, что приводит к переизмельчению определенной части сырья. Также усиливается нагрев измельчаемого материала и выделение из него влаги. Все это может повлиять на

1Абдулова Светлана Радиковна, соискатель, тел.: 89086533520, e-mail: seka.05@mail.ru Abdulova Svetlana, Competitor for a scientific degree, tel.: 89086533520, e-mail: seka.05@mail.ru

конечное качество сырья, и заданная дисперсность не будет достигнута. Таким образом, вибрационные мельницы непрерывного действия имеют более высокие показатели по производительности и качеству конечного продукта.

В категории конструктивных признаков можно выделить четыре критерия классификации (рис. 2).

1. По виду камеры вибромельницы делятся на два типа:

- с неподвижной камерой;

- с вибрирующей камерой.

В современной промышленности применяют мельницы с вибрирующей камерой, которые в свою очередь бывают двух видов:

- классические (однотрубные);

- двухтрубные (многотрубные).

Рис. 1. Классификация вибрационных мельниц

Рис. 2. Классификация вибрационных мельниц по конструктивным признакам

Классическая конструкция представляет собой камеру, заполненную измельчаемым материалом и специальными мелющими телами различной формы (шары, стержни, валки и т.п.). Среда в камере может быть как газовая, так и жидкая. Содержимое камеры приходит в движение путем динамического вибрационного сотрясения. В результате происходит движение частиц, контакт частиц загрузки приводит к высокому механическому напряжению, как следствие возникает разрушение твердых частиц. Главное достоинство однокорпусных мельниц в относительно простой конструкции при таких параметрах, как мощность 2-5 МВт и радиус траектории 1 см. При этом высокие нагрузки на фундамент, зависимость траектории движения камеры от загрузки и высокая окружная скорость являются значительными недостатками.

В 2011 г. В.С. Богдановым была запатентована первая модель вибровращательной мельницы. Совмещение вибрационного и вращательного движений помольной камеры позволило увеличить мощность, сообщаемую загрузке, что интенсифицировало ее движение и способствовало увеличению производительности мельницы и степени измельчения материала [1].

В двухтрубной вибрационной мельнице два барабана связаны в общую конструкцию парой элементов, которые опираются на раму через резиновые амортизаторы. В соединении укреплены подшипники, содержащие приводной вал, параллельный трубам. На валу находятся неуравновешенные грузы. Неподвижный вал приводного электродвигателя и вал мельницы связаны валом-вставкой с двумя эластичными муфтами. Когда происходит вращение вала мельницы, грузы развивают центробежную силу инерции и сообщают круговые колебания всему агрегату. Измельчаемый материал загружается в верхний барабан, затем проходит через решетку во второй на доизмельчение. Барабаны так же, как и в классической конструкции, заполнены мелющими телами. Основным преимуществом таких мельниц являются большой радиус траектории (от 10 см) и меньшая нагрузка на фундамент по сравнению с однокорпусными моделями. Их мощность достигает 10 МВт. В мельнице с неподвижной камерой движение сообщается загрузке специальными вибрирующими поверхностями (пластинами). В свою очередь данные мельницы бывают трех видов:

- с подвижными рабочими поверхностями, расположенными внутри камеры;

- с двумя или более группами рабочих поверхностей, движущихся в противофазе;

- с подвижными рабочими поверхностями, образующими объем, в котором размещена загрузка.

Основным недостатком мельниц с неподвижной камерой является ограниченное перемещение материала внутри помольной камеры и нерациональное использование ее объема. Эти мельницы применяют в технологических процессах с высокими значениями давления и температуры, а также при измельчении токсичных и взрывоопасных веществ.

2. По устройству барабана вибромельницы под-

разделяют на:

- камеры с футеровкой;

- мельницы с быстросъемной сменной камерой;

- мельницы с ребрами внутренней поверхности камеры.

Изнутри мелющую камеру футеруют нержавеющей марганцовистой сталью или резиной. В современных условиях футеровка для мельниц изготавливается из керамики окиси алюминия, она имеет гладкую поверхность и обеспечивает более частые вращательные движения. Это положительно влияет на тонину помола. Камеры с футеровкой применяются для меньшего износа внутренней поверхности помольной камеры. Футеровка бывает с отверстиями для удаления измельчаемого материала и без них. Бывают случаи, когда выгоднее поменять помольную камеру, чем делать футеровку. Например, когда камера деформируется. Поэтому некоторые фирмы производят вибрационные мельницы с быстросменными камерами. Также существуют мельницы с ребрами на внутренних стенках мелющей камеры, которые образуют препятствия для материалов, что способствует снижению скорости движения загрузки у стенок камеры, сохраняя при этом ее форму на более длительный срок.

3. По расположению помольных камер вибрационные мельницы делят на три вида:

- вертикальные;

- горизонтальные;

- с наклоном барабана.

Вертикальное расположение камер удобно для последовательного соединения конструкции. Это позволяет увеличить путь измельчаемого материала, что непосредственно влияет на тонину помола и увеличивает производительность. Недостатком вертикальной конструкции является слишком быстрое прохождение материала под действием силы тяжести, что приводит к неправильному измельчению (например, неоднородная дисперсность). В свою очередь мельницы с наклоном камеры уменьшают силу тяжести, но все же позволяют ускорить прохождение материала через измельчитель. В горизонтальных мельницах измельчаемый материал равномерно распределяется по всей площади помольной камеры, и эффективно используется весь объем барабана.

4. По форме камеры вибрационные мельницы делят на три вида:

- цилиндрическая;

- призматическая;

- тороидальная.

Практически все запатентованные модели вибрационных мельниц имеют цилиндрическую помольную камеру, которая считается классической. Но в научных работах последних лет встречается упоминание о цилиндрических и тороидальных конструкциях барабана [2, 3]. Развитием тороидальной формы является камера, выполненная в форме спирали, что позволяет увеличить длину пути материала и тем самым уменьшить вероятность появления на выходе недоизмель-ченного материала.

По типу вибратора вибрационные мельницы

делятся на:

- инерционные;

- гирационные.

Корпус мельницы инерционного типа получает вибрацию за счет центробежных сил инерции. Они возникают при вращении установленного эксцентрично по отношению к оси вращения дебаланса. Траектория движения корпуса имеет форму эллипса.

В гирационной мельнице корпус совершает круговые качания за счет вращения эксцентрикового вала, к которому прикреплен корпус мельницы. Траектория, по которой движется корпус, является окружность с радиусом, равным эксцентриситету вала. При работе выделяется большое количество тепловой энергии, вследствие чего корпус мельницы нагревается. Для снижения температуры барабан мельницы охлаждают водой. Гирационные мельницы оказывают большое разрушающее воздействие на фундамент и части здания за счет значительных по величине динамических сил, часто меняющих свое направление. В свою очередь инерционные мельницы не требуют специального фундамента и могут быть установлены на обычном полу, так как имеют пружинные опоры и деревянные подкладки.

По сечению помольной камеры вибрационные мельницы делятся на мельницы:

- с круглым сечением;

- с ^образным сечением.

Первыми появились камеры с круглым сечением, затем были разработаны камеры с корытным сечением, что облегчало очистку при переходе на обработку другого материала, но и снижало интенсивность процесса в связи со свободным движением загрузки. Со временем эта проблемы была решена путем монтажа дополнительных поверхностей, которые препятствовали свободному расширению загрузки. Количество мелющих тел в камерах с круглым сечением - 7585%, с ^образным сечением - 80-90%. В промышленности встречаются оба варианта и принципиальных отличий в качестве и количестве конечного продукта не имеют.

По количеству мелющих тел вибрационные мельницы делятся на два вида:

- с большим количеством мелющих тел;

- с одним или несколькими мелющими телами.

Большинство конструкций вибрационных мельниц

предусматривает наличие мелющих тел в большом объеме. Масса мелющих тел и их размеры зависят от конструктивных особенностей мельницы и измельчаемого материала. Мелющие тела бывают разной формы и изготавливаются из таких материалов, как сталь, чугун, стекло, фарфор. Чаще всего это стальные шары, но применяются также мелющие тела цилиндрической формы, стержни, валки, трубы. Самыми износостойкими считаются керамические шары, но их применение достаточно дорогостоящее. Некоторые модели вибрационных мельниц предусматривают помол без мелющих тел, так называемое самоизмельчение. Подобная технология подходит к ограниченному числу материалов.

Наибольшая эффективность помола достигается тогда, когда объем межшарового пространства равен объему материала или когда отношение объема шаров к объему материала составляет примерно 5:2 [4].

Существуют конструкции с одним или несколькими мелющими телами, к таким изобретениям можно отнести дисковые вибрационные мельницы. Мелющими телами в такой установке являются ядро и одно или несколько колец. В результате центробежной силы, находящейся в размольном сосуде, мелющие тела ускоряются качательным движением, вследствие чего материал измельчается ударом и трением.

По режиму работы вибромельницы делятся на работающие:

- в резонансном режиме;

- в зарезонансном режиме.

На сегодняшний день в производстве чаще всего используются вибрационные мельницы с центробежным приводом, характеризующиеся нерациональным использованием энергии, так как работают в зарезо-нансном режиме вынужденных колебаний и не удовлетворяют современным требованиям надежности, производительности, экономичности и эффективности [6].

В свою очередь резонансный режим работы вибрационной мельницы характеризуется высокой стабильностью и высокой интенсивностью процесса измельчения. Для резонансного режима работы необходима очень тонкая настройка машины, что не всегда приводит к желаемому результату. Это объясняется большой амплитудой и частотой колебаний и малой величиной резонансной зоны. В последнее время ведется много исследований в данной области, например А.В. Кошелев в диссертационной работе предлагает вибрационную мельницу с резонансным параметрическим приводом, которая характеризуется высокой стабильностью [5]. Разработки таких мельниц позволяют сократить время нахождения материала в помольной камере, что способствует повышению чистоты готового продукта и производительности мельницы.

По движению мелющих тел:

- с круговым движением мелющих тел;

- с комбинированным движением мелющих тел;

- с возвратно-поступательным движением мелющих тел.

Движение мелющих тел зависит от конструктивных особенностей мельницы (формы, расположения и вида камеры, режима работы мельницы, количества мелющих тел и т.п.), в большей степени на движение влияют амплитуда и частота колебаний корпуса камеры, которые в разной степени влияют на тонину помола и производительность. Выбор мельницы по движению мелющих тел также зависит от измельчаемого материала.

По способу помола вибрационные мельницы делятся на два вида:

- мокрого помола;

- сухого помола.

Вибрационные мельницы используются как для

сухого помола, так и для мокрого. Содержание воды в загрузке для мокрого помола равно около 50%. Для измельчения частиц размером 15 мк и крупнее эффективнее использовать сухой помол. Для более мелкой дисперсности продукта мокрый помол будет целесообразней.

Для обеспечения эффективной, высокопроизводительной работы вибрационные мельницы должны снабжаться приспособлениями и устройствами, обеспечивающими непрерывную подачу исходного материала и отбор готового продукта, а в ряде случаев и его классификацию (сепарацию) [7]. В число этих устройств входят:

- дозаторы;

- транспортирующие механизмы для подачи исходного материала и транспортирования готового продукта (элеваторы, шнеки);

- промежуточные емкости (бункеры);

- классификаторы (сепараторы) различных типов для отделения готового продукта;

- вентиляторы, обеспечивающие воздушную сепарацию и пневмотранспорт;

- пылеосадительные устройства (циклоны).

Промышленные установки, сочетающие в себе вышеперечисленное оборудование, обеспечивают максимальную производительность, высокое качество конечного продукта, удобное обслуживание, и все это при наименьших затратах труда. Отсутствие даже одного из перечисленных устройств может привести к экономически неэффективному измельчению материалов.

Вибрационные мельницы широко используются в различных отраслях промышленности для измельчения материалов и в связи с этим обращают на себя пристальное внимание ученых. Проводятся исследования в области совершенствования конструкций мельниц и технологии их работы. Рассмотренная в данной статье классификация вибрационных мельниц позволила систематизировать их по конструктивным особенностям и физическим признакам, что даст возможность в дальнейшем выбрать наиболее подходящую установку для определенного измельчаемого материала.

Статья поступила 16.01.2015 г.

Библиографический список

1. Гаврунов А.Ю., Богданов В.С. Вибровращательная мельница с продольно-поперечным движением мелющих тел // Вестник ТГТУ. 2013. Т. 19. № 4. С. 864-869.

2. Гаврунов А.Ю. Вибровращательная мельница с продольно-поперечным движением мелющих тел: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.13. Белгород, 2014. 18 с.

3. Глухарев Н.Ф. Сухое измельчение в условиях электронейтрализации: монография. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. 192 с.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник. М.: Госхимиздат, 1961. 832 с.

5. Кошелев А.В. Исследование эффективности параметрического резонансного привода для совершенствования виб-

рационных мельниц: автореф. дис. . канд. техн. наук: 01.02.06. Нижний Новгород, 2014. 18 с.

6. Кошелев А.В. Экспериментальное исследование эффективности работы параметрического резонансного привода // Фундаментальные исследования. 2014. № 11. С. 996-999.

7. Кугель Р.В., Коновалов Д.О., Элькин А.Ю. Вибропомольные установки: устройство, назначение, выбор // Вибрационное измельчение материалов. М.: Промстройиздат, 1956. С. 3-5.

8. Ходаков Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов: монография. М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. 238 с.

УДК 53.08: 621.78:681.78: 669

НАНОМЕТРОЛОГИЯ В ТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ - ОСНОВА ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ НАУКИ

© А.А. Афанасьев1, К.С. Ивлева2, Д.С. Прохоренков3

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 308012, Россия г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

Научно-технический прогресс достиг сегодня такого уровня, что используемая при исследованиях аппаратура должна быть совершенной и сверхточной, а для изготовления ее деталей требуются измерительные приборы эталонной точности. Достижение предельных возможностей в нанометрии связано с использованием высокоразрешающих методов сканирующей зондовой микроскопии: растровой оптической, растровой электронной, сканирующей туннельной и атомно-силовой в сочетании с лазерной интерферометрией и фазометрией. На основе сканирующего зондового электронного микроскопа М!ВД-3 LM проведены исследования микростуктур стали 65Г, результаты которых позволяют сделать научные выводы с большей эффективностью, чем прежде.

1Афанасьев Александр Александрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой стандартизации и управления качеством, тел.: 89192808124, e-mail: alexaf-42@mail.ru

Afanasiev Aleksandr, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Standardization and Quality Management, tel.: 89192808124, e-mail: alexaf-42@mail.ru

2Ивлева Ксения Станиславовна, бакалавр, тел.: 89606359625, e-mail: ksyshechka077@mail.ru Ivleva Ksenia, Bachelor of science, tel.: 89606S59625, e-mail: ksyshechka077@mail.ru

3Прохоренков Дмитрий Станиславович, инженер, тел.: 89606322001, e-mail: dmpro@rambler.ru Prokhorenkov Dmitry, Engineer, tel.: 89606S22001, e-mail: dmpro@rambler.ru