Технологические модули для комплексного измельчения материалов

А.В. Уральский, А.В Колесников, Д.Н. Перелыгин, Е.В. Синица

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МОДУЛИ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Процесс переработки исходных сырьевых материалов и продуктов производства (полуфабрикатов) различных отраслей промышленности строительных материалов (цементной, керамической, огнеупорной, стекольной и др.) непосредственно связан с измельчением мелкокусковых, сыпучих материалов, а также их гомогенизацией с различными дисперсными компонентами в соответствии с той или иной технологией.

Особое значение техника и технология переработки мелкокусковых и порошкообразных материалов имеют на современном этапе интенсивного развития частного сектора экономики, связанного с созданием малотоннажных произв одств.

Актуальными на сегодняшний день являются разработки малотоннажных технологических линий по производству сухих строительных смесей (ССС) различной номенклатуры и областей применения [1].

Основными технологическими стадиями производства ССС являются: предварительная подготовка сырья (классификация, сушка), тонкое или сверхтонкое диспергирование материалов с их последующей сепарацией, смешение композиционной смеси.

Повышенный интерес к исследованиям в области измельчения возникает в связи с возросшими требованиями к получению тонкодисперсных порошков. В на-

стоящее время известны различные эффективные способы физического воздействия на разрушаемый материал, такие как газо- и гидродинамический, электроимпульсный, термодинамический и др. Однако на сегодняшний день основным способом разрушения материала остается способ механического воздействия.

В связи с этим возникает задача разработки технологических комплексов для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов с различными физико-механическими свойствами.

Для обеспечения выполнения требований, предъявляемых к готовому продукту, в условиях малотоннажного производства необходимо иметь возможность изменения технологических режимов обработки материалов, а, следовательно, компоновки различных видов оборудования.

Таким образом, в основе построения технологического комплекса должен лежать модульный принцип, т.е. в структуре технологического комплекса должно быть то оборудование - технологические модули, которые обеспечат выполнение заданных условий.

В связи с этим предлагается оборудование для тонкого и сверхтонкого измельчения, которые можно использовать в качестве технологических модулей.

Для предварительного измельчения материала ис-

пользуется пресс-валковый агрегат (ПВА). Эффективность использования предварительного измельчения материала в ПВА перед их помолом в мельнице обусловлено не только рациональным способом реализации энергозатрат, при непосредственном раздавливающе-сдвиговом воздействии рабочих органов (валков) на разрушаемый материал, но и обеспечением микродефектной структуры частиц, снижающей удельный расход электроэнергии при окончательном домоле материала в мельнице [2].

5 4

Рис. 1. Пресс - валковый агрегат

Пресс-валковый агрегат содержит эксцентрично установленные валки 1 (рис.1), над которыми в верхней части р асположен загрузочный бункер с подвижными щеками 2, соприкасающийся с эксцентричными валками с помощью валиков 3. В нижней части валков установлено дезагломерационное вибрационное устройство 8 и окаймляющие по наружной части валков рольганги 9. Над эксцентричными валками в их центральной части установлено загрузочное устройство 5, состоящее из двух кинематически связанных между собой щек 4 и подпружиненных прорезиненных роликов 6, образующих замкнутый треугольный контур. В нижней части межвалкового пространства установлено дезагломерирующее вибрационное устройство 8, соединенное по наружной поверхности с огибающими валки дугообразными пластинами, имеющими храпо-видные выступы. Во внутренней полости эксцентричных валков с обеих сторон установлены закрепленные на раме пресс-валкового агрегата вибраторы 11 с направленными колебаниями. Вибраторы соприкасаются с бандажами 12 и подвижными сегментами валков, соответственно, с помощью прорезиненных прокладок 13 и крепежных элементов. Рольганги состоят из роликов 9, установленных с возможностью изменения зазо-

ра между ними и образующие с валками по ходу движения материала сужающийся канал.

Дезагломерация спрессованных в ПВА пластин осуществляется с помощью специального дезагломераци-онного устройства, расположенного в зоне выгрузки материала. Конструкция агрегата предусматривает классификацию измельченного продукта, а также внешний рецикл его грубозернистых фракций.

Для усиления раздавливающе-истирающего воздействия на измельчаемый материал (особенно анизотропной структуры) используются р азличные конструктивно-технологические приемы: применяются валки конического профиля, эксцентрично установленные валки, используют различную частоту вращения валков и др. Для снижения степени износа валков используют их «самофутеровку», съемные или предварительно напряженные сегменты и др. [3].

Для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов используется центробежный помольно-смеситель-ный агрегат (ЦПСА) (рис. 2).

2 1

Отличительной особенностью данного агрегата является сочетание в одной технологической машине стадий среднего, тонкого и сверхтонкого измельчения, что обеспечивается различными траекториями движения камер для соответствующих режимов работы мелющей загрузки: для среднего помола - интенсивная ударная нагрузка и частичное истирание; для тонкого помола -ударная нагрузка с увеличением степени истирания; для сверхтонкого помола - интенсивное истирание [4, 5].

Сущность конструкции ЦПСА заключается в следующем. Помольный блок 1, состоящий из трех горизонтальных помольных камер, соединенных между собой переходными устройствами, жестко крепится к подвижной раме 2. Рама 2 шарнирно соединена с ползунами 3 и эксцентриковым валом 4. Привод агрегата состоит из электр одвигателя 5 и клиноременной передачи 6. Для предотвращения упругих деформаций экс-

Рис. 3. Вихре-акустический диспергатор

центрикового вала вследствие его значительной длины используются зубчатые передачи 7 и промежуточный вал 8. Продольное перемещение материала внутри помольного блока происходит за счет подпора загружаемого материала. Выход готового продукта осуществляется через разгрузочный патрубок.

Получение сверхтонкого продукта в агрегатах, использующих механическое воздействие, весьма затруднено. В вихре-акустическом диспергаторе (ВАД) (рис. 3) при измельчении используется принцип «саморазрушения частиц изнутри». Частицы разрушаются под воздействием касательных напряжений в высокоскоростных вихревых потоках (К=50.. .250 м/с и более) [6,7], характеризующимися зонами огромного сжатия и разряжения.

Вихре-акустический диспергатор позволяет получать высокодисперсные порошковые материалы за счет

высоких скор остей измельчения. Повышение эффективности тонкого измельчения материалов обеспечивается благодаря возможности изменения частоты акустических колебаний в камере помола. ВАД имеет рациональную технологическую компоновку камер измельчения, а вследствие работы агрегата по замкнутому циклу обеспечивается минимальное выделение пыли в окружающую среду.

Работа вихре-акустического диспергатора заключается в следующем. Воздух поступает из системы подвода энергоносителя 1 в распределительный ресивер 3, где с помощью вентилей 4 регулируется давление подаваемого энергоносителя. С помощью манометров 2 устанавливается требуемое давление.

Исходный материал через загрузочную воронку попадает в камеру помола ВАД 5, где смешивается с энергоносителем, поступающим из распределительного ресивера 3 через сопло. Струи энергоносителя, вырываясь из сопел, ускоряют частицы материала, вблизи каверн-генераторов создают вихри, способствующие измельчению материала не только ударом о стенки камеры, но и путем создания зон звуковых и/или ультразвуковых колебаний поперечных к вращающему потоку.

Измельченный материал под действием центростремительных сил перемещается в центральную зону камеры пом ола и далее в пылеосадительное устр ойство.

Аспирационная система ВАД состоит из циклона 6, который улавливает наиболее крупные частицы и рукавного фильтра 7 для окончательной отчистки запыленного воздуха.

Проведенные экспериментальные исследования по измельчению материалов в каждом из технологических модулей позволяют оценить их эффективность.

На рис. 4 представлены графические зависимости процесса измельчения в ЦПСА кварцевого песка и квар-цитопесчаника, из которых видно, что при измельчении кварцевого песка средневзвешенный размер частиц составляет менее 50 мкм, а кварцитопесчаника менее 140 мкм.

На рис. 5 представлены графические зависимости процесса измельчения кварцитопесчаника, показывающие изменения производительности от давления основного энергоносителя. Из графиков видно, что с увеличением давления от 0,25 до 0,35 (0,4) МПа в зависимости

Сшс, 11

0,134

0 201 в. 401ёТ. 601&.

Рис. 4. Графические зависимости процесса измельчения в ЦПСА: 1 - кварцевого песка; 2 - кварцитопесчаника

4

12,5 -г

12,3

«т 12,1

Е-

а 11,9

л

н с 11,7

о н

л л 11,5

е

= 11,3

а

= о 11,1

П

10,9

10,7

10,5

Л —}

ч С

у /.

¿=-0,5 мм ¿=0,5-1,0 мм ¿=1,0-1,5 мм ¿=1,5-2,5 мм ¿=2,5-4,0 мм

0,25

0,45

0,3 0,35 0,4

Давление основное, Росн МПа

Рис. 5. Графические зависимости изменения производительности от давления основного энергоносителя

от крупности исходного материала происходит увеличение производительности диспергатора. При дальнейшем увеличении давления происходит стабилизация производительности и даже ее некоторое уменьшение.

В соответствии с рассмотренными функциональными особенностями технологических модулей могут быть предложены различные компоновки технологических комплексов в зависимости от требований к готовому продукту.

На рис. 6 представлена схема комплекса, состоящего из ПВА и ЦПСА.

Исходный материал поступает в пресс-валковый агрегат 1, котором происходит предварительное разру-

шение материала. Далее материал ленточным питателем 2 и элеватором 3 подается в центробежный по-мольно-смесительный агрегат 4, в котором осуществляется тонкое измельчение. На выходе из помольно-смесительного агрегата измельченный материал через шнековый конвейер 5 направляется в бункер готового продукта 6.

На рис. 7 представлена схема комплекса, состоящего из ПВА и ВАД.

В данном технологическом комплексе происходит сверхтонкое диспергирование материала в вихре-акус-тическом диспергаторе 4 с предварительным разрушением его в пресс-валковом агрегате 1. На выходе из

Рис. 6. Технологический комплекс ПВА+ЦПСА

а ад! Тпоадо

Рис. 7. Технологический комплекс ПВИ+ВАД

вихре-акустического диспергатора газоматериальный поток напрвляется на осаждение в циклон 5 и рукавный фильтр 6. Осажденный материал и является готовым продуктом.

На рис. 8 представлена схема комплекса, состоящего из ПВА, ЦПСА и турбо-вихревого сепаратора (ТВС).

Особенностью данного комплекса является классификация измельченного материала в ТВС.

На выходе из помольно-смесительного агрегата 4 измельченный материал поступает в трубопровод, где подхватывается потоком сжатого воздуха, создаваемым вентилятором 5 и направляется в турбо-вихревой сепаратор 6, где происходит разделение тонкоизмельченно-го материала на фракции. Пройдя через сепаратор, грубая фракция возвращается на доизмельчение, а тонкая, осаждаясь в выносных элементах, является готовым продуктом.

Использование турбо-вихревого сепаратора обеспечивает эффективную классификацию тонкоизмельчен-ных материалов и включает в себя реализацию ряда технологических функций:

1) классификацию материалов с различными физико-механическими характеристиками в широком ди-апаз оне фр акционного со став а (10.100 мкм);

Рис. 8. Технологический комплекс ПВА+ЦПСА+ТВС

Рис. 9. Технологический модуль ПВА+ЦПСА+ТВС+ВАД

2) возможность использования данного аппарата по различному функциональному значению: как сепаратора (при открытых выгрузочных патрубках), как цик-лона-рукавного фильтра (при закрытых выгрузочных патрубках);

3) обеспечение эффективной непрерывной регенерации фильтровальной ткани матерчатого пылеуловителя за счет использования акустического эффекта, создаваемого при прохождении воздуха под давлением через гофрированные патрубки;

4) высокую степень очистки (п > 98%) аспирируе-мого воздуха, выходящего из аппарата.

На рис. 9 представлена схема комплекса, состоящего из ПВА, ЦПСА, ТВС и ВАД.

В данном комплексе измельченный материал из цен-торобежного помольно-смесительного агрегата 4 поступает в трубопровод, где подхватывается потоком сжатого воздуха, создаваемым вентилятором 5 и направляется в турбо-вихревой сепаратор 6, где происходит разделение тонкоизмельченного материала на фракции. Пройдя через сепаратор, грубая фракция возвращается на доизмельчение, а тонкая, осаждаясь в выносных элементах, подается в вихре-акустический диспергатор 7, в котором осуществляется сверхтонкое измельчение материала.

Выполненные нами р азр аб отки свидетельствуют о целесообразности организации технологических комплексов для измельчения материалов по модульному принципу при минимальном количестве вспомогательного оборудования.

Представленные технологические комплексы име-

ют многофункциональное назначение и могут быть использов аны в р азличных сфер ах научно -техническо -го предпринимательства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гридчин А.М., Севастьянов В. С., Лесовик В. С., Глаголев С.Н., Петров С.И., Дудко П.Г. Технологические комплексы и агрегаты для производства композиционных материалов и изделий // Вестник БГТУ. - 2005. - №11. - С. 160 - 166.

2. Севостьянов В. С., Дубинин Н.Н., Севостьянов И.В. Пресс-валковые агрегаты в промышленности строительных материалов: Учеб. пособие. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2000. -216 с.

3. Патент РФ №2250135. Валковый измельчитель с устройством для дезезагломерации материала / Севостьянов В. С., Бобырев И.Н., Уральская Е.В., Белевич С.Г., Опубл. в БИ №11, 20.04.2005 г.

4. Патент РФ № 2277973. Помольно - смесительный агрегат / Гридчин А.М., Лесовик В. С., Севостьянов В. С., Уральский В.И., Синица Е.В., Опубл. в БИ №17, 20.06.2006 г.

5. Севостьянов В. С., Уральский В.И. Центробежный помольно-смесительный агрегат // Научно-теоретический журнал. Вестник БГТУ имени В.Г. Шухова. Материалы Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндус-трии». - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2005. - №11.- С. 215 - 217.

6. Патент РФ № 2226432 Вихре-акустический диспергатор / Севостьянов В. С., Лесовик В. С., Перелыгин Д.Н., Горлов А. С., Нечаев С.П., Опубл. в БИ № 10, 10.04. 2004 г.

7. Севостьянов В. С., Горлов А. С., Нечаев С.П. Влияние характерного размера частиц на процесс измельчения в вихре-аку-стическом диспергаторе./ Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике. Сборник статей. Пенза -2003 - С. 34 - 38