УСТРОЙСТВО ДЕЗИНТЕГРАТОР-КЛАССИФИКАТОР СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
DISINTEGRATOR-CLASSIFIER OF LOOSE MATERIALS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к средствам самоизмельчения и сепарации различных твердых материалов и может найти применение во многих отраслях промышленности.
Уровень техники
Известны конструкции дезинтеграторов:
1. RU №2004118152 А, кл. В02С 13/22, 2005.
2. RU №93012868 А, кл. В02С 13/22, 1996.
Дезинтегратор состоит из корпуса, в котором размещены два ротора. Роторы насажены на валы и оснащены шкивами, которые обеспечивают вращение роторов в противоположные стороны. Дезинтегратор снабжен загрузочным патрубком. На роторах консольно закреплены пальцы, которые расположены концентрическими рядами, а каждый ряд пальцев одного ротора расположен между двумя рядами пальцев другого ротора. На съемные пальцы туго посажены стаканы цилиндрической формы, изготовленные из твердосплавного материала. Ротор-диски вращаются в противоположные стороны. Через загрузочное отверстие подают измельчаемый материал, который поступает в центральную часть межроторного пространства. Частицы материала, ударами пальцев первого ряда и приобретая соответствующую этому ряду пальцев скорость, центробежной силой выбрасываются на движущийся навстречу второй ряд пальцев. Получив удар пальцев второго ряда, они отскакивают от него и, меняя вектор скорости, выбрасываются на третий ряд пальцев и т.д. Последним пальцевым рядом частицы обрабатываемого материала выбрасываются из зоны обработки и выгружаются из рабочей камеры через разгрузочное отверстие.
Данные конструкции дезинтегратора имеет следующие недостатки.
Низкая эффективность измельчения из-за постоянно действующих динамических нагрузок на пальцы ротора и втулки и вследствие этого абразивного износа этих элементов. Недостаточный ресурс работы роторов конструкции дезинтегратора, снабженной съемными пальцами, на которые туго посажены съемные стаканы цилиндрической формы, изготовленные из твердосплавного материала, причем стаканы туго посажены на каждый палец двух роторов. Главным недостатком является отсутствие гарантированной фракции измельченного продукта и связанной с этим необходимостью введения дополнительных устройств классификации в технологический процесс измельчения. Высокий износ и связанные с ним частые работы по замене частей устройства, низкая производительность, высокая металлоемкость, высокое энергопотребление.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание непрерывного процесса самоизмельчения и сепарации, происходящего в одном устройстве (объединенных в едином механизме) для получения готового продукта с верхним контролируемым пределом размеров частиц необходимой тонины, методом встречного соударения потоков воздушно-сырьевой смеси, при котором энергия, затрачиваемая на измельчение, расходуется в большей степени на создание напряжений растяжения (разрыва) в кусках измельчаемого материала и исключается создание напряжений, возникающих под действием сил сжатия, при этом отсутствует необходимость в мелющих телах.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании скоростного, мощного и в то же время энергоэффективного, простого, надежного устройства для разрушения исходного сырья, несущего в себе функции единого органа разрушения и классификации частиц по крупности для получения дешевого измельчения и обеспечивающего упрощение процесса измельчения, в сокращении удельного расхода энергии, исключении отдельной операции классификации частиц, снижении металлоемкости, получении готового продукта с заданной крупностью частиц, исключение мелющих тел. Изобретение позволяет снизить удельный расход энергии на 90% по сравнению с существующими современными технологиями при отсутствии мелющих тел за счет столкновения частиц между собой и с элементами конструкции рабочей камеры.
Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что устройство дезинтегратора-классификатора сыпучих материалов содержит установленные напротив друг друга аэродинамические рабочие колеса с образованием между ними рабочей камеры. Аэродинамические рабочие колеса расположены внутри кожуха с отверстием для выхода готового продукта. Аэродинамические рабочие колеса закреплены на ступицах, установленных на полых осях (по меньшей мере одной оси), имеют возможность встречного вращения и разгоняют потоки воздушно-сырьевой смеси, приводя их во встречное столкновение. Между поверхностями рабочей камеры образуется зона самоизмельчения. Самоизмельчение достигается путем разгоняющего, ударного, отражающего воздействия поверхностей аэродинамических колес на измельчаемый материал.
Исходное сырье подается через отверстие (полость) оси и, всасываясь, поступает в рабочую камеру помола, где меняет направление с осевого на радиальное, вращается, создавая закрученные потоки воздушно-сырьевой смеси, происходит лобовое соударение кусков исходного сырья с разрушением и рассеиванием равномерно по всему объему рабочей камеры, при этом центробежным классификатором частиц создается препятствие измельчаемого материала к выходу из активной рабочей зоны до его полного ультратонкого измельчения с контролируемым верхним пределом размеров частиц. Усилие воздействий на измельчаемый материал в тысячи раз превосходит сопротивление разрушению кусков и частиц исходного сырья благодаря массивности вращающихся колес, обладающих функцией маховиков - накопителей кинетической энергии, переходящей в механическую энергию измельчения. Воздействия, в том числе и тормозящие, исходного сырья на аэродинамические рабочие колеса ничтожно малы, благодаря запасу энергии вращательного движения аэродинамических рабочих колес. Масса аэродинамических рабочих колес многократно превышает массу измельчаемого материала, находящегося в рабочей камере. Воздействия оказываются направленными ударами, отражением и разгоном воздушно-сырьевой смеси и создаются рабочими элементами аэродинамического рабочего колеса. Аэродинамическое рабочее колесо содержит элементы в виде радиальных ребер. Задаваемая тонина частиц регулируется за счет скорости вращения аэродинамического рабочего колеса, являющегося единым органом с центробежным классификатором частиц. Периферия рабочей камеры (кольцевой зазор) снабжена по меньшей мере одним вентилятором (кольцевой решеткой), являющимся вместе с аэродинамическим рабочим колесом единым органом, выполняющим функции центробежного классификатора относительно крупности частиц и препятствующим выходу измельченного продукта до достижения им требуемой тонины. В одном узле устройства происходит непрерывный процесс измельчения, сушки и классификации измельчаемого материала. Сушка потоков частиц происходит во время их прохождения через зазор между составляющими центробежного классификатора частиц, находящимися во встречном вращении.
Измельчение в устройстве дезинтегратора-классификатора происходит под действием сил удара и трения, вызванных воздействием элементов конструкции рабочей камеры, а также взаимодействием встречных потоков воздушно-сырьевой смеси, что приводит к образованию первичных трещин либо развитию существующих дефектов структуры в частицах и кусках измельчаемого материала. Когда передняя часть куска или частицы резко останавливается твердой поверхностью аэродинамического колеса, либо встречно движущимся куском или частицей, силы инерции развивают внутри частицы значительные напряжения, которые превышают механическое сопротивление, после чего от точки контакта вдоль поверхностей наименьшего сопротивления немедленно начинают образовываться трещины, распространяющиеся по всей структуре куска или частицы. С удалением частиц измельчаемого материала к периферии рабочей камеры растут центробежные силы, которые вызывают разрывающие (растягивающие) напряжения, ведущие к полному разрушению измельчаемого материала. В указанном устройстве большее воздействие на разрушение измельчаемого материала оказывает именно центробежная сила.
Механическая энергия, затрачиваемая на измельчение и сепарацию, передается от вращения рабочего колеса, таким образом энергозатраты всего процесса определяются лишь раскручиванием и поддержанием заданной скорости вращения рабочих колес.
Рабочий процесс измельчения и сепарации связан с ударным и истирающим изнашиванием элементов конструкции устройства абразивными компонентами воздушно-сырьевой смеси, вызванным высокими местными напряжениями в измельчающих элементах. Поэтому элементы рабочей камеры: радиальные ребра, поверхности между радиальными ребрами, элементы центробежного классификатора частиц, а также отверстие (внутренняя поверхность) полой оси выполнены с возможностью нанесения на них износостойких покрытий либо с возможностью закрепления на них износостойких (абразивостойких) деталей в виде твердосплавных, металлокерамических, керамических, металлополимерных, полимерных элементов, защищающих конструкцию от износа, выполняющих функцию футеровки, хотя при данном подходе к измельчению воздействия компонентами воздушно-сырьевой смеси к конструкции устройства и износу футеровки незначительны.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - общий вид устройства.
Фиг. 2 - общий вид устройства с направлением движения воздушных потоков.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - аэродинамическое рабочие колеса; 2 - ступица; 3 - ось; 4 - отверстие для подачи исходного материала; 5 - радиальные ребра; 6 - кожух; 7 - вентиляторы; 8 - рабочая камера; 9 - центральная область рабочей камеры; 10 - сквозные каналы оси; 11 - сквозные каналы ступицы; 12 - воздухоканал с клапаном регулирования; 13 - нагнетатель воздушных потоков; 14 - периферия рабочей камеры; 15 - зона классификации; 16 - лопатки центробежного классификатора частиц; 17 - кольцевой канал.
Осуществление изобретения
Заявленное устройство для измельчения и классификации материалов состоит из двух аэродинамических рабочих колес (1), закрепленных на ступицах (2) подшипниковых узлов, которые установлены на соосных неподвижных полых осях (3) (либо одной оси) с отверстиями (4) для подачи исходного материала, сообщающимися с рабочей камерой. Неподвижные полые оси (либо одна ось) установлены в разъемных опорах. На ступицах (2) имеются шкивы, воспринимающее вращательное движение от шкивов двигателей, как при помощи ремней, так и путем безременного прямого (либо через муфту) присоединения вала двигателя к одной из ступиц, либо применением редукторов. Аэродинамические рабочие колеса (1) имеют в своем составе у оси ступицу, обод в центральной части и торцевое кольцо на периферии где, в свою очередь, установлен центробежный классификатор частиц. На рабочей поверхности аэродинамических колес имеются радиальные ребра (5). Аэродинамические рабочие колеса помещены под кожух (6) транзита воздушно-пылевой смеси (продукта измельчения). На наружных торцах аэродинамических рабочих колес установлены вентиляторы (7), которые нагнетают воздушные потоки под кожух (6) для дальнейшей транспортировки воздушно-пылевой смеси, при этом препятствуют выходу измельченного продукта из-под кожуха в окружающее пространство вне технологической линии. Между аэродинамическими рабочими колесами образована зона (8) самоизмельчения (или рабочая камера). Материал для измельчения поступает в центральную область рабочей камеры (9). Для обеспечения воздушным объемом рабочей камеры предусмотрены вентиляционные каналы (10) в стенках неподвижной полой оси, а также вентиляционные каналы (11) в ступицах, эти каналы являются питателем для нагнетателя воздушных потоков (13), закрепленного внутри рабочей камеры на элементах аэродинамических рабочих колеса, при необходимости также осуществляется подача через них сжатого воздуха компрессором. Также, с целью компенсации воздушного объема внутри рабочей камеры, предусмотрен дополнительный воздухоканал в оси с клапаном регулирования (12). Благодаря направленному движению воздушных потоков снимается избыточное тепло с деталей устройства (и направляется в зону помола для поддержания необходимого температурного режима среды самоизмельчения), защищаются подшипниковые узлы от проникновения пыли. В зависимости от требований безопасности к технологическому процессу помола того или иного материала, в рабочую камеру, помимо воздуха, могут подаваться разного рода инертные газы и/или смеси газов (например, аргон, азот и прочие) либо аэрозоли для предотвращения и/или снижения уровня взрывопожароопасности. В зависимости от требований технологического процесса измельчения того или иного материала, в рабочую камеру, помимо воздуха, могут подаваться разного рода активирующие газы (диоксид углерода)/аэрозоли, которые способствуют ускорению процесса измельчения (разрушения кристаллической решетки с разрывом межмолекулярных связей) и/или активации поверхности измельчаемого материала.
На периферии (14) рабочей камеры образована зона (15) классификации измельчаемого материала относительно крупности частиц. Между встречно вращающимися аэродинамическими рабочими колесами на их периферии выполнен кольцевой зазор, в области которого или непосредственно внутри находятся лопатки (16) для классификации воздушно-пылевой смеси, в виде планок, крыльчатки, пластин или другой формы с функцией лопатки. Центробежный классификатор частиц и его составляющие лопатки (16) расположены по окружности на периферии аэродинамического рабочего колеса и ограниченного пространства между рабочими поверхностями измельчения исходного сырья, для высвобождения частиц заданной фракции помола через зону центробежного классификатора в кожух. Совмещение рабочих органов измельчения и классификации частиц происходит в области края зоны измельчения. Классификатор частиц выполнен с возможностью реализации как в теле аэродинамических рабочих колес, так и отдельным устройством, закрепленным на аэродинамические рабочие колеса единым органом в механизме устройства. Лопатки (16) классификатора частиц могут устанавливаться на одно из колес либо на оба, в зависимости от поставленных задач по производительности, необходимой фракции готового продукта, вида измельчаемого материала и от прочих параметров. Лопатки (16) классификатора частиц и кольцевые каналы (17) каждого аэродинамического рабочего колеса (1) могут располагаться на разных окружностях. Таким образом установленные на одном аэродинамическом рабочем колесе лопатки могут бесконтактно углубляться в тело противоположного аэродинамического рабочего колеса (1) или элементов закрепленных на них. Лопатки (16) классификатора частиц выполнены с возможностью регулирования угла наклона, угла входа и выхода, радиального удаления относительно центра рабочей камеры и регулирования по глубине посадки в кольцевую канавку (17), для эффективного использования центробежного классификатора частиц.
Устройство работает следующим образом. Аэродинамические рабочие колеса (1), закрепленные на ступицах (2), вращаются на неподвижной конструкции оси (3) навстречу друг к другу. Потоки воздуха и исходного сырья внутри рабочей камеры находятся во вращательном движении, создаваемом радиальными ребрами (5) аэродинамических рабочих колес. Воздух под действием центробежной силы направляется к краям (14) аэродинамических рабочих колес. Как следствие, в центре рабочей камеры образуется зона (9) низкого давления, что приводит к всасыванию воздуха с исходным сырьем извне в отверстия (4) неподвижной конструкции оси. В центральной области (9) рабочей камеры поток воздуха и частиц исходного твердого материала изменяет направление своего движения с осевого на радиальное, вращаясь вокруг оси и устремляясь на периферию (14) рабочей камеры.
По меньшей мере на одном из аэродинамических рабочих колес (1) по окружности в области края, или в зазоре между аэродинамическими рабочими колесами, имеется центробежный классификатор частиц с составляющими элементами в виде лопаток (16) расположенными по меньшей мере в один ряд, и находящимися напротив кольцевых каналов (17). Лопатки классификатора частиц имеют возможность бесконтактного углубления в кольцевые канавки в тело противоположного аэродинамического рабочего колеса или элемента, закрепленного на аэродинамическом рабочем колесе. Указанные лопатки (16) выполнены с возможностью бесконтактно находить друг на друга а также возможностью регулирования по углу наклона входа и выхода и радиального удаления относительно центра рабочей камеры и регулирования по глубине посадки. Лопатки могут быть выполнены как отдельными составными частями центробежного классификатора частиц, так и объединенными в цельное кольцо, либо в кольцевые сектора с возможностью бесконтактно находить друг на друга. Потоки воздушно-пылевой смеси исходного твердого материала встречаются с центробежным классификатором частиц, расположенным в области края или в кольцевом зазоре между аэродинамическими рабочими колесами. Лопатки центробежного классификатора частиц (16) движутся по разным окружностям в разных направлениях с зазором между собой, создавая воздушные потоки. Таким образом, в области периферии рабочей камеры в кольцевом зазоре или в области кольцевого зазора для выхода измельченного продукта создается кольцевая область классификации относительно крупности частиц. Легкие, требуемого диапазона размеров и формы частицы измельченного продукта, поступающие в зону классификации, принимают направленное радиальное движение потока воздуха, тяжелые частицы не могут увлечься в зону классификации ввиду своей массы, формы и размеров и продолжают движение внутри рабочей камеры до более глубокого измельчения. В результате измельчения с одновременной классификацией образуются частицы с заданной тониной с верхним пределом размеров частиц, за счет чего происходит более глубокая активация готового продукта и интенсивная гомогенизация многокомпонентных смесей при необходимости. Задаваемая тонина измельчения с верхним контролируемым пределом размеров частиц, регулируется скоростью встречного вращения аэродинамических рабочих колес с центробежным классификатором частиц и расположением лопаток или их конфигурацией.
Заявленный технический результат достигается в одном устройстве центробежного дезинтегратора-классификатора частиц, состоящего из аэродинамического рабочего колеса и центробежного классификатора частиц, объединенных в один механизм, где происходит усиление механической энергии за счет расчетной тяжести массивных вращающихся аэродинамических рабочих колес с функцией маховиков и сложением механических составляющих вращающихся органов механизма: силы и скорости двух аэродинамических рабочих колес, что ведет к усилению мощности воздействия на исходное сырье с высоким коэффициентом полезного действия. Измельчение исходного материала происходит на высоких окружных скоростях, с интенсивным соударением воздушно-сырьевой смеси, истиранием и активацией измельчаемого материала, а также достигается возможность получать гарантированную фракцию с верхним пределом частиц в непрерывном процессе.