ШАРОВАЯ МЕЛЬНИЦА

Полезная модель относится к устройствам для диспергирования и механической активации материалов и предназначена для использования, преимущественно, в фармацевтической и химической промышленности.
Известна шаровая мельница, содержащая вертикальный корпус, концентрично с зазором установленный в нем на валу сепаратор, выполненный в виде закрепленных на валу дисков с торцевыми кулачками и конической втулки с ребрами на внешней боковой поверхности, свободно расположенные шары в зазоре между корпусом и втулкой сепаратора; с целью повышения надежности и эффективности измельчения, втулка сепаратора закреплена на валу, а верхний диск установлен на цапфе вала с возможностью относительного вращения; ось цапфы установлена под углом α к оси вала, при этом угол α больше нуля, но меньше или равен arctg (d/D), где d - диаметр шара, D - наименьший диаметр рабочей поверхности торцевого кулачка; зазор между корпусом и втулкой больше 3, но меньше 3,45 диаметра шара, RU 2014117.
Данное устройство имеет весьма сложную конструкцию в целом, а также сложную конфигурацию отдельных элементов, его изготовление достаточно сложно, при этом, на практике трудно выдерживать указанные выше соотношения; эксплуатация такого устройства в условиях динамических нагрузок неизбежно приведет к неравномерному износу его элементов, в особенности, трущихся частей, поэтому устройство требует постоянного контроля состояния его деталей и их периодической и частой замены.
В большинстве случаев для измельчения материалов достаточно использовать шаровые мельницы значительно более простой и дешевой конструкции.
Известна шаровая мельница, включающая полый цилиндрический корпус, в котором размещен сепаратор, заполненный шарами. Сепаратор имеет сквозные отверстия на боковой стенке, диаметр которых несколько меньше диаметра мелющих шаров; корпус снабжен коаксиально расположенным относительно его продольной оси симметрии сборником готового продукта. Загрузка материала, подлежащего измельчению, осуществляется через питатель, выполненный в виде воронки, сообщающейся с полостью сепаратора, SU 1079281 А.
Конструкция данного устройства значительно проще по сравнению с описанным выше аналогом, однако ее основным и принципиальным недостатком является появление металлической пыли, образующейся при перемещении шаров по стенке сепаратора с отверстиями, поскольку при попадании шара на отверстие происходит износ, как поверхности шара, так и кромок отверстия.
Известна шаровая мельница, которая содержит барабан, внутренняя поверхность которого защищена плитами с волнистым профилем рабочей поверхности; закрепленные на барабане плиты образуют рабочую поверхность в виде спиральных выступов и впадин; выступы и впадины размещены на барабане таким образом, что их продольная образующая установлена под углом 15-23° к образующей цилиндрической поверхности барабана; выступы и впадины имеют ширину и глубину, равную 0,6-0,7 от среднего диаметра мелющего шага, RU 2021021 С1.
Данное устройство предназначено для использования, в основном, в строительной и горнорудной промышленности и имеет сложную конфигурацию элементов, позволяющую измельчить большие по размеру и твердые куски материала. Применение такой сложной по конструкции и дорогой в изготовлении шаровой мельницы в фармацевтической промышленности, и, тем более, в лабораторных условиях нецелесообразно ни с технической, ни с экономической точки зрения.
Известна также шаровая мельница, включающая неподвижный полый цилиндрический корпус, выполненный с возможностью загрузки и извлечения измельчаемого материала; в корпусе размещены шары, и соосно его продольной оси установлен вал с лопастями сложной конфигурации; загрузка и разгрузка материала осуществляются, соответственно, через загрузочное и разгрузочное отверстия, SU 1784274 А1.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящей полезной модели.
Устройство имеет несколько более сложную в сравнении с SU 1079281 А конструкцию, однако, при его работе, практически, не происходит образование металлической пыли ввиду исключения контакта множества шаров с кромками множества отверстий.
Сложность данного устройства, также как и других, описанных выше, обусловлена, в основном, тем, что они предназначены для использования в горнорудной и строительной отраслях промышленности с целью измельчения достаточно твердых и относительно больших по размеру фрагментов материала.
В химической и, в особенности, в фармацевтической промышленности, тем более, в лабораторных условиях, можно обходиться использованием шаровой мельницы значительно более простой по конструкции, нежели прототип.
http://ru.wikipedia.org.wiki).
Кроме того, как прототип, так и все другие аналоги, имеют один общий существенный недостаток, который состоит в том, что измельчаемый материал контактирует с кислородом воздуха и может вступать в химическую реакцию с ним. В ряде источников прямо отмечается, что «шаровые мельницы не могут использоваться для обработки некоторых смесей из-за возможности протекания химической реакции» (Википедия, барабанно-шаровая мельница,
Задачей настоящей полезной модели является создание простой по конструкции шаровой мельницы, в которой исключается контакт измельчаемого материала с кислородом воздуха.
Согласно полезной модели в шаровой мельнице, включающей неподвижный полый цилиндрический корпус, выполненный с возможностью загрузки и извлечения измельчаемого материала, в котором размещены шары и соосно его продольной оси установлен вал с лопастями, укрепленными на валу с возможностью взаимодействия с шарами, корпус выполнен в виде стакана со съемной герметичной крышкой и снабжен магистралью с запорным органом, соединяющей его с емкостью, содержащей жидкий азот или инертный газ и снабженной газовым редуктором, при этом в полый корпус вмонтирован выпускной клапан.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «Новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез устройства.
Шаровая мельница включает неподвижный корпус, выполненный в виде стакана 1 со съемной герметичной крышкой 2. Такое выполнение корпуса позволяет осуществлять при снятой крышке 2 загрузку материала в стакан 1 и извлечение измельченного материала через одно и то же отверстие вверху стакана 1 и исключает необходимость выполнения отдельных загрузочных и разгрузочных отверстий, что упрощает конструкцию устройства. В конкретном примере стакан 1 и крышка 2 выполнены из аустенитной нержавеющей стали марки AISI 304. Соосно продольной оси корпуса с помощью подшипника 3, укрепленного в крышке 2, установлен вал 4, снабженный лопастями 5, укрепленными радиально во втулке 6, запресованной на нижнем конце вала 4. Лопасти 5 могут быть плоскими либо изогнутыми. На дне стакана 1 расположены шары 7, выполненные в конкретном примере из стали марки 316 Ti. Масса одного шара - 300 г, общая масса - 20 кг. Корпус снабжен магистралью 8 с запорным органом 9, соединяющей полость стакана 1 с емкостью 10 через редуктор 11. Емкость 10 содержит, в данном примере, азот; возможно также использование любого инертного газа. В полый корпус, в данном примере в его крышку 2, вмонтирован выпускной клапан типа МКН 140-ЕТЕ. В верхней части стакана может быть установлен съемный газопроницаемый фильтр 13, уплотненный относительно вала 4 с помощью уплотнения 14.
Вращение вала производится электрическим двигателем (на чертеже не показан). В случае необходимости осуществления процесса измельчения материала при повышенной температуре в стенки стакана 1 могут быть вмонтированы нагревательные элементы (на чертеже не показаны).
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Снимают герметичную крышку 2 и в полость стакана 1 помещают материал, подлежащий измельчению. Затем крышку 2 закрывают. После этого открывают запорный орган 9 и клапан на редукторе 11. Газ из емкости 10 под давлением, примерно, 2 ати по магистрали 8 поступает в полость корпуса и вытесняет из него воздух, который выходит в атмосферу через выпускной клапан 12. Через некоторое время закрывают запорный орган 9, после того, как давление в корпусе шаровой мельницы упадет до значений, равных или меньших 1,5 ати. При этом выпускной клапан 12 закроется, шаровая мельница готова к измельчению материала в неагрессивной газовой среде. С помощью электродвигателя приводят во вращение вал 4, лопасти 5 которого взаимодействуют с шарами 7, постепенно в процессе их движения измельчающими находящийся в стакане 1 материал в результате ударно-истирающих воздействий, при этом лопасти 5 не только приводят в движение шары 7, но и перемешивают измельчаемый материал. Данная шаровая мельница рассчитана на измельчение материалов относительно небольшой максимальной крупности - до 20 мм и твердостью до 6-7 единиц по шкале Мооса, при этом достигается тонкость помола 10-50 мкм.
Для измельчения химически весьма активных материалов корпус шаровой мельницы и шары могут быть выполнены из фарфора или иной керамики, а вал и лопасти могут иметь футеровку из химически неактивного материала, например, полиуретана.
При размельчении материала в течение длительного времени подачу газа из емкости 10 в корпус шаровой мельницы можно повторить несколько раз. В этом случае для предотвращения выброса пылевидных частиц через клапан 12 в результате повторной подачи пара под давлением желательно наличие съемного газопроницаемого фильтра 13. По окончании работы закрывают запорный орган 9 и редуктор 11. Для замены фильтра 13 вал 4 отсоединяют от электродвигателя.
Мощность электродвигателя - 1,2 кВт, двигатель может быть снабжен частотным преобразователем для изменения скорости вращения вала 4 в диапазоне 0-120 об/мин в зависимости от крупности исходного материала и требуемой тонкости помола.
Благодаря тому, что корпус шаровой мельницы выполнен в виде стакана с крышкой, упрощается конструкция устройства, а также процесс загрузки-выгрузки материала. Осуществление процесса диспергирования в газовой среде, практически, не содержащей кислород, позволяет измельчать материалы, реакция которых с кислородом недопустима. Опытный (лабораторный) образец устройства был применен для измельчения материала, используемого при получении фармацевтической субстанции на основе 1-(4бромфенил)виолюровой кислоты. Указанные обстоятельства позволяют, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «Промышленная применимость».