Эксцентриковые вибрационные мельницы — теория и практика

Реферат

Предлагается новая однотрубная вибрационная мельница – эксцентриковая вибрационная мельница. Это результат совместного проекта Института технологии переработки и утилизации в Клаустальском техническом университете и фирмы SIEBTECHNIK, Мюльхайм, Германия. Эксцентриковая вибрационная мельница возбуждается при помощи неуравновешенной массы вибровозбудителя, закрепленного на одной стороне помольной трубы. В отличие от обычных вибрационных мельниц с однородными круговыми колебаниями, эта модель возбуждает эллиптические, круговые и линейные колебания. Из-за значительного увеличения ускорения мелющих тел, производительность мельницы увеличивается в 2 раза. Вследствие уменьшения соотношения между снаряженной массой и грузоподъемностью, а также снижения потерь энергии из-за уменьшения нагрузки на подшипники, уменьшается потребление энергии эксцентриковых вибрационных мельниц на 50%. Для адаптации мельницы к конкретным условиям измельчения была разработана модульная конструкция. Помимо конструктивных деталей, представлен анализ для определения оптимальных размеров эксцентриковой вибрационной мельницы. Приведены примеры промышленного внедрения в области переработки минерального сырья, химической и пигментной промышленностей, а также в области вторичной переработки твердых сплавов. © 1999 Elsevier Science S.A. Все права защищены.

Ключевые слова: тонкое измельчение, однотрубная вибрационная мельница, эллиптические вибрации, расход энергии, изнашивание.

 

1. Введение

Вибрационные мельницы состоят из цилиндрических или корытообразных упруго установленных измельчительных труб, которые с помощью неуравновешеной системы совершают круговые колебания с ускорениями Rω² (R – радиус кругового вибрационного движения и ω - угловая скорость неуравновешенной массы) примерно до 10g и редко выше этого. Внутри труб измельчения находятся мелющие тела (шары, цильпебсы, стержни), степень заполнения кторыми составляет приблизительно от 70% до 80% (рис. 1). Наиболее часто применяются шары, стержни являются предпочтительными для грубого помола, а цильпебсы – предпочтительны для тонкого измельчения [1].

 

Рис. 1 – Распространенные типы вибрационных мельниц:

а) периодическая вибрационная корытная мельница; б) непрерывная вибрационная трубчатая мельница.

1 – мелющая труба или корыто; 2 – вибрационный привод; 3 – упругие опорные элементы (пружины или резиновые буферы).

 

Более 40 лет вибрационные мельницы используются для тонкого и грубого измельчения в промышленных масштабах. В 1970-х годах были созданы тяжелые машины с несколькими системами труб для достижения высокой производительности. В 1980-х и в начале 1990-х годов исследования были сосредоточены на экспериментальном и теоретическом изучении процессов движения среды в трубах вибрационных мельниц [2-4]. На основании фотографий, видео и высокоскоростной съемки среды мельниц, а также анализа механизма взаимодействия тел измельчения была разработана имитационная модель внутренней механики вибрационных трубчатых мельниц [5]. Эта модель позволила рассчитать энергию и импульс ее распространения в мелющей трубе и таким образом определить источник энергии  в зависимости от параметров рабочего органа и условий эксплуатации. Продолжая исследования была определена зависимость значений вибрации от степени заполнения, эксцентриситета и частоты вращения дебаланса в имитационной модели для внешней механики [6]. В отличие от эмпирических результатов исследований эти модели для внутренней и наружной механики позволили производить расчёт оптимальных параметров вибраций измельчающей трубы для различных размеров и типов. Применение моделей  для обычных типов вибрационных трубчатых мельниц показывает, что экономические потери, в первую очередь, вызваны недостаточным соотношением объемов пустой и заполненной трубы и вторично вызвана высокими потерями мощности из-за нагрузки на подшипники [7]. Конструкционный предел вскоре был достигнут. Исследования Клаустальского технического университета (Институт технологии переработки и утилизации, профессор Gock) показали, что только новая концепция вибрационных мельниц может помочь превысить этот предел.

В сотрудничестве с SIEBTECHNIK, Мюльхайм, Германия однотрубная вибрационная мельница с новой концепцией механической вибрации, называнная "эксцентриковая вибрационная мельница", была разработана и запатентована во всем мире [8]. В отличие от обычных мельниц с круговыми колебаниями эта машина совершает эллиптические, круговые и линейные колебания. На рис. 2 показан схематический вид эксцентриковой вибрационной мельницы. Привод – эксцентриковый, его масса уравновешивается посредством противовеса. Основное технологическое достижение заключается в большой амплитуде колебаний до 20 мм (как правило, 12 мм максимум), что приводит к высокой степени разрыхления и, таким образом, в интенсификации ударных нагрузок между мелющими телами (шарами или стержнями).

 

Рис. 2 – Схематичный вид эксцентриковой вибрационной мельницы:

1 – мелющая труба; 2 – балансировочная масса;

3 – дебалансный привод; 4 – мелющие шары или стержни.

 

В отличие от круговых колебаний обычных вибрационных трубчатых мельниц, эксцентриковый привод этой машины создает эллиптические, круговые и линейные колебания. В результате отхода от однородных круговых вибраций процесс движения среды резко меняется: амплитуда колебаний отдельных мелющих тел и скорость вращения измельчительной среды увеличиваются, а направление движения не изменяется [9].

2. Кинематика

Движение эксцентриковой вибрационной мельницы можно описать математически на основе кинематики движений кривошипно–шатунного механизма. На фиг. 3а и б сравниваются принципы движения эксцентриковой вибрационной мельницы (ESM) и обычной вибрационной трубчатой мельницы (RSM). Каждая эллиптическая траектория движения эксцентриковой вибрационной мельницы механически порождается жестким треугольником шарнирами ASP и AS в виде шатуна (рис. 3а). Этот принцип движения был экспериментально подтвержден и опубликован в другой статье [10].

Гораздо проще изобразить движение обычных вибрационных трубчатых мельниц. Конечные точки A и S в качестве базы AS жесткого треугольника с шарнирами расположены на вибрационном круге так, что Р постоянно описывает окружность (рис. 3б).

 

Рис. 3 – Сравнение кинематических моделей:

а) эксцентриковая вибрационная мельница; б) обычная вибрационная трубчатая мельница.

 

Вибрационные мельницы имеют зоны неравномерного износа. Это вызвано местным неоднородным распределением разных видов напряжений в облицовке измельчающей трубы. Проведенные авторами исследования обычных вибрационных трубчатых мельниц показывают, что импульс, в основном, выражается в виде нормального воздействия N, т.е. мелющая среда преобладающе подвергается переменным напряжениям. Распределение нормального воздействия на облицовкe измельчающей трубы локально явно неоднородно – оно концентрируется в диапазоне 90° ≤ ψ≤180°, поэтому для обычных вибрационных трубчатых мельниц является также главный зоной износа (рис. 4б). Влияние трения, с другой стороны, на порядок меньше нормального воздействия N и имеет максимум в диапазоне от 0°≤ ψ≤90° [5,11]. В случае эксцентриковой вибрационной мельницы основная зона износа находится в пределах 0° ≤ ψ≤180° (рис. 4, а).

 

Рис. 4 – Главные зоны износа:

а) эксцентриковая вибрационная мельница; б) обычная вибрационная трубчатая мельница.

 

Так как средняя частота вращения ω_u во много раз выше, чем для обычных вибрационных трубчатых мельниц, эффект воздействия трением на обрабатываемый материал становится более важным. Таким образом, положение основной зоны износа связано с суммарным эффектом от высоких нормальных воздействий и воздействий от трения. Так как нормальное воздействие преобладает в диапазоне 0°≤ψ≤60° из-за преимущественного ортогонального положения большой главной оси эллипса к облицовке измельчающей трубы, воздействие трения значимо в диапазоне 60° ≤ ψ ≤180°, поскольку большие оси эллипса направлены по касательной к облицовке трубы измельчения.

2. Механическая модель

Схематическая блок-схема (рис. 5) показывает необходимые шаги от кинематической модели эксцентриковой вибрационной мельницы к энергетическому балансу.

 

Рис. 5 – Cхематическая диаграмма для модели механической эксцентриковой вибрационной мельницы

 

Измерения износа позволяют определить начальные условия, такие как: начало затухания, время воздействия t_A и фазу α. В то время как параметры движения мелющей трубы определяются непосредственно из кинематической модели, параметры движения мелющей среды могут быть определены количественно в зависимости от параметров эллиптических траекторий и частоты вращения среды ω_u. Кинетические зависимости между мелющей трубой и средой измельчения могут быть вычислены как функции зависимостей от точки положения на окружности помольной трубы:

• нормальное воздействие N=N(ψ)
• воздействие трения T=T(ψ)
• рассеивание энергии ΔE_N(ψ)от нормального воздействия
• рассеивание энергии ΔE_T(ψ) от воздействия трения
• полное рассеивание энергии ΔE=ΔE(N,T)=ΔE(ψ).

Из шести уравнений движения воздействия между двумя шероховатыми телами с массами m₁ (измельчающая среда) и m₂ (масса измельчительной трубы), массовыми моментами инерции Θ₁ и Θ₂, а также центрами тяжести {х₁, y₁} и {x₂, y₂} в точке воздействия, можно с помощью начальных скоростей двух сторон воздействия вычислить относительную скорость скольжения

Gt=G₁₀ +GT+kN (1)
и относительную скорость сжатия

Кt=K₁₀+kТ +hN (2)
в любой момент времени t с временем воздействия в интервале {t₀≤ t≤t_E} в зависимости от нормального воздействия N и воздействия трения Т (G₁₀, К₁₀ – относительное скольжение и скорость сжатия в точке удара во время t₀ = t_A). Проблема состоит в дважды стереодинамической неопределенности, поскольку Т и N не могут быть определены непосредственно. Если уравнения (1) и (2) представлены в виде матрицы

то

и

являются компонентами обратного массового распределения тензора М^-1_p. В итоге уравнение диссипации энергии будет иметь следующий вид:

Здесь,

и

так что уравнение (7) принимают вид:

Для общего случая k≠0 было проведено принципиальное преобразование для уравнений (7) и (11) в плоскости T-N с целью определения двух собственных значений и собственных векторов [12]. Тематические исследования и соответствующие формулы для нормального воздействия N и воздействия трения Т приведены в работе [12]. N и Т включают скорости помольной трубы v_0r и v_0ψ, а также помольной среды v_1r и v_1ψ согласно кинематической модели эксцентриковой вибрационной мельницы, представленной в работе [10].

Проблема решения – двойная стереодинамическая неопределенность, поскольку для расчета четырех неизвестных K, G, N и Т доступны только два уравнения воздействия. Вместе с начальными условиями кинематической модели – начало времени воздействия t_A и сдвиг фазы α (t_A и α, измеряются количественно), а также применяя закон Кулона для сухого трения (коэффициент трения скольжения μ, измеряется количественно) с учетом влияния гипотезы Ньютона (число воздействия е, измеряемая величина), можно сделать эту проблему воздействия стереодинамически определенной.

Полное рассеивание энергии ΔE(ψ) можно определить для любого положения ψ на облицовке помольной трубы, как функцию нормального воздействия и воздействия трения в форме диаграмм рассеивания энергии [12]. Математически, диаграмма рассеивания энергии – эллиптический параболоид, позволяющий графически представить энергетические преобразования за время воздействия.

С помощью рассеивания энергии в помольной камере ΔE_MK в зависимости от длины МК и с помощью энергетических потерь в подшипниках на холостом ходу ΔE_L1 и в холостом режиме ΔE_L2, энергопотребление эксцентриковой вибрационной мельницы может быть определено при заданной общей эффективности η. Если неуравновешенные двигатели непосредственно присоединены к помольной трубе, потери в опорных элементах не учитываются, так как потребляемая мощность зависит только от подвода энергии на диссипацию в соответствующих камерах измельчения, длины соответствующего МК, диаметра среды помола, круговой частоты ω дебаланса, длины L трубы измельчения и общей эффективности η:

Механическая модель проверялась путем измерения мощности или удельных энергетических расходов при испытаниях или в условиях эксплуатации. Энергетический баланс эксцентричной вибрационной мельницы завершает эту механическую модель.

4. Линейка продукции

Siebtechnik разработал линейку продукции для этой эксцентриковой вибрационной мельницы с помольными трубами диаметром от 253 до 830 мм [13]. На рис. 6 показана конструкция мельницы.

 

Рис. 6 – Общие виды эксцентриковой вибрационной мельницы:

D – диаметр помольной трубы; L – длина помольнй трубы;

L_M – длина машины; B – ширина машины; H – высота машины.

 

Максимальный диаметр трубы 830 мм для этой мельницы значительно выше, чем максимальный диаметр для обычных вибрационных мельниц (650 мм). Мельница имеет компактную конструкцию и не требует дорогостоящих фундаментов. Благодаря модульной конструкции длина пути измельчения может быть уменьшена или увеличина. Рис. 7 показывает связь модулей. Модули соединены между собой посредством фланцевых подшипниковых блоков или их объединяют с помощью несбалансированных двигателей, которые соединяются друг с другом при помощи карданных валов. При обслуживании мельницы время простоев сведено к минимуму. Облицовка помольной трубы состоит из нескольких элементов, что позволяет производить ее частичную замену. Это особенно практично, учитывая большой износ в зоне подачи.

 

Рис. 7 – Модульное исполнение эксцентриковой вибрационной мельницы.

 

Материал в эксцентриковую вибрационную мельницу подается через сотовое колесо шлюза и выводится через щелевой диск с переменным свободным поперечным сечением. На рис. 8а, б показаны серийные эксцентриковые вибромельницы 506-2ks и 656-2ks в условиях эксплуатации. Шары и стержни используются в качестве мелющих тел. Облицовка и мелющие тела изготавливаются из керамики в целях снижения загрязнения помола. А двойная конструкция кожуха обеспечивает возможность термостатирования мельницы.

 

Рис. 8 – Эксцентриковая вибрационная мельница:

а) тип ESM 506-2ks; б) тип ESM 656-2ks.

 

5. Оперативные результаты

Эксцентриковая вибрационная мельница доступна на рынке в течение примерно 4 лет, что позволило собрать огромное число опытных данных. С одной стороны они заменили обычные вибрационный трубные мельницы, а с другой – были разработаны новые области применения.

Области применения включают: смолы пигментной промышленности, промышленность нерудных полезных ископаемых, стали и железо металлургической промышленности, а также перерабатывающая промышленность. Особый интерес представляет возможность использования этой технологии для производства металлических порошков, область применения которых, до сегодняшнего дня, широко не развита. Стали очевидны следующие преимущества по сравнению с другими конкурирующими машинами:

снижение удельного расхода электроэнергии до 50%,

увеличение производительности в два раза,

безразличие к размерам зерна в питании до 40 мм,

низкие капиталовложения и расходы на техническое обслуживание.

Для эксцентриковой вибрационной мельницы 656-2ks производительность может быть увеличена с коэффициентом 2 или в половину снижен объем камеры измельчения. Одновременно, удельный расход энергии снижается приблизительно на 40% [14].

Дальнейшее сравнение результатов работы эксцентриковых вибромельниц и трехтрубных или двухтрубных вибрационных мельниц позволили установить энергопотребление и эффективность процесса вибрационного измельчения [9].

Положение основной зоны износа, как указано в разделе 2 настоящей статьи, проверялось путем измерения износа помольной трубы эксцентриковой вибрационной мельницы типа 656-2ks (рис. 9). Измерялась толщина износа футеровки после измельчения специальной металлосодержащей руды в течение периода времени 1500 ч в области зоны подачи и в середине камеры измельчения. Изнашивание более половины футеровки помольной трубы, в отличие от обычных вибрационных трубчатых мельниц, косвенно объясняет повышенную эффективность рассматриваемого процесса вибрационного измельчения, который, в свою очередь, можно объяснить наиболее благоприятным распределением спектра энергии в эксцентриковой вибрационной мельнице.

 

Рис. 9 – Износ профиля эксцентриковой вибрационной мельницы

типа ESM 656-2ks после 1500 часов работы.

 

На рис. 10а-в показаны примеры характерных линий распределения зерен при измельчении медного порошка, оксида цинка, золы и гравия в мельницах различного размера. Наиболее трудной проблемой здесь является измельчение порошка меди (рис. 10а) для использования в качестве материала катализатора или в качестве составного материала в области электротехники. Цель – производить зерна с пластинчатой структурой. Были использованы измельчительные шары диаметром 10 мм. При использовании шаровых мельниц, для тех же условий измельчения, удельный расход электроэнергии в пять раз выше. Особенностью измельчения оксида цинка (рис. 10в) является то, что исходный материал может иметь температуру до 100°С. Оксид цинка используется в качестве питательных веществ в кормовой промышленности. Помимо увеличения площади поверхности зерен применение эксцентриковой вибрационной мельницы с шарами диаметром 30 мм приводит к механической активации измельчаемого материала. Из-за нарушения кристаллической решетки механическая активация вызывает увеличение скорости растворения в воде от 54%, при обычным измельчении и до 75% – при вибрационном. Отличительным преимуществом эксцентриковой вибрационной мельницы при измельчении гравия (рис. 10в) при помощи стержней (50 мм диаметром), является отсутствие негабаритного материала в измельченном продукте даже в случае высокой производительности. По сравнению с обычными вибрационными мельницами производительность эксцентриковых вибрационных мельниц на 30% больше.

 

Рис. 10 – Гранулометрический состав и удельный расход электроэнергии при измельчении

в эксцентриковой вибрационной мельнице:

а) медный порошок; б) оксид цинка; в) гравий.

 

Заключение

Появление эксцентриковой вибрационной мельницы позволило заменить обычную трубчатую вибрационную мельницу, которая достигла предела своего развития из-за высоких расходов энергии и малой производительности, а также позволило значительно увеличить область применения вибрационного измельчения. Из-за более высоких амплитуд вибрации и отказа от круговых колебаний такие машины могут быть разработаны с диаметрами трубы до 1000 мм. До сих пор пренебрегают преимуществом разнообразия параметров вибрационных мельниц (диаметр трубы и зоны измельчения, степень заполнения средой, форма и частота вибрации, диаметр вибрационной окружности движения в центре масс) и предлагают выбор, главным образом, ударного воздействия и воздействия трением, являющихся уникальными в процессах дробления и измельчения. Как ожидают эксцентриковые вибрационные мельницы заменят шаровые мельницы из-за относительно низких инвестиционных затрат.

Список литературы

1. H. Schubert, Aufbereitung fester mineralischer Rohstoffe, Band I, VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrie, Leipzig, 1989.
2. S. Bernotat, Freiberger Forschungshefte A798, 1989.
3. J. Lowe, Zur Auslegung von Rohrschwingmuhlen fur die trockene Feinstzerkleinerung mineralischer Stoffe, PhD Thesis, Freiberg, 1992.
4. K.–E. Kurrer et al., Analyse von Rohrschwingmuhlen, VDI–Verlag, Dusseldorf, 1992.
5. K.–E. Kurrer, Zur inneren Kinematik und Kinetik von Rohrschwingmuhlen, VDI-Verlag, Dusseldorf, 1986.
6. J.–J. Jeng, Entwicklung eines maschinendynamischen Simulationsmodells zur optimalen Dimensionierung der Rohr–Bzw. Drehkammer Schwingmuhle, PhD Thesis, Clausthal-Zellerfeld, 1991.
7. E. Gock, K.–E. Kurrer, Erzmetall 49 (1996) 435.
8. E. Gock et al., US Patent No. 08r325,837, July 1, 1996.
9. E. Gock, K.–E. Kurrer, Proc. of the 20th Int. Min. Proc. Congr., Vol. 2, Aachen, 1997, p. 272.
10. K.–E. Kurrer, E. Gock, Zement–Kalk–Gips International 50 (1997) 368.
11. K.–E. Kurrer, E. Gock, Aufbereitungs–Technik 27 (1986) 549.
12. K.–E. Kurrer, in: C. Alexandru, G. Go¨dert, U. Go¨rn, R. Parchem, J. Villwock (Eds.), Beitrage zur Mechanik, Festschrift zum 65. Geburtstag von Prof. Dr. Rudolf Trostel, Bibliothek der Technischen Universitat Berlin, Berlin, 1993, p. 148.
13. Siebtechnik, Eccentric vibrating mill (delivery program), Mulheim an der Ruhr, 1996.
14. E. Gock, K.–E. Kurrer, Aufbereitungs-Technik 39 (1998) 106.