Автор: Букина А. С.
Источник: Источник: Матеріали VII науково–практичної конференції «Донбас–2010: Перспективи розвитку очима молодих вчених». Донецьк, 20–23 травня 2014 р.
Букина А. С. Основные направления интенсификации тонкого вибрационного измельчения. В статье рассмотрены основные направления интенсификации процесса тонкого измельчения в вибрационных мельницах. Внимание привлекают конструкции с реализацией переменной скорости движения мелющих тел. В этом отношении наибольший интерес представляет использование полигармониийного неоднородного поля колебаний рабочего органа вибромельницы.
Тонкое измельчение материалов находит широкое использование в строительной, горнорудной, металлургической, пищевой, химической и других отраслях промышленности. Разнообразие типов и типоразмеров мельниц для тонкого измельчения объясняется многообразием обрабатываемых материалов, различиями требований к продуктам измельчения и масштабами соответствующих производств. В настоящее время предъявляются все новые и более высокие требования к продуктам измельчениия, получают развитие энергосберегащие технологиии переработки полезных ископаемых и других материалов, значительно увеличиваются объемы производств с операциями измельчения, возрастает интерес к механоактивации разнообразных твердых минералов и получению материалов с более высокими технологическими свойствами. Эти цели требуют разработки и внедрения более совершенных измельчителей. Для тонкого измельчения наибольшее распространение получили измельчители истирающе–раздавливающего действия (жерновые измельчители, бегуны, катково–тарельчатые мельницы, шаро–кольцевые мельницы, бисерные мельницы), ударного действия (бильные мельницы, шахтные мельницы, дезинтеграторы и дисмембраторы, центробежные мельницы, барабанные мельницы, газоструйные мельницы) и ударно–истирающего действия (вибрационные мельницы, планетарные мельницы, гироскопические мельницы, коллоидные мельницы, виброкавитационные мельницы и др.) [1]. Необходимо отметить, что удельные энергозатраты на сверхтонкое измельчение очень высоки и по разным источникам составляют от 50 кВт*ч/т [2] до 1000 кВт*ч/т [3].
Принцип рациональной организации дробления и измельчения (как следует разрушать материал с наименьшими усилиями и затратами энергии) предусматривает разрушение многокомпонентного материала преимущественно по поверхностям раздела фаз. Практика работы в промышленности виброинерционных машин малых типоразмеров показала, что при их настройке на режим селективной дезинтеграции обеспечивается высокая полнота раскрытия разнородных фаз без переизмельчения материала. Кроме того, применение виброинерционного способа позволило осуществить механическое дробление и измельчение особо прочных материалов, таких как аморфная сталь, эльбор, плавленый электрокорунд, файнштейн, стружка быстрорежущей стали [2].
Таким образом, многочисленные исследования по тонкому измельчению позволяют сделать вывод, что наиболее эффективным средством для получения продукта с гранулометрическим составом –50 мкм при исходном питании крупностью 2…10 мм и относительно небольшой производительности по конечному продукту (до 10 т/ч) является вибрационная мельница [3–7].
Первое упоминание о вибрационном измельчении принадлежит Фастингу, который в 1909 г. высказал предположение о достаточности энергии вибрационного процесса для измельчения разнообразных материалов. Первые вибрационные мельницы были созданы в середине тридцатых годов прошлого века и в настоящее время получили широкое применение в различных отраслях промышленности, как наиболее эффективные устройства для тонкого измельчения материалов. Выпускаемые в настоящее время промышленные вибрационные мельницы по мощности можно разделить на 3 группы: 1) малой мощности (менее 10 кВт); 2) средней мощности (10–100 кВт); 3) большой мощности (100–1000 кВт) [8]. За рубежом получили распространение вибромельницы фирм Siebtechnik GmbH, KND Industrieanlagen АG, Aubema Maschinenfabrik GmbH, KHD Humboldt Wedag AG, Ratzinger, Gammerler (ФРГ), KHI (Япония), Podmore–Boulton (Великобритания), Allis–Chalmers (США). Созданы уникальные вибрационные мельницы мощностью свыше 1000 кВт [8].
Применение вибрационных мельниц, по сравнению с другими типами мельниц, позволяет уменьшить расход электроэнергии, повысить производительность, уменьшить износ помольных тел и помольной трубы, использовать помольные тела из различных материалов, достичь высокой тонины помола, получить более чистый конечный продукт, осуществлять процесс измельчения в вакууме, инертной среде, при разных температурах [9].
Вибрационные мельницы чаще всего снабжаются центробежным (дебалансным) вибровозбудителем. В зависимости от расположения помольной камеры в пространстве все вибромельницы разделяют на горизонтальные, вертикальные и наклонные. В горизонтальных мельницах измельчение материала происходит в результате ударного и истирающего воздействия мелющих тел. Поэтому при измельчении прочных и абразивных материалов в продукте измельчения может содержаться значительное количество примесей от намола тел измельчения и футеровки. В вертикальных мельницах преобладает ударный характер контактирования мелющих тел, а истирающее воздействие минимальное [10, 11]. В свою очередь, организовать непрерывный процесс измельчения в горизонтальных вибромельницах проще, чем в вертикальных. Кроме того, по возможности вращения рабочего органа все вибромельницы могут быть разделены на две группы: мельницы с неподвижной помольной камерой и мельницы с вращающейся камерой. Несмотря на очевидные достоинства вибрационных мельниц с вращающейся камерой, техническая реализация отдельных элементов и конструкции мельницы в целом сталкивается со значительными трудностями [12].
В наиболее простой инерционной горизонтальной вибромельнице при вращении приводного вала помольная труба вибрационной мельницы с помольными телами (шарами) и измельчаемым материалом приводится в гармоническое колебательное движение по траектории, близкой к круговой. Поле траекторий всех точек помольной трубы – однородное, поскольку указанные траектории имеют одинаковую форму и одинаковые параметры. Движение шаров в вибрационной мельнице происходит в сторону, противоположную вращению вибровозбудителя. Измельчаемый материал перемещается вдоль корпуса по сложной спирали. При этом шары измельчают материал в результате ударов и истирания.
Круговая циркуляция помольных тел, возникающая за счет однородного кругового или эллиптического поля траекторий движения корпуса помольной трубы, не создает достаточно интенсивного перемешивания помольных тел и измельчаемого материала. Вследствие этого образуются застойные зоны, происходит сегрегация помольных тел и измельчаемого материала, что является существенным недостатком вибрационных мельниц указанного типа. Сегрегация заключается в том, что крупные помольные тела накапливаются в верхней части помольной камеры, а мелкие и измельчаемый материал опускаются вниз. Это резко снижает эффект вибрационного действия помольных тел на измельчаемый материал и эффективность вибрационного измельчения.
Интенсификация процесса тонкого измельчения может идти по ряду направлений, одним из которых является реализация в конструкциях вибромельниц горизонтального типа двумерных и трехмерных сложных колебаний, возбуждающих переменную скорость движения мелющих тел [13], использование мельниц с нетрадиционной формой рабочей камеры. Эти инновации позволяют «турбулизировать» движение загрузки, вовлечь в процесс т.н. малоподвижное ядро, и, в конечном итоге, значительно снизить энергозатраты процесса измельчения.
Так, например, в ФРГ разработана конструкция вибрационной горизонтальной мельницы с неоднородным полем колебаний рабочего органа за счет возбуждения гармонических колебаний внецентренно установленным дебалансным вибровозбудителем [14]. Благодаря существенным технологическим преимуществам, по сравнению с центрированными системами [15], эта вибромельница получила широкое распространение при измельчении разнообразных материалов и послужила основой для производства практически аналогичных машин во многих странах мира.
Следует отметить, что в последние годы экспериментальными исследованиями установлено и промышленной практикой подтверждено, что полигармонический состав рабочего воздействия на обрабатываемый технологический продукт существенно более эффективен, чем простой гармонический. Чем богаче спектральный состав используемых вибрационных воздействий, тем выше достоверность формирования в структурах обрабатываемой среды высокоэффективных резонансных и близких к резонансным режимам перемещений и деформаций, и тем шире обхват активного объема [16].
Однако в результате сложности формирований поличастотних режимов колебаний на данном этапе развития вибрационной техники, в качестве достаточно простого, но эффективного решения могут быть успешно использованы бигармонические режимы работы.
Таким образом, исследования, способствующие созданию новых конструкций вибромельниц, интенсифицирующих тонкое измельчение разнообразных материалов, носят актуальный характер.
Выводы: Среди основных направлений по интенсификации процесса тонкого измельчения в вибрационных мельницах необходимо выделить конструкции с реализацией переменной скорости движения мелющих тел в поперечном сечении помольной трубы. Целесообразно обеспечить условие достижения максимума касательных и нормальных напряжений в месте контакта мелющих тел с измельчаемым материалом. В этом отношении наибольший интерес представляет использование полигармонического неоднородного поля колебаний рабочего органа вибромельницы.