Конструктивные особенности вибрационных и струйных мельниц

Введение

Измельчение является одним из основных процессов обогащения полезных ископаемых и широко используется в различных отраслях промышленности – от производства сельскохозяйственной продукции до выпуска строительных материалов. Несмотря на стремительное развитие информационных технологий, механическое измельчение не утратило своего значения. Тонкое измельчение является основой производственного процесса во многих отраслях: пищевой, химической, металлургической, горнорудной и многих других. Различные свойства измельчаемого материала, дисперсность конечного продукта, отсутствие инородных включений при измельчении оправдывает большое количество и разнообразие измельчителей. На сегодняшний день материалы, измельченные до наночастиц, являются исходным сырьем для производства множества продуктов.
В процессе поиска оптимального метода измельчения были разработаны различные способы помола и типы мельниц для каждого из них. Особое место занимают вибрационные и струйные мельницы, которые наиболее эффективны для определенных задач.
В данной работе будут рассмотрены вопросы, которые касаются изучения конструктивных особенностей вибрационных и струйных мельниц.

1 Конструктивные особенности вибрационных мельниц
Вибрационные мельницы представляют собой высокоэффективные агрегаты для тонкого помола самого разнообразного сырья. Это может быть помол и домол портландцементов, известково-кремнеземистых вяжущих, пигментов, утяжелителей для буровых растворов, сырья для лакокрасочной для химической и горнорудной промышленности и т.д. Измельчение в вибрационных мельницах может идти как в периодическом, так и в непрерывном режиме – в некоторых случаях это универсальность очень удобна. Как правило, при опытных помолах измельчение ведут в периодическом режиме. Производственные помолы для достижения максимальной производительности наиболее рационально вести в непрерывном режиме. Вибрационные мельницы могут вести помол как твердых частиц, так и водных суспензий.
В настоящее время существует множество конструкций вибрационных мельниц. Все они разнообразны и имеют конструктивные особенности. Несмотря на многолетний опыт исследования в данной области, определенной систематизации и комплексной классификации вибрационных мельниц не разработано. Скорее всего это связано с многообразием установок. На рисунке 1 представлена систематизированная классификация вибрационных мельниц, разработанная автором.


Рисунок 1 – Классификация вибрационных мельниц [1]

По способу подачи исходного материала вибрационные мельницы подразделяют на два вида:
- непрерывного действия;
- периодического действия [1].
Непрерывный режим используется для измельчения большого количества материалов. При непрерывном процессе загрузка и выгрузка измельчаемого материала происходит циклически без прерывания процесса измельчения. Периодический режим применяют для тонкого измельчения материалов, которые требуются в небольшом количестве, а также для трудно измельчаемых материалов. Периодический процесс измельчения требует больших временных затрат в связи с загрузкой и выгрузкой исходного сырья. Основным недостатком мельниц с периодическим действием является неоднородная крупность частиц измельченного материала. По мере помола продукт продолжает измельчаться, при этом затрудняется и замедляется помол оставшихся более крупных частиц, что приводит к переизмельчению определенной части сырья. Также усиливается нагрев измельчаемого материала и выделение из него влаги. Все это может повлиять на конечное качество сырья, и заданная дисперсность не будет достигнута. Таким образом, вибрационные мельницы непрерывного действия имеют более высокие показатели по производительности и качеству конечного продукта.
В категории конструктивных признаков можно выделить четыре критерия классификации (см. рисунок 2).


Рисунок 2 – Классификация вибрационных мельниц по конструктивным признакам [1]

Рассмотрим их подробнее. По виду камеры вибромельницы делятся на два типа:
- с неподвижной камерой;
- с вибрирующей камерой [1].
В современной промышленности применяют мельницы с вибрирующей камерой, которые в свою очередь бывают двух видов:
- классические (однотрубные);
- двухтрубные (многотрубные) [1].
Классическая конструкция представляет собой камеру, заполненную измельчаемым материалом и специальными мелющими телами различной формы (шары, стержни, валки и т.п.). Среда в камере может быть как газовая, так и жидкая. Содержимое камеры приходит в движение путем динамического вибрационного сотрясения. В результате происходит движение частиц, контакт частиц загрузки приводит к высокому механическому напряжению, как следствие возникает разрушение твердых частиц. Главное достоинство однокорпусных мельниц в относительно простой конструкции при таких параметрах, как мощность 2–5 МВт и радиус траектории 1 см. При этом высокие нагрузки на фундамент, зависимость траектории движения камеры от загрузки и высокая окружная скорость являются значительными недостатками. В 2011 г. В.С. Богдановым была запатентована первая модель вибровращательной мельницы. Совмещение вибрационного и вращательного движений помольной камеры позволило увеличить мощность, сообщаемую загрузке, что интенсифицировало ее движение и способствовало увеличению производительности мельницы и степени измельчения материала. В двухтрубной вибрационной мельнице два барабана связаны в общую конструкцию парой элементов, которые опираются на раму через резиновые амортизаторы. В соединении укреплены подшипники, содержащие приводной вал, параллельный трубам. На валу находятся неуравновешенные грузы. Неподвижный вал приводного электродвигателя и вал мельницы связаны валом-вставкой с двумя эластичными муфтами. Когда происходит вращение вала мельницы, грузы развивают центробежную силу инерции и сообщают круговые колебания всему агрегату. Измельчаемый материал загружается в верхний барабан, затем проходит через решетку во второй на доизмельчение. Барабаны так же, как и в классической конструкции, заполнены мелющими телами. Основным преимуществом таких мельниц являются большой радиус траектории (от 10 см) и меньшая нагрузка на фундамент по сравнению с однокорпусными моделями. Их мощность достигает 10 МВт. В мельнице с неподвижной камерой движение сообщается загрузке специальными вибрирующими поверхностями (пластинами). В свою очередь данные мельницы бывают трех видов:
- с подвижными рабочими поверхностями, расположенными внутри камеры;
- с двумя или более группами рабочих поверхностей, движущихся в противофазе;
- с подвижными рабочими поверхностями, образующими объем, в котором размещена загрузка [1].
Основным недостатком мельниц с неподвижной камерой является ограниченное перемещение материала внутри помольной камеры и нерациональное использование ее объема

. Эти мельницы применяют в технологических процессах с высокими значениями давления и температуры, а также при измельчении токсичных и взрывоопасных веществ.
По устройству барабана вибромельницы подразделяют на:
- камеры с футеровкой;
- мельницы с быстросъемной сменной камерой;
- мельницы с ребрами внутренней поверхности камеры [1].
Изнутри мелющую камеру футеруют нержавеющей марганцовистой сталью или резиной. В современных условиях футеровка для мельниц изготавливается из керамики окиси алюминия, она имеет гладкую поверхность и обеспечивает более частые вращательные движения. Это положительно влияет на тонину помола. Камеры с футеровкой применяются для меньшего износа внутренней поверхности помольной камеры. Футеровка бывает с отверстиями для удаления измельчаемого материала и без них. Бывают случаи, когда выгоднее поменять помольную камеру, чем делать футеровку. Например, когда камера деформируется. Поэтому некоторые фирмы производят вибрационные мельницы с быстросменными камерами. Также существуют мельницы с ребрами на внутренних стенках мелющей камеры, которые образуют препятствия для материалов, что способствует снижению скорости движения загрузки у стенок камеры, сохраняя при этом ее форму на более длительный срок.
По расположению помольных камер вибрационные мельницы делят на три вида:
- вертикальные;
- горизонтальные;
- с наклоном барабана [1].
Вертикальное расположение камер удобно для последовательного соединения конструкции. Это позволяет увеличить путь измельчаемого материала, что непосредственно влияет на тонину помола и увеличивает производительность. Недостатком вертикальной конструкции является слишком быстрое прохождение материала под действием силы тяжести, что приводит к неправильному измельчению (например, неоднородная дисперсность). В свою очередь мельницы с наклоном камеры уменьшают силу тяжести, но все же позволяют ускорить прохождение материала через измельчитель. В горизонтальных мельницах измельчаемый материал равномерно распределяется по всей площади помольной камеры, и эффективно используется весь объем барабана.
По форме камеры вибрационные мельницы делят на три вида:
- цилиндрическая;
- призматическая;
- тороидальная [1].
Практически все запатентованные модели вибрационных мельниц имеют цилиндрическую помольную камеру, которая считается классической. Но в научных работах последних лет встречается упоминание о цилиндрических и тороидальных конструкциях барабана. Развитием тороидальной формы является камера, выполненная в форме спирали, что позволяет увеличить длину пути материала и тем самым уменьшить вероятность появления на выходе недоизмельченного материала.
По типу вибратора вибрационные мельницы делятся на:
- инерционные;
- гирационные [1].
Корпус мельницы инерционного типа получает вибрацию за счет центробежных сил инерции. Они возникают при вращении установленного эксцентрично по отношению к оси вращения дебаланса. Траектория движения корпуса имеет форму эллипса.
В гирационной мельнице корпус совершает круговые качания за счет вращения эксцентрикового вала, к которому прикреплен корпус мельницы. Траектория, по которой движется корпус, является окружность с радиусом, равным эксцентриситету вала. При работе выделяется большое количество тепловой энергии, вследствие чего корпус мельницы нагревается. Для снижения температуры барабан мельницы охлаждают водой. Гирационные мельницы оказывают большое разрушающее воздействие на фундамент и части здания за счет значительных по величине динамических сил, часто меняющих свое направление. В свою очередь инерционные мельницы не требуют специального фундамента и могут быть установлены на обычном полу, так как имеют пружинные опоры и деревянные подкладки.
По сечению помольной камеры вибрационные мельницы делятся на мельницы:
- с круглым сечением;
- с U-образным сечением [1].
Первыми появились камеры с круглым сечением, затем были разработаны камеры с корытным сечением, что облегчало очистку при переходе на обработку другого материала, но и снижало интенсивность процесса в связи со свободным движением загрузки. Со временем эта проблемы была решена путем монтажа дополнительных поверхностей, которые препятствовали свободному расширению загрузки. Количество мелющих тел в камерах с круглым сечением – 75– 85%, с U-образным сечением – 80–90%. В промышленности встречаются оба варианта и принципиальных отличий в качестве и количестве конечного продукта не имеют.
По количеству мелющих тел вибрационные мельницы делятся на два вида:
- с большим количеством мелющих тел;
- с одним или несколькими мелющими телами [1].
Большинство конструкций вибрационных мельниц предусматривает наличие мелющих тел в большом объеме. Масса мелющих тел и их размеры зависят от конструктивных особенностей мельницы и измельчаемого материала. Мелющие тела бывают разной формы и изготавливаются из таких материалов, как сталь, чугун, стекло, фарфор. Чаще всего это стальные шары, но применяются также мелющие тела цилиндрической формы, стержни, валки, трубы. Самыми износостойкими считаются керамические шары, но их применение достаточно дорогостоящее. Некоторые модели вибрационных мельниц предусматривают помол без мелющих тел, так называемое самоизмельчение. Подобная технология подходит к ограниченному числу материалов.
Наибольшая эффективность помола достигается тогда, когда объем межшарового пространства равен объему материала или когда отношение объема шаров к объему материала составляет примерно 5:2.
Существуют конструкции с одним или несколькими мелющими телами, к таким изобретениям можно отнести дисковые вибрационные мельницы. Мелющими телами в такой установке являются ядро и одно или несколько колец. В результате центробежной силы, находящейся в размольном сосуде, мелющие тела ускоряются качательным движением, вследствие чего материал измельчается ударом и трением.
По режиму работы вибромельницы делятся на работающие:
- в резонансном режиме;
- в зарезонансном режиме [1].
На сегодняшний день в производстве чаще всего используются вибрационные мельницы с центробежным приводом, характеризующиеся нерациональным использованием энергии, так как работают в зарезонансном режиме вынужденных колебаний и не удовлетворяют современным требованиям надежности, производительности, экономичности и эффективности