CC BY
103УДК 532.525.2 DOI: 10.6060^.2019633.9
ДВУХСТАДИЙНОЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ, КАК НАИБОЛЕЕ ЭКОНОМИЧЕСКИ ВЫГОДНЫЙ ВАРИАНТ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА СВЕРХТОНКОГО ПОМОЛА ТВЕРДЫХ
МАТЕРИАЛОВ
И. В. Постникова
ИРИНА ВИКТОРОВНА ПОСТНИКОВА - кандидат технических наук, доцент кафедры Машин и аппаратов химических производств Ивановского государственного химико-технологическогоуниверситета. E-mail: [email protected].
15300, Россия, Иваново, пр. Шереметевский, д. 7, Ивановский государственный химико-технологический университет (ИГХТУ).
Представлена схема сверхтонкого измельчения, являющаяся, по мнению авторов, наиболее экономически выгодным вариантом в случае измельчения особо твердых материалов и материалов с высоким значением величины поверхностной энергии.
Ключевые слова: сверхтонкое измельчение, твердый материал, напряжения, импульс.
TWO-STAGE GRINDING AS THE MOST COST-EFFECTIVE OPTION FOR ORGANIZING THE PROCESS OF ULTRAFINE GRINDING OF SOLID MATERIALS
I. V. Postnikova
7, Sheremetievskiy Avenue, Ivanovo, 153000, Russia. Ivanovo State University of Chemistry and Technology
The paper presents a scheme of ultrafine grinding, which, according to the authors, is the most cost-effective option in the case of grinding particularly hard materials and materials with a high value of the surface energy.
Keywords: ultrafine grinding, solid material, stresses, impulse.
Введение
В настоящее время все большую актуальность в различных отраслях промышленности приобретают сверхтонкие порошковые материалы, т.е. порошки с размером частиц < 10 мкм. Порошки такой дисперсности нужны, например, в производстве консистентных смазок на основе графита, а также в порошковой металлургии для получения конечных изделий с надлежащими физико-меха-
ническими свойствами в производстве пигментов и красок, а также при обработке материалов с высокой удельной энергией поверхности, каковым является феррит стронция, служащий для производства постоянных магнитов и требующий высокую тонину помола (90 %, ~1 мкм).
В то же время получение тонкодисперсных материалов (с размером частиц от 1 мм до 1 мкм) является достаточно сложной задачей по причине резкого повышения прочности частиц по мере умень-
шения их размеров, так как отмечено, что при достижении размеров частиц равных размеру первичных кристаллов, их прочность возрастает в сотни раз по сравнению, например, с прочностью частиц миллиметровых размеров.
Удельные затраты энергии на тонну получаемой продукции очень сильно зависят как от линейного размера частиц получаемого продукта, так и от способа подвода механической энергии к измельчаемым материалам (вида нагружения), особенно при тонком и сверхтонком измельчении.
По этому признаку все мельницы можно разбить на три группы:
1. Мельницы с низкой скоростью деформирования с преимущественным нагружением раздавливанием, истиранием и низкоскоростным ударом, (шаровые, стержневые, бегуны, шарокольцевые, центробежные с раздавливающими роликами);
2. Мельницы со средней скоростью деформации, разрушающие частицы, в основном, стесненным ударом небольшой скорости и истиранием (вибрационные, магнитно-вихревые, центробеж-но-планетарные);
3. Мельницы с высокой скоростью нагруже-ния, измельчающие материалы преимущественно свободным или стесненным ударом (ударно-отражательного действия и ударные мельницы, дезинтеграторы и дисмембраторы, молотковые, роторные и струйные мельницы).
В отдельную группу необходимо отнести мельницы мокрого помола, в которых интенсификация процесса измельчения осуществляется с использованием раскалывающего эффекта Ребинде-ра П.А.
Использование механической активации является одним из наиболее перспективных методов получения принципиально новых материалов с требуемыми свойствами. При этом механическая активация может выступать как вариант технологии изготовления и как способ подготовки и модификации исходного сырья.
1. Центробежно-планетарные мельницы
Центробежно-планетарные мельницы больше известны как измельчители лабораторного типа с большим центробежным ускорением. В измельчителях этого типа барабаны с шарами и измельчаемым материалом совершают два вращения: вокруг оси барабана и вокруг оси вала привода.
В настоящее время известны центробежно-планетарные мельницы с двумя, тремя и четырьмя барабанами. В зависимости от режимов планетарного движения барабанов измельчение может осуществляться как за счет раздавливания и истира-
ния частиц, так и за счет ударного и истирающего воздействия шаров. В работающих машинах развиваются большие ускорения центробежных сил, за счет чего скорости измельчения в этих мельницах очень высокие.
Сейчас выпускаются серийные центробежно-планетарные машины с тремя барабанами и производительностью до 5,5 т/ч [2], что свидетельствует о хороших перспективах развития мельниц этого типа.
К недостаткам машин необходимо отнести большой износ измельчающих шаров и стенок корпуса, загрязнение измельчаемых материалов продуктами износа, сложность и малая механическая надежность конструкции при больших производи-тельностях.
2. Мельницы ударного и ударно-отражательного действия
Мельницы ударного и ударно-отражательного действия подразделяются на две большие подгруппы:
- мельницы, в которых высокоскоростное ударное нагружение измельченные частицы получают от вращающихся молотков, ударных элементов или бил;
- мельницы струйной энергии, в которых измельчаемые частицы разгоняются до высоких скоростей (более 150 - 300 м/с) сжатым газом или паром и сталкиваются друг с другом.
К недостаткам измельчителей первой подгруппы необходимо отнести быстрый износ рабочих органов: молотков, бил, ударных элементов при измельчении твердых материалов.
Все они могут быть по реализации процесса внутренней сепарации измельчаемых частиц подразделены на две группы:
- мельницы ударного и ударно-отражательного типа без развитой внутренней сепарации;
- мельницы с развитой внутренней сепарацией. В свою очередь, мельницы струйной энергии,
или чаще их называют струйные мельницы, по конструктивному оформлению камеры измельчения и способу разгона измельчаемых частиц до высоких скоростей подразделяются на четыре группы:
- противоточные струйные мельницы;
- О-образные или кольцевые струйные мельницы;
- мельницы с плоской размольной камерой;
- струйные измельчители с псевдоожиженным слоем.
Исследованиями, проведенными в ИГХТУ [3] показано, что критическая скорость ударного на-гружения зависит от прочности измельчаемых частиц и их размера, причем при уменьшении линей-
ного размера критическая скорость существенно возрастает. Под критической скоростью понимается такая скорость удара, при которой 50 % частиц данного размера разрушаются.
Поэтому не случайно появилась целая серия многоступенчатых мельниц ИГХТУ [4, 5] ударно-отражательного действия, у которых по мере уменьшения линейных размеров измельчаемых частиц скорость ударного нагружения увеличивается.
Линейная скорость ударного нагружения на последней ступени измельчения в данной машине поддерживается выше критической для заданного размера частиц продукта, что гарантирует практически 100 % вероятность разрушения частиц с размерами более заданного.
В таблице 1 приведены некоторые технико-экономические показатели мельницы ударно-центробежного действия ИГХТУ.
Даже без развитой внутренней сепарации в подобных мельницах возможно достичь высокой степени измельчения / = 50 - более 250 при малых удельных энергозатратах.
Еще более высокие технико-экономические показатели имеют многоступенчатые мельницы ударно-отражательного действия ИГХТУ с развитой внутренней сепарацией измельчаемых частиц. В подобных машинах выгрузочный патрубок готового продукта смещается либо в центр крышки, либо к центру от отбойников на определенное расстояние.
3. Струйные мельницы
Производительность работающих в России струйных мельниц типа СП составляет 5030000 кг/ч.
К недостаткам противоточных струйных мельниц по сравнению со струйными мельницами других конструкций необходимо отнести то, что крупность конечного продукта определяется эффективностью работы центробежного сепаратора, который, как показывает практика, не идеален, в связи с чем наблюдается проскок крупных частиц в готовый материал.
В ИГХТУ была разработана струйная мельница, в которой энергия разгоняющихся и сталкивающихся в струях частиц гасилась во взвешенном слое этих же частиц за счет интенсивного их истирания [6-8].
К достоинствам струйных мельниц с псевдоо-жиженным слоем измельчаемых частиц необходимо отнести практически полное отсутствие загрязнения измельчаемого материала, так как футеровка у них практически не изнашивается.
Вторым достоинством этих мельниц по сравнению с другими струйными мельницами является меньший удельный расход энергии и, соответственно, энергоносителя, что, в свою очередь, уменьшает габариты пылеулавливающих устройств.
4. Мельницы мокрого помола
Мельницы с мелющими телами (шаровые, вибрационные и центробежно-планетарные) могут работать как в режиме сухого, так и мокрого измельчения.
Мокрое измельчение имеет свои достоинства и недостатки перед сухим измельчением.
Основные достоинства мокрого тонкого измельчения:
- отсутствие пыления;
- меньшее загрязнение измельчаемых материалов продуктами намола;
Таблица 1
Технико-экономические показатели центробежно-ударных мельниц
Измельчаемый материал Размеры исх. материала, мм Тонина измельчения, мкм Производительность, кг/ч Удельный расход энергии, кВт-ч/т
Мел Менее 8,0 100 % < 10 500 55
Известняк Менее 5,0 100 % < 10 600 60
Мрамор Менее 3,0 100 % < 30 1100 35
Мрамор Менее 3,0 100 % < 8 600 68
Мрамор Менее 3,0 100 % < 2 200 150
Гранит Менее 1,0 100 % < 5 400 55
Кокс Менее 2,0 95 % < 15 700 47
Сахар Менее 3,0 100 % < 8 800 85
Тальк Менее 0,5 100 % < 2 300 98
- возможность более тонкого измельчения в связи с устранением или резким уменьшением процессов агрегирования тонкодисперсных частиц в процессе измельчения с применением ПАВ (поверхностно-активных веществ), приводящих к хорошему смачиванию поверхностей измельчаемых частиц и возникновению эффектов расклинивания микро- и макротрещин (эффектов акад. П.А. Ребиндера);
- возможность измельчения термолабильных (термочувствительных) материалов. Основным недостатком процесса мокрого измельчения является необходимость сушки продуктов измельчения в тех случаях, когда необходимо иметь тонкодисперсные порошки сухими. Сушка является очень энергоемким процессом, требующим, после ее осуществления, реализации процесса дезагрегирования в одной из мельниц ударно-отражательного действия.
Другим недостатком процесса мокрого измельчения может явиться дезактивация поверхностей измельченного материала вследствие сорбции ПАВ или других компонентов жидкостей, в которых осуществляется измельчение. В свою очередь, необходимо отметить, что подобный недостаток часто используют в положительных целях для получения новых композиционных тонкодисперсных материалов, «пришивая» на поверхности частиц в процессе измельчения нужный компонент, так как образующаяся новая поверхность частиц обладает сверхактивными свойствами.
Существующие измельчители в суспензиях можно условно по принципу создания разрушающих напряжений разделить на три группы: бисерные мельницы, коллоидно-кавитационные мельницы и электрогидравлические и магнито-вихре-вые измельчители.
5. Дисковые, коллоидно-кавитационные и роторно-пульсационные мельницы
Дисковые, коллоидно-кавитационные и ротор-но-пульсационные высокоскоростные мельницы или, как их еще называют - диспергаторы, в отличие от бисерных мельниц не имеют мелющих тел и осуществляют тонкое измельчение твердых частиц за счет создания больших сдвиговых напряжений в узком зазоре между вращающимся ротором и статором, а также за счет наложения на действующие сдвиговые напряжения мощных импульсных напряжений при схлопывании на измельчаемых частицах искусственно создаваемых кавитационных пузырьков.
Зазоры между ротором и статором в таких машинах стремятся выполнять как можно меньше
(0,05-1мм), что позволяет получать в суспензии высокие касательные напряжения сдвига (тсд):
(ау
гсД = т
{ аг
где т - вязкость суспензий,
ау
аг
(1)
скорость сдвига;
п - показатель, зависящий от характера течения жидкостей в зазоре.
На рис. 1 представлена схема кавитационно-коллоидной мельницы, являющаяся дальнейшим развитием мельниц МКИ-160. Принципиальным отличием этой мельницы от МКИ-160 является наличие на роторе 4 и статоре 5 большого количества канавок 7 разных размеров и направлений относительно оси вращения. Мельница также имеет ударный элемент 1 для дезагрегации частиц в суспензиях.
Рис. 1. Кавитационно-коллоидная мельница (А.с. № 651841 опубл. 15.03.79 г. Б.И. № 10)
1 - ударное устройство; 2 - выход суспензии; 3 - рубашка охлаждения; 4 - ротор; 5 - статор; 6 - корпус; 7 - канавки; 8 - вал; 9 - вход суспензии; 10 - контрударники
В последние годы стали развиваться роторно-пульсационные аппараты [9], в которых диспергирование мягких материалов в суспензии осуществляется, в основном, за счет схлопывания и пульсаций кавитационных пузырьков.
Специальными конструкциями измельчителей мокрого помола являются магнито-вихревые и электрогидравлические измельчители твердой фазы в суспензии. В первой группе машин измельчение осуществляется мелющими телами в вихревом слое, создаваемом либо магнитными частицами в электромагнитном поле, либо стальными
цилиндриками во вращающемся электромагнитном поле. Подобные измельчители нашли применение в России в процессе приготовления суспензии Са(ОН)2 для очистки вод от ионов тяжелых металлов.
Электрогидравлическое измельчение находится на стадии лабораторных исследований.
6. Двухстадийное измельчение
На основе проведенного анализа мирового опыта в области сверхтонкого помола, а также результатов наших собственных исследований, мы пришли к выводу, что попытка проведения процесса сверхтонкого (~1 мкм) измельчения в одну стадию будет неминуемо сопряжена либо с большим временем обработки материала (бисерные мельницы, шаровые мельницы, вибромельницы), либо с проблемой интенсивного подведения к материалу повышенной энергии (высокоскоростные центробежные мельницы, ПАРТ, кавитацион-но-коллоидные измельчители), что в свою очередь накладывает дополнительные требования к точности сопряжения и механической прочности узлов измельчителя.
В этом случае, логичным решением проблемы представляется двухстадийная схема сверхтонкого измельчения, в которой задачей первой ступени является развитие в частицах материала сложнона-пряженного состояния (механоактивация) в виде сети микро- и макротрещин. Тогда как вторая ступень служит для реализации уже созданных дефектов в измельчаемом материале.
При решении задачи конструктивного оформления стадий, мы предлагаем исходить из следующих соображений:
1) В измельчителе первой ступени должны ре-ализовываться высокие нормальные напряжения и напряжения сдвига.
2) В измельчителе второй ступени должна быть высокой величина импульса, передаваемого частицам материла.
Исходя из этих соображений, в качестве измельчителя первой ступени предлагается использовать:
• валковую мельницу и разной скоростью вращения валков (наличие фрикции) рис. 2. Известно, что сдвиговые усилия в ней (а именно они играют решающую роль в развитии ми-кромакродефектов) достигают значительных величин.
• центробежно-ударную мельницу с внутренней сепарацией.
В качестве измельчителей второй ступени мы использовали две оригинальные разработ-
Рис. 2. Схема измельчения на валках с фрикцией
ки кафедры МАХП ИГХТУ: кавитационно-колло-идный измельчитель и высокоскоростная центро-бежно-ударная мельница с внутренней сепарацией. За счет особенностей конструкций и высоких рабочих скоростей (6-8 тыс. об/мин), в этих машинах реализуется высокоинтенсивное воздействие на обрабатываемый материал со значительным передаваемым импульсом.
Конструкции машин представлены на рис. 3 и рис. 4.
Кавитационно-коллоидная мельница мокрого помола состоит из двух рабочих роторов 4, 5, которые вращаются во взаимопротивоположных направлениях. Роторы посажены на валы 14, 13, располагающиеся в подшипниковом узле 12. Для развития кавитационных явлений на внешнем роторе имеются канавки с внутренней стороны, а на внутреннем роторе с внешней стороны. Суспензия через патрубок 2 в передней крышке 1 попадает в зазор между роторами, который равен приблизительно 1 мм. Течение суспензии в данной мельнице между двумя конусообразными роторами слагается из 2-х наложенных друг на друга движений: 1-ое - чисто вращательное движение относительно оси симметрии мельницы: 2-ое - поступательный перенос жидкости параллельно оси мельницы.
Рис. 3. Кавитационно-коллоидный измельчитель
3 5 2 4
Рис. 4. Мельница с внутренней сепарацией
1 - ротор; 2 - корпус мельницы; 3 - вентилятор с радиальными лопастями; 4 - била ротора; 5 - кольцевой зазор между корпусом мельницы и роторами
Максимальные сдвиговые напряжения, достигаемые при работе данной мельницы, составляют более 18 МПа.
Исходный материал через загрузочный патрубок подается в мельницу, где ударно нагружается за счет бил трех ступеней измельчителя, жестко закрепленных на дисках. Измельчаемый материал после удара билами вторично ударяется об отбойники, отражаясь от них, и за счёт потока воз-
духа частицы перемещаются в осевом направлении, а мелкие частицы увлекаются им в кольцевой зазор, между корпусом мельницы и роторами, на вторую ступень, ротор которой имеет больший диаметр. В связи с увеличением диаметра роторов второй и, соответственно, третьей ступеней скорости ударного нагружения возрастают, за счёт чего удаётся разрушить остающиеся крупные частицы и частицы средних размеров. Для увеличения производительности по продукту, расхода и напора воздуха в корпусе измельчителя установлен вентилятор с радиальными лопастями.
На кафедре «Машины и аппараты химических производств» ИГХТУ была проведена серия исследований процесса тонкого измельчения феррито-стронциевого порошка. В настоящее время сверхтонкое измельчение ферромагнитных порошков осуществляется в атритторах периодического действия с большим временем пребывания материала.
Для получения готового продукта нами были предложены три принципиальные схемы измельчения: так называемым «сухим способом» (рис. 5), способом «мокрого» тонкого помола (рис. 6) и комбинированным способом.
Предложена и реализована также комбинация этих двух способов с последовательным измельчением исходного порошка в центробежной ударной мельнице, а затем в кавитационно-коллоид-ной машине.
Полученные в результате измельчения порошки феррита стронция анализировались с помощью
Рис. 5. Принципиальная схема сухого измельчения ферритстронциевых магнитов
1 - бункер исходного порошка; 2 - высокоскоростная центробежно-ударная мельница; 3 - циклон-осадитель;
4 - рукавный фильтр; 5 - шлюзовые затворы
Рис. 6. Принципиальная схема мокрого помола ферритстронциевого порошка
1 - бункер исходной суспензии; 2 - лабораторная кавитационная мельница; 3 - сборник продукта
прибора «Анализетте-22» и на электронном микроскопе.
Анализ грансостава порошков проводился также с помощью электронного микроскопа ЭМВ-100Л (ускоряющее напряжение 50 кВ, разрешение 3А). С помощью ультразвукового диспергатора УЗДМ -А была получена суспензия порошка в воде (в течение 30 с) при частоте излучения 22 кГц.
Заключение
Таким образом, можно сделать вывод, что двух-стадийная схема измельчения актуальна не только с точки зрения выигрыша по времени обработки и энергозатратам. Экспериментальные исследования показали, что комбинирование мельницы ударно-отражательного действия и коллоидно-кавитационного измельчителя - единственно возможный способ при измельчении особо прочных
материалов, а также при получении материалов с высокой удельной энергией поверхности, каковым, например, является феррит стронция, служащий для производства постоянных магнитов и требующий высокую тонину помола (90 %, ~1 мкм).
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 19-03-00787.
Литература
1. Каталог Оборудование для тонкого измельчения, ЦИНТИхимнефтемаш. 1985.
2. Углеразмольное, рудоразмольное и пылепригото-вительное оборудование: отраслевой каталог. - М.: НИИ экономики в энергетическом машиностроении. 1986. 161 с.
3. Блиничев В.Н. Разработка оборудования и методов его расчета для интенсификации процессов тонкого измельчения материалов и химической реакции в твердых телах. - дисс. на соиск. уч. ст. доктора техн. наук. Иваново. 1975. 318 с.
4. А.с. № 671839 по заявке Б.И. № 23. 1979 г. Центробежная ударная мельница. Блиничев В.Н., Гуюм-джян П.П., Воскресенский А.Н., Клочков Н.В.
5. А.с. № 874171 по заявке № 2744994 Опубл.Б.И. № 39, 1981 г. Мельница для измельчения сыпучих материалов. Блиничев В.Н., Лапшин В.В., Богородский А.В., Шигина Г.Г.).
6. А.с. № 1082483 Способ измельчения зернистого материала, Смирнов Н.Ю., Блиничев В.Н., Афонин С.Б. и др. Б.И. № 12. 1984.
7. А.с. № 1721890 Противоточная струйная мельница, Колобердин В.И., Блиничев В.Н., Афонин С.Б., Постникова И.В. и др. 1990.
8. А.с. № 1823229 Способ измельчения минерального сырья, Колобердин В.И., Блиничев В.Н., Афонин С.Б., Постникова И.В. и др. Б.И. № 10. 1992.
9. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа. Теория и практика. М.: Машиностроение-1. 2001. 300 с.
