CC BY
258
УДК 621.926
Л. А. Сиваченко, Ю. К. Добровольский
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
UDC 621.926
L. А. Sivachenko, Y. К. Dobrovolsky
HISTORY OF DEVELOPMENT OF GRINDING ENGINEERING AND ITS UP-TO-DATE LEVEL
Аннотация
Рассмотрены предпосылки создания измельчительной техники и показаны тенденции её развития. Приведены достоверные данные создания основных видов дезинтеграторного оборудования и показано, что его основные конструкции за прошедшие 100 лет практически не изменились. Делается вывод о том, что в ближайшее время эту область техники ожидают существенные изменения и будет образован новый рынок машин и оборудования мирового значения.
Ключевые слова:
измельчение, дезинтеграторная техника, разрушение материалов, диспергирование, двигатель, сжатие, удар, износ, рабочий орган, технология, развитие, дробилки, мельницы.
Abstract
The background of creation of disintegration machinery is considered and trends of its development are shown. The paper gives valid data of developing main types of disintegration equipment, and it is shown that its basic designs have actually not changed over the past 100 years. The conclusion is made about revolutionary changes to be expected in this engineering field in the nearest future and about the formation of a new global market of machines and equipment.
Key words:
grinding, disintegration machinery, destruction of materials, dispersion, engine, compression, impact, wear, operating element, technology, development, crushing machines, mills.
Введение
Современные отрасли промышленности характеризуются огромными издержками на реализацию технологических процессов, основанных на измельчении материалов. На эти цели расходуются по разным оценкам от 5 до 10 % всей потребляемой электроэнергии, не менее значимы затраты на эксплуатацию оборудования, КПД которого, например, для мельниц не превышает 1 % [1].
Для оценки современного уровня и перспектив модернизации техники измельчения необходим ретроспектив-
ный анализ её развития.
Предпосылки механизации процессов измельчения
Большую роль в становлении и изначальном развитии техники сыграли часы и мельница, о значении которых К. Маркс писал: « ... две материальные основы, на которых внутри мануфактуры строилась подготовительная работа к машинной индустрии, это - часы и мельница ...» [2]. При этом чисто прикладной основой создания машинного производства являются мельницы.
К. Маркс также писал: «Вся исто-
© Сиваченко Л. А., Добровольский Ю. К., 2012
рия развития машин может быть прослежена на истории развития мукомольных мельниц» [2]. С самого зарождения мельниц для муки рука человека с предметом труда во время его обработки не соприкасалась. В качестве двигательной силы для привода в движение мельниц стало возможным использовать животных, ветер и воду, а принцип освобождения руки человека от прикосновения с предметом труда был перенесен на другие трудовые процессы.
Естественно, что еще с глубокой древности человек использовал в своей практической деятельности большинство известных в настоящее время механических способов разрушения материала - сжатие, истирание, срез, излом, сдвиг, удар, скручивание и др., но для использования этих методов в массовых технологиях им не хватало источников энергии, т. е. двигателя. Справедливости ради следует уточнить, что еще до появления паровой машины уже существовали жернова, бегуны и толчеи.
Поистине революционный скачок совершила техника измельчения в связи с созданием парового двигателя, что способствовало промышленному внедрению первых дробилок в середине XIX в. Параллельно шло наращивание технического потенциала в металлургии, металлообработке, механике, математике, химии, материаловедении. Наибольших успехов добились в этот период в Англии, Германии, Франции, США и в несколько меньшей степени в России. Но, пожалуй, величайшими достижениями этого времени были формирование нового мышления людей и переход на новый технологический уклад.
Начиная с XVIII в., научные достижения и крупные изобретения начинают носить интернациональный характер как в части их использования, что вполне естественно, так и в части создания. Происходит активный перенос полученных результатов из одной области техники в другую, причем их разработчики, как
правило, не связаны друг с другом. Приведем некоторые примеры.
В 1784 г. англичанин Генри Корт получил патент на прокат железа между вальцами, что значительно упростило всю технологию [2] и послужило основой развития прокатного производства. Чуть позже, в 1808 г., вальцы прокатного назначения стали основой создания валковой мельницы [3]. Приводом для этих агрегатов являлись паровые машины.
В 1785 г. шотландец Мейкль разработал конструкцию молотилки для зерна с барабаном с билами [2]. В определенном смысле можно считать, что это был прототип первых молотковых дробилок, появившихся в 1882 г.
На основании обзора научно-технической информации [2] можно утверждать, что в период с конца XVIII в. до 70-х гг. XIX в. были сделаны важнейшие изобретения и открытия, которые, не получив широкого применения в момент своего появления, стали основой, на которой зиждился технический прогресс последующей эпохи. В исторической цепи научно-технического развития звено техники измельчения материалов в своей основе сохранилось до настоящего времени, и потеря ее позиций в обозримом будущем явно не предвидится. Такая ситуация дает все основания выделить дезинтеграторную технику в особую область. Для современной оценки этой сферы производства целесообразно проводить ретроспективный анализ.
На процесс изначального развития дезинтеграторной техники повлияло много факторов, но, пожалуй, первостепенным была электротехническая промышленность. Именно во второй половине XIX в. благодаря электрической энергии стало возможным более рациональное использование природных источников энергии. Электрическая энергия и электрические машины в полном смысле слова совершили революцию в
энергетике и технике и тем самым создали условия для нового колоссального технического прогресса.
Эти и другие сферы деятельности во многом привели к утрате интереса к технике измельчения, которая «застопорилась» в своем развитии. Безусловно, измельчающие машины оснащались новыми электродвигателями, в них использовались износостойкие марганцовистые стали для рабочих органов, их конструкции совершенствовались и постоянно модернизировались, но принцип действия, а значит, и потенциальные возможности оставались на прежнем уровне.
Долгое время сдерживающим фактором было то, что измельчающие машины изготовлялись как отдельные, хоть порой и очень большие, агрегаты, но не создавались как единые технологические комплексы, например, цементные заводы. Главной же причиной их отставания в развитии было то, что их производство не приносило тех прибылей, которые давали электротехника, автомобильная промышленность, энергетика, производство металла, химия. Те производители, которые обосновались на рынке дезинтеграторного оборудования, стали монополистами и не имели серьезной конкуренции.
Конец XIX в. и весь XX в. - важнейший период развития современного естествознания и его практических применений. Достижение в этой области оказало определенное влияние на создание ряда измельчительных машин (струйных, электромагнитных, виброинерционных, электроимпульсных, кави-тационных и др.), но их использование осталось весьма органичным и во многом из-за недостаточного уровня исследований в механике разрушения, материаловедении, реологии. Весьма парадоксально, но факт неоспорим: научно-техническая общественность очень сла-
бо информирована об истинном состоянии сферы дезинтеграторных технологий и реальных возможностях ее перевооружения.
Современная промышленность характеризуется наличием большого количества технологических комплексов, осуществляющих многооперационную переработку материалов. Многократно возросли затраты на дезинтеграторные переделы, объемы переработки достигли колоссальных значений, но орудия труда в составе этих «новейших» производств остались неизменными со времен их первооткрывателей.
Для того чтобы подтвердить правомочность представленных доводов и обоснований, приведем исторические сведения о создании основных видов измельчительного оборудования (рис. 1) и сопоставим их с существующими образцами техники аналогичного назначения [3-7].
Приведенные на рис. 1 сведения о создании основных видов измельчи-тельного оборудования показывают, что 14 из 24 конструкций предложены ранее 1900 г., но они не только используются в производстве до сих пор, но и осуществляют переработку основных объемов материалов. Разработанные в разные периоды ХХ в. другие виды измельчителей (см. рис. 1, схемы 15.24), хоть и создавались с учетом недостатков своих предшественников, но имеют весьма ограниченное применение за редким исключением, например, мельница самоизмельчающая, использующая основные положения шарового измельчения.
Представленная информация позволяет констатировать: современная техника измельчения в основном базируется на принципах действия и конструкциях машин XIX в., которые исчерпали свои возможности и должны быть заменены на новые и более совершенные.
Валковая дробилка
Изобретена в Великобритании (пат. № 063179, 1806 г.). Применена для дробления медных руд на руднике «Краундейд»
Бегуны Известны со средних веков
Щековая дробилка
Изобретена Э. Блеком в 1858 г. (пат. США № 233192, 12 окт. 1880 г.)
Роторная дробилка
Разработана в США В. Л. Давсоном (пат. № 247749, 4 окт. 1881 г.)
5
•о*-::-
Молотковая дробилка
Разработана Уильямсом (пат. США № 268029, 28 нояб. 1882 г.)
Конусная дробилка
Изобретена Гейтсом (пат. США № 122932, 1872 г.). Практическая реализация с 1877 г.
8
Центробежно-ударная дробилка
Роликовая мельница
Изобретена Шранцем в 1870 г. (пат. Германии № 100724)
Рис. 1. Исторические сведения об основных конструкциях машин для измельчения материалов
2
Роликово-маятниковая мельница Изобретена в Германии в 1889 г. (пат. № 121581)
Шаровая мельница
Один из первых вариантов предложен К. Девидсо-ном (пат. Германии № 62871, 1891 г.)
12
Дезинтегратор
Предложен Карром в 1859 г. (пат. Англии № 234075, 24 нояб. 1873 г.)
Жернова Известны со средних веков
13
// | \ V
Ножевая мельница Известна со средних веков
Струйная мельница
Идея использования струи сжатого газа запатентована в 1880 г. фирмой «Фарбениндустри» в Германии (пат. № 135672, 1898 г.)
15
16
О
Мельница самоизмельчения Известна с начала ХХ в.
Вибрационная мельница
Разработана Вайнштейном в 1909 г. во Франции (пат. № 233164)
Продолжение рис. 1 Машиностроение
9
о- — -
Планетарная мельница Применяется с 30-х гг. ХХ в.
18
Конусно-инерционная дробилка
Изобретена в СССР в ВНИПИ Механообработки полезных ископаемых. Активно совершенствуется с 1948 г.
19
20
О
Бисерная мельница Запатентована в США в 1952 г. (пат. № 1873027)
Электрогидравлическая мельница Изобрел Л. А. Юткин в 1950 г.
21
_ _ Амортизатор
Высоковольтные импульсы
' ^ II /V- . у^мстота ло .<0 Гц
-О" 1
Зазеютенш
Электроимпульсная мельница Известна с 60-х гг. ХХ в.
ч/
/ *
Л в
ИШШУ^
Электромагнитная мельница Предложена в СССР в 60-х гг. ХХ в.
23
Г=1
24
Пружинная мельница
Изобретена Л. А. Сиваченко (а. с. № 903131 СССР, 1980 г.)
Башенная мельница Разработана фирмой «Аллис Минерал Систем» (США, 1979 г.)
Окончание рис. 1 Машиностроение
Современный уровень развития
Сопоставив конструкции измель-чительных машин, приведенные на рис. 1, с современными [1, 5-7], нужно отметить, что основная часть машин (прежде всего схемы 1.15) построена на одних конструктивных признаках и существенных отличий не имеет.
В ходе сменяемости поколений техники на протяжении последних ста лет прослеживается влияние одного очень важного фактора, диктующего условия прогресса, - фактора надежности оборудования. Именно соображениями надежности объясняется, что барабан как основная конструкция машины для разрушения постепенно вытеснял все остальные конструктивные варианты дробилок и мельниц. Действительно, уже в четвертом поколении техники все операции дробления и измельчения, за исключением лишь крупного дробления, осуществляются с помощью барабанных мельниц. Пятое поколение продолжает эту тенденцию. Достигнуть уменьшения крупности измельчения, увеличения производительности и одновременно снижения габаритов машин пытаются за счет повышения энергонапряженности рабочего пространства барабана. Действие гравитационного поля пытаются усилить действием центробежных вибрационных полей, а также дополнительными механическими воздействиями [1, 8].
Важнейшим фактором, определяющим надежность оборудования, является износ измельчительной гарнитуры. Именно по этой причине были созданы измельчители, обладающие большой износной массой, как, например, плиты щековых дробилок, или измельчающая среда сформирована засыпкой большого количества мелющих тел, например, для шаровых мельниц [1, 5].
За более чем 100 лет промышленной эксплуатации измельчительных машин их конструкции сколь-нибудь значительных изменений не претерпели. Соответственно, не произошло значи-
тельной интенсификации их рабочих процессов. При этом не было повышения эффективности. Отсутствие фундаментальных обобщений механизмов разрушения твердых тел не позволяет в необходимой степени обеспечить измельчения, заложенного в природе материала [1, 9, 10].
Сложившаяся ситуация характеризуется тем, что базовые конструкции агрегатов для измельчения материалов с момента их создания принципиально не изменились. Основные нововведения в этой области за последние 150 лет связаны с многократным увеличением объемов перерабатываемых материалов, повышением степени измельчения и расширением номенклатуры подвергаемых обработке продуктов. Ситуация особенно осложняется тем, что в технологический оборот вовлекаются все новые материалы, с большим набором физико-механических свойств, а аппаратурная база остается без существенных изменений. Это приводит к огромным энергетическим и материальным издержкам и не позволяет использовать в полной мере потенциальные возможности перерабатываемых материалов [9-11].
На этом фоне новые виды измель-чительных аппаратов используются в основном в малотоннажных производствах и весьма ограниченно, что выглядит скорее архаично и еще более подчеркивает монополизм традиционных технологических агрегатов.
Кардинальные сдвиги в развитии техники измельчения невозможны без перехода к новому физическому принципу организации процессов дезинтеграции. Получение новых знаний в этой области приведет к качественному скачку в эффективности производства. Как правило, это обусловлено крупными научными открытиями и инженерными разработками в технике и технологиях измельчения материалов [12].
Заключение
Существенные сдвиги в развитии дезинтеграторных технологий произойдут только в том случае, если будет полная уверенность не только в их необходимости, но и, главное, - осуществимости. И если в первой части проблемы ни у кого нет сомнений, то вторая ее часть, напротив, почти у всех вызывает скепсис, основанием которому служит
ряд утвердившихся гипотез, отрицающих саму возможность.
Авторы ставили своей целью с исторической объективностью показать этапы развития измельчительной техники, сопоставить ее исходный и современный уровни и в очередной раз озвучить проблему и необходимость модернизации дезинтеграторных технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Селективное разрушение материалов / В. И. Ревнивцев [и др.]. - М. : Недра, 1988. - 386 с.
2. История техники / А. А. Зворыкин [и др.]. - М. : Изд-во соц.-экон. лит-ры, 1962. - 772 с.
3. Промышленность и техника : энцикл. промышленных знаний. Т. 4 : Обработка камней и земель. Технология химических производств / Под ред. А. А. Байкова. - СПб. : Просвещение, 1896. - 1230 с.
4. Горная энциклопедия / Под ред. Е. А. Козловского. - М. : Совет. энцикл., 1984. - 1991 с.
5. Клушанцев, Б. В. Дробилки. Конструкция, расчёт, особенности эксплуатации / Б. В. Клушан-цев, А. И. Косарев, Ю. А. Муйземник. - М. : Машиностроение, 1990. - 320 с.
6. Сиваченко, Л. А. Дезинтеграторные технологии, их техническая обеспеченность и перспективы развития / Л. А. Сиваченко, Д. В. Титов, Т. Л. Сиваченко // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов : межвузов. сб. ст. - Белгород : БГТУ, 2009. - С. 228-233.
7. Сравнение различных типов измельчителей : материалы I Междунар. науч.-техн. конф. / Под ред. П. Ф. Овчинникова. - Одесса : ОВИМУ, 1993. - Ч. 1. - 130 с.
8. Вайцехович, П. Е. Интенсификация и моделирование процессов диспергирования в поле инерционных сил / П. Е. Вайцехович. - Минск : БГТУ, 2008. - 220 с.
9. Хайнике, Г. Трибохимия / Г. Хайнике. - М. : Мир, 1987. - 584 с.
10. Сиваченко, Л. А. Технологическая концепция современной промышленной революции / Л. А. Сиваченко // Вестн. БГТУ им. В. Г. Шухова. - 2007. - № 1. - С. 94-102.
11. Технологические аппараты адаптивного действия / Л. А. Сиваченко [и др.]. - Минск : БГУ, 2008. - 375 с.
12. О создании межотраслевых научно-технических комплексов (МНТК) : Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР, 12 дек. 1985 г., № 1230 // Консультант Плюс : Беларусь [Электронный ресурс] / ЮрСпектр, Нац. центр правовой информ. Респ. Беларусь. - М., 1985.
Леонид Александрович Сиваченко, д-р техн. Тел.: +375-447-92-86-83. E-mail: [email protected]. Юрий Константинович Добровольский,
Тел.: +375-291-57-71-70.
Статья сдана в редакцию 28 июня 2012 года наук, проф., Белорусско-Российский университет. студент, Белорусско-Российский университет.
Leonid Aleksandrovich Sivachenko, DSc (Engineering), Prof., Belarusian-Russian University. Tel.: +375-447-92-86-83. E-mail: [email protected].
Yury Konstantinovich Dobrovolsky, student, Belarusian-Russian University. Tel.: +375-291-57-71-70.
