CC BY
29
УДК 622.23.05+67.01 Иванчик Николай Николаевич,
аспирант кафедры машиностроительных технологий и материалов, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. 89500952880, e-mail: nikolayivanchik@gmail.com Лебедев Николай Валентинович, ведущий научный сотрудник отдела лазерной физики ФТИ, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
тел. 8-3952-723-989, e-mail: leniv@istu.edu Кондратьев Виктор Викторович, к. т. н., начальник отдела инновационных технологий ФТИ, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
тел. 89025687702, e-mail: kvv@istu.edu
КОНУСНЫЙ УДАРНЫЙ ИСТИРАЮЩИЙ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬ МАТЕРИАЛОВ
И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕХАНИЗМЫ
N. N. Ivanchik, N. V. Lebedev, V. V. Kondratiev
CONICAL ABRASIVE HAMMER MATERIALS CRUSHER AND APPLIED MECHANISMS
Аннотация. В данной работе рассмотрены существующие способы измельчения материалов и механизмы, применяемые при этом. Предложен новый принцип, а также описывается изобретение, относящееся к устройствам, предназначенным для измельчения материалов с разнообразными физическими свойствами: хрупких, упруго-пластичных и т. п., различной прочности - от слабых (типа талька) до особо прочных (кварц, корунд). Основное применение - измельчение как горных пород различного минерального состава, в том числе меняющих свои механические свойства (в зависимости от степени измельчения по мере вскрытия зерен минералов), так и мономинеральных и технологических материалов. Конусный ударный истирающий измельчитель позволяет обеспечить высокую степень измельчения, малый абразивный износ рабочих поверхностей и, как следствие, низкую степень заражения измельчаемого материала.
Ключевые слова: измельчитель, высокочистые материалы, ударный механизм.
Abstract. This paper describes the existing methods of grinding materials and mechanisms used in the process. A new principle is introduced and an invention is described related to devices designed for grinding materials with different physical properties: brittle, elastic-plastic, etc., different strength - is weak (such as talc) to extra strong (quartz, corundum). The main application grinding rocks of different mineral composition, including minerals changing their mechanical properties (depending on the degree of milling as the mineral grains are opened), and monomineral and technological materials. Cone hammer abrasive crusher ensures a high degree of grinding, low abrasion of working surfaces and, consequently, a low degree of contamination of the crushed material.
Keywords: crusher, high-purity materials, firing mechanism.
Введение
Производство высокочистых материалов всегда сопряжено с рядом трудностей. Зачастую технологический процесс включает в себя этап измельчения прекурсоров, полезных ископаемых и других типов веществ. В зависимости от твердости материалов используются различные виды дробилок, мельниц, в которых рабочие поверхности подвержены высокому абразивному износу. Это ведет к неизбежному загрязнению вещества материалом рабочих поверхностей измельчителя, что в некоторых отраслях промышленности (например, производство электроники, медикаментов) является критичным. В данной статье рассмотрены основные принципы измельчения, используемые в настоящий момент, а также предложен новый принцип и конструкция измельчителя.
Постановка задачи
Изобретение относится к области измельчения в основном горных пород и руд.
Широко известны конусные измельчители (дробилки, мельницы) различного устройства и
действия: с вращающимися соосно, параллельно или с перекрещивающимися осями, вибрационные, инерционные центробежные, с возвратно-поступательным движением дробящего конуса, с продувкой, мокрого измельчения и др. Они являются высокопроизводительными и продуктивными средствами измельчения.
Наиболее близкой к предполагаемому изобретению является вибрационная дробилка, содержащая внутреннее и наружное конусообразные дробящие тела, инерционный вибратор, смонтированный на внутреннем дробящем конусе (а/с 627859).
Однако при измельчении крепких и особо-чистых материалов, например кварца, подобные устройства не защищают измельчаемый материал от загрязнений продуктами износа - материалом дробящих конусов.
Технической задачей данной работы является создание измельчителя минимальной степени загрязнения продуктами износа рабочих поверхностей.
Машиностроение и машиноведение
Поставленная цель достигается тем, что в конусной мельнице внутренний дробящий конус жестко связан с ударной машиной, что позволяет перейти от режима дробления раздавливанием к режиму дробления ударом с повышением энергоэффективности процесса дробления.
При ударном взаимодействии геоматериала (мрамор, гранит и др.) с инструментом существует пороговое значение энергии удара, обеспечивающее объемное разрушение материала с минимальной энергоемкостью. Согласно волновой теории удара, при соударении бойка ударника с наковальней в последней возникает волна напряжения сжатия, которая, перемещаясь по наковальне и корпусу, достигает внутреннего ударного вращающегося конуса и передает импульс сжатия измельчаемому материалу. Эффективность передачи ударных импульсов зависит от состояния измельчаемого сырья в зазоре между рабочими поверхностями в момент удара. Оптимальная передача энергии удара достигается в том случае, если куски измельчаемого сырья плотно контактируют с рабочими поверхностями в момент прихода волны напряжения сжатия. Если такого контакта нет, волна сжатия отражается, не выполняя полезной работы, и хотя она через короткое время возвращается, но теряет часть своей энергии. В твердых и крепких материалах с высоким модулем упругости на границе контакта «рабочие поверхности -порода» возникают большие напряжения сжатия. При достижении критических значений напряжений, превышающих предел прочности измельчаемого материала на давление, происходит разрушение его частиц.
Для обеспечения минимальной степени загрязнения продуктами износа ударная вязкость материала рабочих поверхностей конусов должна превышать ударную вязкость измельчаемого материала.
Применение ударной машины позволяет легко регулировать силу и частоту ударов, значительно уменьшая энергоемкость дробления и оптимизируя процесс размола для конкретного вида сырья, что отличает от традиционных конусных мельниц. Так как при работе ударной машины продольный ход ударного конуса сведен к минимуму и действует только ударный разрушающий импульс на измельчаемый материал, то нет переизмельчения и недоизмельчения. Облегчается эвакуация раздробленного материала из рабочего зазора при отдаче внешнего конуса.
Устройство измельчителя показано на рис. 1. Измельчитель состоит из вращающегося внешнего конуса, имеющего загрузочную воронку, и внутреннего ударного конуса. Вращающийся внешний конус, с цилиндрической (истирающей) и конической (дробящей) рабочими поверхностями, установлен на упругой демпфирующей опоре с возможностью вращения с угловой скоростью м>\. Внутренний ударный вращающийся конус имеет цилиндрический (истирающий) участок и не менее двух конических (дробящих) участков, углы которых подбираются исходя из характеристик измельчаемого материала.
Внутренний ударный вращающийся конус жестко закреплен на корпусе ударной машины, имеющей «затянутый» ударный импульс, и на упругой опоре с возможностью вращения с угловой скоростью ^2.
Наружный конус 1 и внутренний ударный конус 7 с ударной машиной 8 могут быть установлены относительно друг друга следующими способами:
- соосно;
- с параллельным расположением осей вращения;
- с пересекающимися осями вращения.
Данная конструкция рабочих поверхностей
позволяет совместить функции дробления и измельчения.
\м1
Д® мШ
воронка
дробящий конус
Рис. 1. Схема устройства ударного конусного измельчителя
Требуемая крупность измельчения обеспечивается конструктивными размерами и регулировками рабочих зазоров в зависимости от постав-
ленных задач и свойств измельчаемых материалов. При этом определяются требуемые угловые скорости вращения w1 и w2, энергия единичного удара ударной машины и частота единичных ударов /, достаточных для измельчения при минимальном времени контакта измельчаемого материала с рабочими поверхностями. С этой же целью необходимо соблюдать следующие условия, отношение угловых скоростей ^1^2) внутреннего и наружного конусов должно составлять бесконечную непериодическую дробь; частота ударов ударной машины должна быть не кратна частотам вращения конусов - w2) - бесконечная непериодическая дробь).
Наличие вращающихся с разной угловой скоростью измельчающих конусных тел, внутреннего и наружного, имеющих разноугольные конусные измельчающие поверхности, в сочетании с ударной машиной, обладающей «затянутым» ударным импульсом, позволяет создать локальные, малоизносные, постоянно меняющиеся зоны измельчения со сверхвысокой концентрацией энергии. В этих зонах измельчаемый материал испытывает периодические сверхкритические механические воздействия на очень высоких скоростях приложения ударных и истирающих нагрузок, обеспечивающих измельчение в очень короткие временные интервалы и с высокой эффективностью. При соблюдении условий: w1/w2 - бесконечная непериодическая дробь и - w2) -бесконечная непериодическая дробь, исключаются повторные контакты соприкасающихся точек, что позволяет снизить степень заражения за счет равномерного и очень малого износа. В качестве ударной машины могут быть использованы электрические, пневматические, газожидкостные и жидкостные машины, в которых боек, источник ударных нагрузок, совершает удар по наковальне корпуса машины. В момент соударения бойка и наковальни корпуса происходит резкий, высокоскоростной импульс, снижение амплитуды которого происходит замедленно за счет инерции массы корпуса в направлении удара во время возврата бойка (холостой ход). В это же время происходит контакт рабочих поверхностей вращающихся конусов по сложной траектории. В зоне контакта возникают очень высокие нагрузки при углах контакта рабочих поверхностей, стремящихся к нулю.
Конструкция конусного ударного истирающего измельчителя обеспечивает измельчение как в газовой, так и в жидкой среде.
Формула
1. Конусный ударный истирающий измельчитель, включающий внешний вращающийся конус с загрузочной воронкой и установленный в упругой опоре, внутренний вращающийся ударный конус, ударную машину, приводы вращения, станину, раму, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности измельчения особо крепких и абразивных материалов и уменьшения загрязнений измельчаемого сырья продуктами износа рабочих поверхностей конусов внутренний ударный конус жестко связан с ударной машиной, а ударный боек наносит удар по корпусу ударной машины.
2. Измельчитель по пункту 1 , отличающийся тем, что наружный конус может устанавливаться по отношению к внутреннему конусу с ударной машиной соосно, параллельно или с перекрещивающимися осями, а отношение угловых скоростей вращения и должно составлять бесконечную непериодическую дробь, также частота ударов ударной машины должна быть не кратна частотам вращения конусов.
3. Измельчитель по пункту 1, отличающийся тем, что вращающиеся внешний конус и внутренний ударный вращающийся конус имеют цилиндрический (истирающий) участок и не менее двух конических (дробящих) участков, углы которых подбираются исходя из характеристик измельчаемого материала.
Все известные аналоги реализуют принципы дробления сжатием, раздавливанием и истиранием без интенсивного ударного воздействия. В то же время известно, что реализация режима измельчения высокоскоростным ударом значительно повышает энергоэффективность процесса измельчения. Указанный принцип дробления свободным высокоскоростным ударом реализован, например, в струйных мельницах, роторно-вихревых мельницах и т. п., имеющих достаточно высокую энергоэффективность, но высокий абразивный износ поверхностей, что влечет за собой:
1) заражение материалов при измельчении;
2) высокий абразивный износ рабочих поверхностей измельчающих устройств;
3) низкую энергоэффективность измельчителей. Существующие измельчающие устройства - дробилки, мельницы и др. - используют метод измельчения сжатием, раздавливанием и истиранием, в сочетании с высокими взаимными скоростями рабочих поверхностей и измельчаемого материала. Это делает их непригодными для измельчения особо чистых материалов.
Изобретение позволит решить эти проблемы за счет:
1) применения ударной машины, жестко закрепленной с внутренним вращающимся конусом конусной дробилки;
2) обеспечения режима измельчения «затянутым» ударным импульсом, то есть режима, создающего локальные, малоизносные, постоянно меняющиеся зоны измельчения со сверхвысокой концентрацией энергии;
3) контроля ударных импульсов, позволяющего повысить энергоэффективность подбором режимов работы для каждого вида материала.
В конструкции устройства реализованы сразу два основных принципа, применяющихся по отдельности в разных типах устройств. Кратковременность и комбинированность воздействия рабочих поверхностей измельчителя позволит создать дополнительные внутренние напряжения в разрушаемом материале, за счет чего повышается эффективность измельчения, максимальная тонина помола, уменьшается потребление энергии и абразивный износ.
Преимущества, которые несут в себе данные меры, повлекут следующее:
1) возможность измельчения особо чистых веществ для применения в области наноматериа-лов; при производстве композитов в электронной промышленности; при производстве стройматериалов; в лакокрасочной промышленности; при обогащении руд на горных предприятиях; в медицине при истирании твердых составляющих лекарственных средств;
2) более экономный расход электроэнергии, до 30% экономии;
3) больший срок службы рабочих поверхностей, за счет уменьшения абразивного износа;
4) увеличивается максимальная тонина помола.
Конкуренты: производители обогатительного оборудования для горной промышленности, производители лабораторного оборудования. Ниже приведено сравнение типичных представителей лабораторного измельчительного оборудования.
1. Конусная вибрационная дробилка (существующий аналог) ВКМД 10. Производительность - 30 кг/час. Максимальные размеры загружаемых кусков - 10 мм. Размер сырья после дробления - 0,3 мм. Установленная мощность - 1,5-3 КВт. Габариты - 460^210x410 мм. Недостатки: измельчение одновременной деформацией сжатия и сдвига, соответственно, высокий износ рабочих
поверхностей и загрязнение сырья материалом рабочей поверхности.
2. Струйная мельница (существующий аналог) ЬШ-188. Производительность 50 кг/час. Максимальные размеры загружаемых кусков - 5-10 мм. Размер сырья после дробления - 2 мкм. Установленная мощность - 3-5 КВт. Габариты -1285x1500x890 мм. Недостатки: низкий КПД, существенное возрастание потребляемой мощности и падение производительности при помоле до более мелкой фракции.
3. Конусный ударный истирающий измельчитель (предлагаемый вариант). Производительность - 30 кг/ч. Максимальные размеры загружаемых кусков - 10-20 мм (величина достигается применением ударного механизма, возможное расстояние между рабочими поверхностями внешнего и внутреннего вращающихся конусов увеличивается). Размер частиц сырья после дробления - до 0,5 мкм (данный показатель достигается за счет включения в конструкцию измельчителя помимо конусных дробящих участков - истирающих участков на рабочих поверхностях внутреннего и внешнего вращающихся конусов; изображение прикреплено к заявке). Установленная мощность - 3 КВт (за счет применения ударного механизма возможно уменьшение энергопотребления при увеличении тонины помола). Недостатком является необходимость изменять схему прибора в зависимости от твердости измельчаемого материала; так, например, при измельчении хрупких малопрочных пород внешний вращающийся конус установлен по отношению к внутреннему вращающемуся конусу соосно, при измельчении хрупких особо прочных пород внешний вращающийся конус установлен по отношению к внутреннему вращающемуся конусу параллельно, при измельчении пластичных малопрочных пород внешний вращающийся конус установлен по отношению к внутреннему вращающемуся конусу с перекрещивающимися осями.
Возможные потребители данного изобретения: фармацевтические компании, горнообогатительные комбинаты, лаборатории, предприятия по производству комплектующих для электротехники.
Реализация проекта способствует достижению основных целей:
1) техническая, заключающаяся в создании измельчителя с минимальной степенью загрязнения материалов продуктами износа рабочих поверхностей;
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
2) научно-техническая, заключающаяся в реализации высоких технологий, а именно производстве высокочистых кварцевых гранул для электронной компонентной базы Российской Федерации;
3) экономическая, заключающаяся в создании более энергоэффективного (по сравнению с аналогами) измельчителя с низкой степенью износа рабочих поверхностей, а соответственно, и более долговечного.
Статья подготовлена с использованием результатов работ, выполненных в ходе проекта 02.G25.31.0174 «Разработка комплексной ресурсосберегающей технологии и организация высокотехнологичного производства наноструктур на основе углерода и диоксида кремния для улучшения свойств строительных и конструкционных материалов» в рамках Программы реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства, утвержденной постановлением Правительства РФ № 218 от 9 апреля 2010 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Теория и практика процессов флотационного обогащения наноразмерных сред / В.В. Кондратьев и др. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2015. 160 с.
2. Карлина А.И. Применение процесса мокрого рудного самоизмельчения для дезинтеграции глины и песков металлоносных россыпей // Вестник ИрГТУ. 2014. № 10 (93). С. 189-195.
3. Карлина А.И. Изучение и совершенствование математических моделей гравитационного обогащения полезных ископаемых // Вестник ИрГТУ. 2014. № 11 (94). С. 211-216.
4. Пат. 2500480 Рос. Федерации Способ извлечения наноразмерных частиц из техногенных отходов производства флотацией / В.В. Кондратьев, А.А. Немаров, А.Э. Ржечицкий, Н.А. Иванов, Н.В. Лебедев ; патентообладатель Иркут. гос. техн. ун-т ; опубл. 10.12.2013, Бюл. № 34.
5. Ознобихин Л.М., Дружинина Т.Я., Немаров А.А. Кинетика мокрого рудного самоизмельчения // Вопросы естествознания. 2015. № 1 (5). С. 79-85.
6. Карлина А.И. Cовершенствование математических моделей гравитационного обогащения полезных ископаемых из результатов опыта отечественных и зарубежных исследований // Вестник ИрГТУ. 2015. № 1 (96). С. 118-124.
7. Карлина А.И. Изучение механизма процесса гравитационного обогащения и совершенствование математических моделей процессов // Вестник ИрГТУ. 2015. № 2. С. 168-173.
8. Перспективные методы обогащения трудно-обогатимого золотоносного сырья / В.А. Гронь и др. // Вестник ИрГТУ. 2015. № 7. С. 105-111.
9. Теория и практика прикладной гидроаэромеханики в обогащении полезных ископаемых и металлургии / К.Л. Ястребов и др. Иркутск : Изд-во ИрГТУ. 2015. 350с.
10.Yastrebov K.L., Dykusov G.E., Karlina A.I. Problem Solution of Reagent free Complex Preparation and Natural Water & Sewage Purification. Science and Education, Material of the VI international research and practice conference, June 27th-28th, 2014, Munich, Germany, 2014, PP. 518-524.
11.Yastrebov K.L., Dykusov G.E., Karlina A.I. Improved Modes Reagentless Comprehensive Preparation and Purification of Natural and Waste Waters. Science and Education, Material of the VII international research and practice conference, October 29th-30th, 2014, Munich, Germany, 2014, PP. 241-245.
12.Yastrebov K.L., Dykusov G.E., Karlina A.I. Elaboration of Technology and the Way of Reagent Free Complex Preparation and Purification of Natural Water & Sewage. Science and Education, Material of the V international research and practice conference, Vol. II, February 27th-28th, 2014, Munich, Germany, 2014, PP. 392-401.
13.Ястребов К.Л., Дружинина Т.Я., Карлина А.И. Рудное самоизмельчение. Germany : Изд-во Lap Lambert Academic Publishing. 2014. 413 с.
14.Пат. 2489211 Рос. Федерации. Конусный ударный истирающий измельчитель / С.Г. Кузнецов, Н.В. Лебедев, Н.А. Иванов, В.В. Кондратьев ; публ. 10.08.2013, Бюл. № 22.
15.Пат. Германии на полезную модель IPC B02C 2/10 / С.Г. Кузнецов, Н.В. Лебедев, Н.А. Иванов, В.В. Кондратьев. №. 20 2013 004 508.6 ; за-явл. 15.05.2013 ; опубл. 04.06.2013.
