CC BY
19УДК 621.926.8
И.Ф. ШЛЕГЕЛЬ, канд. техн. наук, ООО «ИНТА-Строй» (Омск)
Пятый мелющий элемент
В современной промышленности большое внимание уделяется крупности применяемых материалов и их эффективному измельчению как средству оптимизации технологических процессов. Если до недавнего времени говорили о суперизмельчении, коллоидах, активации [1, 2], высококонцентрированных вяжущих суспензиях (ВКВС) [3], то появление термина «нанотех-нологии» и соответствующего министерства свело эти технологии под единую «крышу».
Наличие финансирования и большое количество грантов привели к бурному росту этого научного направления. Нанотехнологии находят широкое практическое применение в различных отраслях химического производства, изготовлении строительных материалов, обогащении руд, добыче золота.
Нанотехнологии предполагают работу с материалами, частицы которых имеют размеры меньше микрона и обладают иными свойствами, чем исходные материалы. Однако исходя из некоторых современных публикаций можно сказать, что всякое измельчение — это нанотех-нология, так как при любом разделении материала появляется определенный процент (или доли процента) наноразмерных частиц. Глина тоже наноматериал, так как содержит порой до 10% наночастиц, ну а технология керамики — это сплошное нано. Но не все то нано и золото, что блестит или тонко помолото!
Такая подгонка под «крышу» нанотехнологий процессов измельчения с научной точки зрения не всегда правомерна, однако способствует финансированию и продвижению новых разработок в производство.
Доктор Г. Эрлих [4] пишет: «Это сейчас отечественные ученые вставляют «нано» куда ни попадя, зачастую из конъюктурных соображений — под нее дают гранты, за границей же мода на приставку «нано» в заголовке статьи идет на спад».
Не претендуя на гранты по нанотехнологиям, поговорим о тонком измельчении материалов и разработанных в Институте новых технологий и автоматизации промышленности строительных материалов мельницах, не касаясь в рамках данной статьи технологических аспектов применения таких машин.
Что же заставило нас 15 лет назад взяться за разработку мельниц?
Во-первых, отсутствие высокопроизводительных и эффективных мельниц тонкого помола для непрерывных технологических процессов.
Во-вторых, ситуация, когда в производстве применяется техника, разработанная не менее 100 лет назад и ее технические характеристики весьма далеки от оптимальных показателей.
В-третьих, это опять же несоответствие лабораторных результатов и результатов, полученных в реальной технологии. То есть в лабораторных экспериментах получаются отличные образцы и по прочности и по внешнему виду, а в промышленном производстве получаемые изделия гораздо хуже по качеству.
Широко используемые в различных отраслях шаровые мельницы не позволяют быстро получать особо тонкий помол и имеют высокое энергопотребление на тонну продукции.
В последнее время для непрерывных технологических процессов получили распространение виброцентробежные мельницы разных изготовителей, мало чем отличающиеся друг от друга. Эти мельницы позволяют получить более тонкий помол. Так, марка цемента после шаровой мельницы может быть до Д 500, а домол на виброцентробежной мельнице повышает марку до 700 [5]. Как сообщает автор в своих статьях, «особое внимание следует уделить вопросу правильной установки мельницы с гашением высокочастотных и низкочастотных вибраций. Она должна быть установлена на собственном фундаменте, превышающем по массе ее металлическую часть в 2,5 раза». Также должны быть применены специальные виброгасители.
Наш опыт по разработке мельниц начался с экспериментов на планетарной мельнице проходного типа [6]. Толчком к этой разработке послужил удачный опыт работы планетарных стационарных мельниц. Однако планетарная мельница проходного типа имела низкую надежность, связанную с невозможностью уплотнения подшипниковых опор барабанов, движущихся по планетарной траектории.
Полученный практический опыт лег в основу разработанной вибропланетарной мельницы «Пурга» (рис. 1), движение шаров в которой аналогично их траектории в планетарной мельнице, при этом барабаны не вращаются, а приводятся в движение эксцентриковым валом.
Рис. 1. Вибропланетарная мельница «Пурга»
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2012
49
Рис. 2. Кинематическая схема вибропланетарной мельницы «Пурга»
Мельница «Пурга» (рис. 2) состоит из рамы 1, двух подшипниковых опор 2, эксцентрикового вала 3, двух пар водил 4, представляющих собой трехлучевую звезду с расположенными на концах лучей ложементами для крепления шести помольных барабанов. Барабаны 5 одной группы находятся в просвете барабанов другой — оппозитной группы барабанов, взаимно уравновешивая друг друга. Загрузочные и отводящие патрубки играют роль гибких связей, не позволяющих барабанам закрутиться вместе с валом, а заставляют их совершать движения по траектории, близкой к круговой, и с амплитудой, равной удвоенному эксцентриситету вала. Мелющие тела, движущиеся внутри барабана, осуществляют измельчение. Установка корпуса мельницы под наклоном к горизонту способствует лучшему прохождению измельчаемого материала через барабаны.
Проведенные испытания подтвердили правильность выбранной схемы. Мельница работает мягко, не требует прецизионной балансировки, массивного фундамента. Конструктивные особенности мельницы «Пурга» обеспечивают движение мелющих тел в барабанах по различным траекториям в зависимости от частоты вращения эксцентрикового вала. При движении шаров по окружности измельчение происходит в результате истирания, что наиболее выгодно для проведения сверхтонкого (меньше 40 мкм) помола. При движении шаров в барабанах по эллиптическим орбитам будет реализовы-ваться концепция измельчения с использованием в основном стесненного удара, что энергетически выгоднее при проведении среднего (500—100 мкм) и тонкого (100—40 мкм) помола. Таким образом, на мельнице «Пурга», изменяя частоту вращения эксцентрикового
Рис. 3. Мельница «Вьюга»
вала, можно реализовать различные схемы измельчения дли широкого круга задач, что делает ее более универсальной. Вторым способом варьирования дисперсности продукта является подбор оптимального диаметра мелющих шаров.
С учетом опыта, полученного при испытании мельницы «Пурга», спроектирована мельница такой же производительности «Пурга-3» и лабораторная мельница «Пурга-1». На очереди линейка мельниц повышенной производительности. Технические характеристики мельницы «Пурга-1» и «Пурга-3» приведены в табл. 1.
Мельница «Пурга» по качеству помола сопоставима с виброцентробежными мельницами различных конструкций, однако по производительности превосходит их в три раза, так как имеет шесть мелющих барабанов вместо двух. Но самое главное преимущество мельницы «Пурга» в том, что она является самосбалансированной машиной, не требующей фундамента. В испытательном цехе она установлена на бетонном полу без фиксации фундаментными болтами. Эксперименты по загрузке даже одного из шести барабанов не приводили к сколько-нибудь заметным вибрациям.
Этот эффект полной самосбалансировки мельницы позволяет наращивать мощность и производительность «Пурги» практически безгранично, так как нет ограничений по фундаментам, как например, в виброцентробежных мельницах.
Таблица 2
Таблица 1
Характеристика «Пурга-1» «Пурга-3»
Производительность (песок), кг/ч 20 150
Тонина помола, менее 10 мкм, % 60 60
Тонина помола менее 1 мкм, % 11 12
Диаметр барабана внутренний, мм 25 80
Длина рабочей части барабана, мм 290 700
Частота вращения вала мельницы, об/мин 2800 1865
Мощность электродвигателя, кВт 1,1 11
Габаритные размеры с питателем ДхШхВ, мм 730x300x670 1517x700x1750
Масса с питателем, кг 37 44 0
Характеристика «Вьюга-1» «Вьюга-5»
Производительность max (песок), кг/ч 50 1000
Максимальный размер частиц на входе (песок), мм 3 5
Тонина помола, менее 10 мкм, (песок), % 40 40
Количество мелющих тел, шт. 4 6
Диаметр корпуса внутренний, мм 92 210
Частота вращения вала мельницы, об/мин 1410 970
Мощность электродвигателя, кВт 1,5 18,5
Габаритные размеры ДхШхВ, мм 1720x595x1280 1720x595x1280
Масса, кг 49 430
50
научно-технический и производственный журнал
сентябрь 2012
jVJ ®
2, %
2, %
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0,1
2
\3
1
10
Размер частиц, мкм
100
1000
Рис. 4. Результаты анализа дисперсности песка (1) после помола на мельнице «Пурга» (2) и «Вьюга» (3)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
0 0,1
/
2
/
1
10
Размер частиц, мкм
100
1000
Рис. 5. Результаты анализа дисперсности глиняного шликера (1) после размола на мельнице «Пурга» (2) и «Вьюга» (3)
Единственным недостатком мельницы «Пурга» является некоторая сложность конструкции. В целях дальнейшей оптимизации мельниц был опробован ряд вариантов и проведены эксперименты с четырьмя различными мелющими элементами: шарами, дисками, циль-бепсами, стержнями.
В результате за основу следующей мельницы был выбран пятый мелющий элемент — пружина. Несмотря на то что неизвестно о применении пружин в реальных конструкциях мельниц, выбор основывался на том, что при прижатии пружины за счет центробежных сил к цилиндрической обечайке возникают вибрации витков вдоль оси, что должно способствовать помолу и перетиранию материала. Вибрации витков на скручивание находятся в ультразвуковом диапазоне, что также будет влиять на диспергирование материала.
На основании исследований была сконструирована и изготовлена мельница «Вьюга» (рис. 3).
Мельница весьма проста по конструкции и состоит из горизонтально расположенного цилиндрического корпуса, в котором смонтирован ротор с мелющими пружинами. Привод ротора осуществляется электродвигателем.
При вращении вала мельницы пружины, увлекаемые во вращение ведущими осями, обкатываются по внутренней поверхности корпуса, измельчая и одновременно продвигая материал от загрузки к выгрузке. Надежды на эффективность мельницы с пружинами в качестве мелющих тел оправдались. Генерация мощных колебаний широкого спектра, в частности в ультразвуковом диапазоне, способствует хорошему помолу материала.
На рис. 4 представлены результаты анализа фракционного состава кварцевого песка после помола. Анализ проводился на приборе «Микросайзер-201А».
Использование «Вьюги» при подготовке минеральных добавок, вводимых в состав шихты при производстве кирпича, позволило применять гранулированный доменный шлак не только в качестве отощающей добавки, но и получить керамические изделия светлых тонов.
Значительным преимуществом данных мельниц является возможность их использования не только для помола сухих материалов, но и для активации суспензий, например глиняного шликера (рис. 5).
Данный факт делает мельницы серии «Вьюга» незаменимыми при механической активации смесей, что в значительной степени ускоряет химические реакции в материале. Примером применения мельницы как активатора может служить ее использование при подготовке зольно-известковой массы для производства золосили-
катного кирпича [6]. Результатом механической активации является значительное сокращение времени «созревания» шихты, повышение физико-механических показателей изделий.
Существенным недостатком мельницы является повышенная шумность, выходящая за допустимые нормы, поэтому рекомендуется устанавливать ее в отдельной шумоизолированной кабине.
Спроектирована лабораторная пружинная мельница «Вьюга-1» и промышленные установки «Вьюга-3» и «Вьюга-5», технические характеристики которых представлены в табл. 2. Перед коллективом разработчиков стоит задача расширения типоряда мельниц «Вьюга» более производительными машинами.
Сравнение двух мельниц «Пурга» и «Вьюга» (рис. 4, 5) показывает, что мельница «Пурга» обладает более высоким качеством помола, однако «Вьюга» более проста по конструкции, а в некоторых случаях, где требуется УЗВ-диспергирование, просто незаменима, например при роспуске глиняных суспензий.
Таким образом, институтом разработаны и поставлены на серийное производство два типоразмерных ряда мельниц, каждая из которых займет свое место в непрерывных технологических процессах.
Ключевые слова: тонкое измельчение, вибропланетарная мельница, мелющие тела, механоактивация.
Список литературы
1. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск: Наука, 1986. 306 с.
2. Молчанов В.И., Селезнев О.Г., Жирнов Е.Н. Активация минералов при измельчении. М.: Недра, 1998. 208 с.
3. Пивинский Ю.Е. ВКВС и керамобетоны в XXI веке — проблемы и перспективы применения технологий в области силикатного материаловедения // Новые огнеупоры. 2011. № 3. С. 120-130.
4. Эрлих Г. Нанонауки: итоги пятилетки // Химия и жизнь. 2012. № 3. С. 2-8.
5. Кузьмина В.П. Механоактивация материалов для строительства. Цемент // Строительные материалы. 2007. № 6. С. 74-75.
6. Шлегель И.Ф., Гришин П.Г. Мельница планетарная ШЛ-312 // Строительные материалы. 2002. № 5. С. 14-15.
7. Шлегель И.Ф., Носков А.В., Слемнев Д.А., Вишневский А.В. Повышение качества силикатных материалов с использованием активатора «Вьюга» // Строительные материалы. 2011. № 9. С. 12-13.
Г^ научно-технический и производственный журнал
М ® сентябрь 2012 51
