Анализ конструкций помольных агрегатов и направлений их конструктивно-технологического совершенствования

Способы измельчения строительных материалов и применяемое для этой цели оборудование весьма многочисленно и разнообразно. Однако лишь сравнительно немногие из них предназначены для получения измельченных порошков.

Необходимо отметить, что в основном для решения данной задачи применяются помольно-классификационные комплексы. При создании подобных комплексов помимо крупности и свойств измельчаемого сырья на выбор агрегата помола существенно влияют показатели готового продукта [12-18].

Важными показателями процесса помола и эффективной работы соответствующего оборудования являются отсутствие сложных и громоздких узлов, незначительные энергозатраты, компактность, долговечность и т.д.

Применяемые в настоящее время агрегаты для помола имеют как преимущество перед другими агрегатами, так и ряд недостатков. Все известные конструкции помольных агрегатов при разрушении частиц измельчаемого материала используют принципы, прежде всего удара, раздавливания, в меньшей степени раскалывания и истирания. При этом в частице материала создаются нагрузки, превышающие силы межмолекулярного сцепления. Вследствие этого в частице материала образуются трещины - частица разрушается. Существенно повысить эффективность разрушения частицы материала и снизить расход энергии возможно за счет создания в них разрывных усилий. При этом расход энергии снижается, а производительность возрастает в три раза. Поскольку речь идет о размерах частиц порядка 5 - 50 мкм, создать в обозримом будущем промышленные агрегаты с использованием способа разрыва частиц материала не представляется возможным. Поэтому в ближайшем будущем речь идет лишь о

совершенствовании работающих в настоящее время установок с целью повышения их надежности и экономичности [6, 8, 10].

По мере развития техники, изменений требований к измельченным порошкам, мельницы становятся более эффективными, их классификация - разнообразнее.

Самая распространенная классификация мельниц - по способу разрушения в них материалов.

Одни мельницы предназначены для грубого помола, другие мельницы - для тонкого помола. Имеется широкий спектр оборудования, на котором можно получать порошки различной тонкости.

Для помола, как в промышленности, так и в лабораторной практике применяют мельницы следующих типов - барабанные, среднеходные, центробежно-ударные, дезинтеграторные, вибрационные и струйные. Из различных литературных источников известно, что нет ни одной универсальной машины для помола, отвечающей всем требованиям даже в узком диапазоне задач [156].

Несмотря на широкое применение шаровых мельниц, которые являются базовым оборудованием большинства предприятий по производству цемента, они имеют ряд недостатков: большие массогабаритные показатели, сложность главных узлов, наличие застойных зон в помольных камерах, низкий КПД [30].

Незначительные скоростные характеристики движения мелющей загрузки в шаровых мельницах привели к разработке помольных агрегатов, в которых движение загрузки наиболее интенсивно. Этому требованию в полной мере отвечают вибромельницы, которые более надежны в эксплуатации (рис. 1.1) [27].

Известен своими разработками вибромельниц опытный завод ВНИИкровли (г. Москва), который производит двухкамерные мельницы производительностью до 7 т/ч и рабочим объемом 0,7м³[78].

Рисунок 1.1. Схемы вибрационных мельниц:

а) - инерционная; б) - гирационная; 1- корпус; 2- мелющие тела; 3- дебалансный вал;

4- пружины; 5- эксцентриковый вал; 6- противовесы

Однако вибрационные мельницы уступают установкам ударно - отражательного действия по производительности, энергозатратам и требуют предварительного измельчения материала размерами до 3 - 5 мм [78], поэтому данные мельницы не могут являться самостоятельными измельчителями для тонкого помола материалов.

Высокая энергонапряженность (8 - 10 кВт на 10 дм³) вследствие многочисленных взаимодействий измельчаемого материала и мелющих тел вынуждает проводить комплекс мероприятий по охлаждению корпуса мельницы [18].

Довольно значительный интерес в настоящее время проявляется к валковым среднеходным мельницам (по западной классификации - вертикальные мельницы) (рис 1.2). Самая крупная четырехвалковая вертикальная мельница спроектирована и изготовлена фирмой «Polysius» в 1990 году в Париже для фирмы «TongYangCement» (Южная Корея) [24].

В нашей стране вертикальные мельницы выпускаются на заводе тяжелого машиностроения (Самарская область) производительностью до 35 т/ч, при этом количество валков варьируется от 2 до 4 [24].

Долговечность опорных узлов мельницы является слабым звеном и ограничивает срок службы большинства валковых среднеходных мельниц [34].

Так как помол в валковых среднеходных мельницах осуществляется по принципу раздавливания и истирания, то данные агрегаты применяются в основном при помоле сырья.

Производственная практика показывает целесообразность применения ролико-маятниковых мельниц по отношению к другим среднеходным мельницам [24].

Рисунок 1.2. Схема валковой среднеходной мельницы (вертикальной):

1- рама; 2- вращающаяся тарелка; 3- валок размольный; 4- бронеплиты; 5- сепаратор;

6- отсек для недробимых материалов; 7- рама

В настоящее время широко применяют пресс-валковые измельчители (ПВИ) [126].

Надо отметить, что наибольшей эффективностью обладают ПВИ, совместно работающие с трубными мельницами [127]. При удельных энергозатратах около 3 кВтч/т, 30 - 40 % материала на выходе из ПВИ имеют размеры менее 100 мкм [127].

В целом можно отметить достоинства пресс-валковых измельчителей: незначительные массогабаритные показатели, незначительные энергозатраты, бесшумность работы. В экономическом плане ПВИ при помоле более выгодны,

чем среднеходные мельницы.

В последнее время все большее применение находят мельницы ударного действия.

Разработанная в ИГХТУ дезинтеграторная установка [24] (рис. 1.3) включает корпус 1, находящиеся внутри него на одной горизонтальной оси вращающиеся корзины 3 и 5 с пальцами круглой формы 4, измельчающие элементы 6, которые жестко закреплены на внутренней части ротора.

По периферии камеры помола закреплены отбойные плиты 2. Принцип действия установки следующий. Диски 3 и 5 с измельчающими элементами 4 и 6 вращаются от электродвигателей посредством клиноременных передач.

Сырье направляется в центральную часть камеры помола дезинтегратора. Здесь частицы материала подвергаются высокоскоростным соударениям со стороны пальцев 4. Наибольшей скоростью воздействия обладают била 6, которые осуществляют дополнительное измельчение.

Рисунок 1.3. Комбинированный дезинтегратор.

1- корпус; 2- отбойные плиты; 3, 5- корзины; 4- пальцы; 6- била; 7- трубчатый вал;

8- торцевая крышка; 9- шнек; 10- разгрузочное отверстие

Пройдя зону действия отбойных плит 2, готовый продукт разгружается через патрубок 10.

В данной конструкции дезинтегратора существенно увеличивается количество соударений частиц материала с ударными органами камеры помола и время их воздействия.

Вследствие этого повышается тонкость готового продукта в 1,5 раза [24]. Ударно-отражательные мельницы.

Одним из основных недостатков ударно-отражательных мельниц является повышенный износ ударных бил и отбойных плит [134], поэтому повышение срока службы исполнительных элементов данных мельниц имеет актуальное значение. Кроме этого, важным пунктом развития данного типа мельниц является совмещение помола и классификации. Также значимыми мероприятиями в плане повышения эффективности работы ударно-отражательных мельниц являются повышение скоростных ударных характеристик наряду с увеличением количества соударений, организация рациональных траекторий движения частиц материала в камере помола.

На рис. 1.4 представлена роторная мельница с возможностью классификации материала в камере помола [46].

Рисунок 1.4. Роторная мельница с проточным пластинчатым классификатором:

1- корпус; 2- днище; 3- электродвигатель; 4- фланец; 5- крышка; 6- питательный патрубок;

7- разгрузочный патрубок; 8- отбойные пластины; 9- отражательные стержни; 10- диск; 11- лопасти

Мельница работает следующим образом. Диск 10 вращается от электродвигателя 3. Исходный материал подается на диск 10, затем посредством лопастей 11 разгоняется в сторону отражательных стержней 9, где происходит соударение. Кроме этого, с помощью патрубка 6 в мельницу подается воздух, который направляет материал в разгрузочный патрубок 7.

Таким образом, в данной установке помол совмещен с классификацией материала на готовый продукт и крупку, которая возвращается на домол [47].

Для размола пластичных материалов в Ивановском государственном химико-технологическом университете были созданы различные конструкции вихревых мельниц, в которых материал измельчается в турбулентных воздушных течениях [88].

Преимущества роторно-вихревых мельниц: компактность, незначительный износ исполнительных органов, возможность термической обработки сырья во время помола.

Недостатком работы РВМ при значительной производительности являются высокие энергозатраты и сложность контрольно-измерительной аппаратуры.

Необходимость уменьшить намол в результате изнашивания рабочих органов объясняет разработку и исследование струйных мельниц, реализующих самоизмельчение частиц материала во встречных потоках воздуха или пара (рис. 1.5) [4, 146]. Скорость частиц достигает значений свыше 200 м/с, после соударения частицы потоком воздуха направляются в зону действия ротора-классификатора.

1- помольная камера; 2- загрузочная камера; 3- сопло сжатого воздуха; 4- разгонная трубка;

5- бункер исходного материала; 6- трубопровод для отвода измельчённого материала

В настоящее время струйные мельницы классифицируют таким

образом [146]:

- мельницы с неподвижной плитой;

- мельницы с тангенциальным подводом газа;

- ротивоточные струйные мельницы.

Кроме этого, существует следующая классификация:

- с последовательным помолом и классификацией;

- с совмещенной помольно-классификационной системой.

Производительность струйной мельницы С1-0.20-У-01 равна 1 т/ч, при этом измельчаемый материал имеет размеры до 0,25 мм, а на выходе из мельницы - 1-5 мкм. Давление газа составляет 0,7 - 0,8 МПа.

При достаточно высокой для такого класса измельчителей производительности в данной конструкции имеется существенный недостаток - необходимость предварительного измельчения (до 250 мкм) подаваемого в измельчитель исходного материала, что в свою очередь приводит к вводу в технологический процесс дополнительной операции тонкого измельчения и, как следствие, к увеличению энергозатрат. В некоторых современных конструкциях струйных мельниц используют сочетание струйного и дезинтеграторного принципов воздействия на измельчаемый материал в камере помола.

Так, специалистами Коммунарского горно-металлургического института разработана струйная мельница с противоположно направленными струями, предназначенный для сверхтонкого измельчения сыпучих материалов, характеризующийся повышенной эффективностью [4, 5, 146].

В настоящее время свое развитие получили и зарубежные конструкции струйных мельниц. Фирма Alpine (Германия) производит мельницу AFG, которая имеет производительность от 2 до 10 т/ч и удельные затраты энергии, на 30 - 35% меньшие по сравнению с аналогичными мельницами. Данные установки нашли применение в промышленности строительных материалов, лакокрасочной промышленности при производстве пигментов, медицине и пр. [4, 5].

Несмотря на это, увеличение количества сопел в камере помола струйной мельницы приводит к повышению энергозатрат, что сказывается на себестоимости продукции.

Струйные мельницы JOM (Япония) производительностью до 1 т/ч обеспечивают получение готового продукта с заданным гранулометрическим составом, просты в эксплуатации, работают с различными энергоносителями. [4, 146]. Недостатком данных мельниц является повышенный износ внутренней поверхности камеры помола.

Таким образом, можно заключить, что простота конструкции, отсутствие вращающихся узлов предопределяют преимущества струйных мельниц по отношению к ряду измельчителей, обеспечивающих получение готового продукта от 5 до 40 мкм. С целью увеличения срока службы определенные участки (разгонные трубки, камера помола) выполняются из износостойких материалов. Эти мероприятия повышают срок службы струйных мельниц [4, 5].

Ограниченное применение струйных мельниц объясняется, во-первых, проблемой приобретения необходимых скоростей движения в разгонных узлах крупными частицами материала, а во-вторых, необходимостью разгона до скоростей разрушения мелкой фракции. При этом существует определенная сложность выделения готового продукта из воздушного потока. Поэтому данные мельницы применяются в основном для помола материалов исходными размерами до 5 мм до размеров готового продукта от 5 до 40 мкм [4, 5].

Следовательно, в результате данного анализа техники и технологии измельчения материалов можно сказать, что каждая помольная установка соответствует выполнению конкретных задач при получении дисперсных продуктов, имея как преимущества, так и недостатки [2, 134].

Исходя из вышесказанного, необходимо создание и исследование установок для помола с высокими скоростными характеристиками воздействия на материал, обеспечивающих механический разгон частиц и их самоизмельчение во встречных и пересекающихся потоках [17, 134]. Такими помольными

установками являются центробежные противоточные мельницы, у которых удельные затраты энергии составляют (15-20 кВт ч/т) при достаточно малых габаритах (рис 1.6).

Рисунок 1.6. Центробежная противоточная мельница:

1- корпус; 2- тангенциальный канал; 3- плита; 4- вал; 5- диск; 6- разгонные лопатки;

7- загрузочные патрубки; 8- выгрузочный патрубок

На протяжении последних лет НПЦ «Ивэнергомаш» (г. Иваново) производит центробежные противоточные мельницы, совмещающие помол и классификацию материала. Данные помольные установки обеспечивают встречное движение потоков частиц материала аналогично работе струйных измельчителей, но в качестве энергоносителя выступает не сжатый воздух, а осуществляется механический разгон частиц. Данные установки наиболее эффективны при помоле мягких и средней прочности материалов [65, 134].

Центробежная противоточная мельница отличается простотой и компактностью конструкции, меньшими удельными затратами энергии (в 1,5 - 2 раза), возможностью регулирования тонкости продукта помола. Данные мельницы имеют незначительный износ рабочих органов (менее 0,05%), однако область их применения ограничивается пределом влажности сырья (до 4 - 5%).

Все вышеперечисленное дает основание исследовать центробежные противоточные мельницы для измельчения известняка и других абразивных материалов с целью получения готового продукта с заданным зерновым составом.

Сдерживающим фактором успешного использования центробежных противоточных мельниц в процессе измельчения является широкий диапазон гранулометрического состава готового продукта [65, 134].

Таким образом, разработка и исследование новых конструкций центробежных противоточных мельниц с целью интенсификации помола и сужения гранулометрического состава готового продукта представляются актуальными [134].

Важными направлениями повышения эффективности помола в центробежных противоточных мельницах являются организация рациональных траекторий движения материальных потоков перед их самоизмельчением в камере помола [65, 134].

1.2