Процесс измельчения

 

Введение

Измельчением называется процесс уменьшения размеров кусков (зерен) материала путем разрушения их под действием внешних сил, преодолевающих внутренние силы сцепления, которые связывают между собой частицы твердого вещества. Условно принято считать, что дробление - это измельчение кусков от 1 м в поперечнике до 10-20 мм, а размол - измельчение частиц до размера менее 5 мм.

Измельчение материалов широко используется в химической и  других отраслях промышленности. В  химической технологии процесс измельчения  включен в большинство технологических  схем, так как от величины поверхности  твердых материалов зависит интенсивность  многих химических процессов. Поэтому, чтобы повысить качество и выход конечного продукта, материалы измельчают. Конечная крупность получаемых при измельчении продуктов устанавливается исходя из требований технологии потребляющих производств.

Процесс измельчения широко используется для измельчения апатитов и фосфоритов, серного колчедана в производстве серной кислоты, самородной серной руды, в производстве цианамида кальция, известняка в производстве преципитата, в производстве ультрамарина, в производстве литопона, в производстве двуокиси титана и в других производствах.

В химической технологии применяют все виды измельчения, начиная от крупного, когда размер кусков достигает 1 м, и кончая коллоидным, когда размер частиц достигает долей микрона.

Разнообразие типов и размеров измельчителей объясняется особенностями химических производств и многообразием их масштабов. Существуют небольшие измельчители, производительность которых составляет несколько килограммов час, и установки производительностью до 1500 т/ч.

В зависимости от крупности исходного сырья и требований к конечному продукту измельчения материала производят или в один прием  (в одном измельчителе), или в несколько приемов (в измельчителях, установленных последовательно). Характер исходного сырья и требуемая степень измельчения

  

 

определяют число ступеней измельчения и типы применяемого оборудования.

В различных производствах  удельный объем процесса измельчения  неодинаков. В одних он играет основную роль, в других – вспомогательную. Однако там, где химической переработке подвергается твердое минеральное сырье, а также, когда выпускаемый продукт поставляется в виде порошков или пудры, измельчение твердого  материала как звена технологический схемы – обязательно.

С развитием химии  объем перерабатываемого сырья непрерывно увеличивается, следовательно, возрастает потребность в оборудовании для измельчения и увеличиваются требования к самому процессу измельчения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Раздел 1.Технологическая  характеристика процесса и аппарата для измельчения твердых материалов.

1.1.Теоретические  основы процесса измельчения  твердых материалов.

1.1.1.Общие сведения.

Измельчением называют процесс разрушения кусков твердого материала при критических внутренних напряжениях, создаваемых в результате какого-либо нагружения и превышающих соответствующий предел прочности. Напряжения в материале могут создаваться механическим нагружением, температурными воздействиями, ультразвуковыми колебаниями и др. Наибольшее применение в современном производстве имеют механические способы измельчения.

Измельчение делят на дробление и помол, а машины, применяемые  для этих целей, называются дробилками и мельницами. В зависимости от размеров частиц продукта различают следующие виды измельчения, приведенные на табл.1:

Таблица 1

Классы измельчения	Размер кусков до измельчения dН, мм	Размер кусков после  измельчения dК, мм
Крупное (дробление) Среднее (дробление) Мелкое (дробление) Тонкое (размол) Коллоидное (размол)	1000÷200 250÷50 50÷25 25÷3 0,2÷0,1	250÷40 40÷10 10÷1 1÷0,4 до 0,001

 

Основной характеристикой процесса измельчения является степень измельчения, которая определяется соотношением средневзвешенных размеров частиц материала  до и после измельчения:

                                                       i = d_н / d_к .

Степень измельчения  отражает технологию и определяет параметры  измельчителей.

С целью обеспечения эффективности  измельчение материала от исходной до конечной крупности осуществляется, как правило, в несколько приемов, с последовательным переходом от крупного дробления к более мелкому и к помолу

 

 

с постадийным разделением  материала по классам. Следовательно, процесс измельчения целесообразно осуществлять последовательно на нескольких измельчителях. Каждый отдельный измельчитель выполняет часть общего процесса, называемую стадией измельчения.

Число стадий измельчения  определяется требуемой степенью измельчения. Например, если в исходном твердом  материале содержатся куски размером до 1200 мм, а готовый продукт должен содержать частицы с максимальным размером до 40 мм, то общая степень измельчения i_o = 1200 / 40 = 30 .

Степень измельчения, достигаемая  на одной машине, для большинства  видов дробильного оборудования не превышает 3 – 7. Поэтому для обеспечения i = 30 необходимо применить несколько стадий дробления, например: i₁ = 3, i₂ = 3, i₃ = 4. Тогда i_o = i₁i₂i₃ = = 36, т.е. требуется минимум три стадии измельчения.

В то же время следует отметить, что увеличение стадий дробления  приводит к повышению капитальных  затрат на строительство заводов, переизмельчению материала и к удорожанию эксплуатации завода. Поэтому выбор схемы измельчения следует осуществлять из условия обеспечения минимального числа стадий дробления. Однако, в ряде случаев только применение многостадийных схем (четырех- и пятистадийных) обеспечивает получение готового продукта в необходимом объеме и высокого качества.

Энергозатраты, нагрузки на элементы измельчителей и качество продукта зависят от прочности, хрупкости, твердости, упругости, абразивности и плотности твердых материалов.

Прочность – свойство твердого материала сопротивляться разрушению при возникновении внутренних напряжений, появляющихся в результате какого-либо нагружения. Обычно прочность твердых материалов оценивается пределом прочности при сжатии σ_c. По величине σ_c измельчаемые материалы делят на мягкие (σ_c < 80 МПа), средней прочности (σ_c = 80 – 150 МПа), прочные (σ_c=150 – 250 МПа) и очень прочные ( σ_c > 250 МПа).

При других видах деформаций прочность твердых материалов существенно ниже. Например, предел прочности известняка, гранита составляет при

 

 

 

растяжении 2 – 5%, при изгибе 8 – 10% и при сдвиге 10 – 15% предела прочности при сжатии.

Хрупкость – свойство твердого материала разрушаться без заметных пластических деформаций. Она определяется на специальном копре числом ударов мерного груза. По числу ударов, выдерживаемых образцами, твердые материалы делят на очень хрупкие (до 2), хрупкие (2 – 5), вязкие (5 – 10), очень вязкие (более 10).

Абразивность – способность перерабатываемого материала изнашивать рабочие органы машины. Ее оценивают в граммах износа эталонных бил, отнесенных к одной тонне измельченного материала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.2.Физико-механические основы измельчения твердых материалов.

Основной вопрос теорий измельчения состоит в установлении связи между затратами энергии и размерами конечных и начальных кусков материала, их формой, взаимным расположением, физико-механическими свойствами и т.п. В связи с многочисленностью влияющих факторов существующие теории измельчения характеризуют энергозатраты в общем виде с учетом лишь наиболее важных параметров процесса и материала.

Согласно гипотезе П. Риттингера работа при измельчении  материала пропорциональна площади вновь образованной поверхности ΔF:

                                          ,           (1.1)

где K₁ – коэффициент пропорциональности.

Величину ΔF можно выразить через начальные d_н и конечные d_к размеры кусков измельчаемого материала. Если предположить, что куски имеют форму куба с размером ребер d_н до и d_к = d_н / i после измельчения, то можно определить:

           

При дроблении Q (м³) материала со средним размером кусков d_н общее число измельчаемых частиц равно , а работа дробления в соответствии с формулой (1.1):

                                

При массе измельчаемого  материала Q_м (кг):

                  

где ρ – плотность материала; K_R – коэффициент пропорциональности между затраченной работой и вновь образованной поверхностью.

Теория Риттингера не учитывает изменения формы тел при измельчении. Вследствие этого она не пригодна для описания процессов дробления в случаях, когда готовый продукт имеет малую удельную поверхность.

Кирпичев В.Л. (1874) и  Ф. Кик (1885) установили, что энергия, необходимая для одинакового изменения формы подобных и однородных тел,

 

 

пропорциональна их объемам, т.е.

                                             

где k₂ – коэффициент пропорциональности.

При измельчении Q_м (кг) материала со средним размером кусков d_н общее количество измельчаемых кусков равно , соответственно, работа измельчения:

                                           

где ρ – плотность куска, кг/м³.

Рассмотренные гипотезы измельчения отражают только часть сложных процессов, происходящих при измельчении.

Теория Кирпичева-Кика оценивает энергию, расходуемую на деформирование материала, и не учитывает затраты на образование новых поверхностей. Ее целесообразно применять при крупном и среднем дроблении, когда влияние вновь образованных поверхностей незначительно. Теория Риттингера не учитывает затраты энергии на упругую деформацию кусков. Она наиболее применима при мелком дроблении и помоле материалов.

В реальном процессе измельчения деформирование кусков и образование новых поверхностей происходит одновременно. В связи с этим многие ученые стремились оценить эти явления в комплексе. Так, П.А. Ребиндер (1940) и Ф. Бонд (1951) предложили определять энергозатраты при дроблении с учетом работы как деформации кусков, так и образования новых поверхностей.

На основании опытных  исследований предложена эмпирическая формула для расчета мощности электродвигателя дробилок:

                   

где E_i – энергетический показатель, зависящий от физико-механических свойств измельчаемого материала; K_м – коэффициент масштабного фактора (определяется в зависимости от d_н); d_н – средневзвешенный размер кусков исходного материала, м; Q_м – производительность, кг/с.

 

 

 

1.1.3.Способы  измельчения твердых материалов.

Твердый материал можно  разрушить и измельчить до частиц желаемого размера раздавливанием, раскалыванием, разламыванием, резанием, распиливанием, истиранием, ударом и различными комбинациями этих способов.

Раздавливание (рис. 1.1, а) – тело под действием нагрузки деформируется по всему объему и, когда внутреннее напряжение в нем превысит предел прочности сжатию, разрушается. В результате такого разрушения получают частицы различного размера и формы.

Раскалывание (рис. 1.1, б) – тело разрушается на части в местах концентрации наибольших нагрузок, передаваемых клинообразными рабочими элементами измельчителя. Образующиеся при этом частицы более однородны по размерам и форме, хотя форма, как и при раздавливании, непостоянна. Способ раскалывания по сравнению с раздавливанием позволяет регулировать крупность получаемых частиц.

Разламывание (рис. 1.1, в) – тело разрушается под действием изгибающих сил. Размеры и форма частиц, получающихся при разламывании, примерно такие же, как и при раскалывании.

Резание (рис. 1.1, г) – тело делиться на части заранее заданных размеров и формы. Процесс полностью управляемый.

При распиливании (рис. 1.1, д) результаты получаются такие же, как и при резании. Процесс полностью управляем, и частицы имеют заранее заданный размер и форму.

Истирание (рис. 1.1, е) – тело измельчается под действием сжимающих, растягивающих и срезающих сил. При этом получают мелкий порошкообразный продукт.

Удар (рис. 1.1, ж, з) – тело распадается на части под действием динамической нагрузки. При сосредоточенной нагрузке получается эффект, подобный тому, что происходит при раскалывании, а при распределении нагрузки по всему объему эффект разрушения аналогичен раздавливанию.

Различают разрушение тела стесненным и свободным ударом. При 

 

 

стесненном ударе (рис. 1.1, ж) тело разрушается между двумя рабочими органами измельчителя. Эффект такого разрушения зависит от кинетической энергии ударяющего тела. При свободном ударе (рис.1.1, з) разрушение тела наступает в результате столкновения его с рабочим органом измельчителя или другими телами в полете. Эффект такого разрушения определяется скоростью их столкновения независимо от того, движется разрушаемое тело или рабочий орган измельчителя.

Из перечисленных способов пригодными для промышленного измельчения  оказались раскалывание, разламывание, раздавливание, истирание и удар. Раскалывание применяют для получения кусковых материалов; разламывание обычно сопутствует другим способам при крупном, среднем и мелком измельчении, а разрезание и распиливание применяют в тех случаях, когда нужно получить куски материала определенного размера и заданной формы.

Истирание применяют  для тонкого измельчения мягких и вязких материалов. При этом его  всегда комбинируют с раздавливанием или ударом. Истирание улучшает процесс  тонкого измельчения и перемешивание  материалов, но при этом увеличиваются расход энергии и износ рабочих элементов измельчителя. Продукты износа попадают в измельченный материал, а это нежелательно как с точки зрения ведения самого процесса, так и получения продуктов измельчения высокой чистоты.

В работе подавляющего большинства современных измельчителей использованы способы раскалывания, раздавливания и удар, а также сочетание этих способов с разламыванием и истиранием.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            Рис. 1.1. Способы измельчения твердых материалов:

а – раздавливание; б – раскалывание; в – разламывание; г – резание; д – распиливание; е – истирание; ж – стесненный удар; з – свободный удар.

 

 

 

1.2. Классификация  аппаратов для измельчения твердых  материалов.

В зависимости от назначения и принципа действия в машинах для измельчения могут использоваться различные виды нагрузок: раздавливание (сжатие куска), излом (изгиб), раскалывание (эквивалентно растяжению), истирание и удар (рис. 1.2).

Как правило, перечисленные  виды силовых нагрузок в процессе измельчения действуют одновременно, например, раздавливание и истирание, удар и истирание и др. Необходимость в различных видах нагрузок, а также в различных по принципу действия конструкциях и размерах машин вызвана многообразием свойств и размеров измельчаемых материалов и различными требованиями к крупности исходного материала и готового продукта. Однако при работе измельчителей в зависимости от их конструкций преобладает тот или иной способ измельчения.

Имеются практические рекомендации по использованию соответствующих видов нагрузок в зависимости от типа измельчаемого материала. Так, дробление прочных и хрупких материалов целесообразно осуществлять раздавливанием и изломом, а прочных и вязких – раздавливанием и истиранием. Крупное дробление мягких и хрупких материалов предпочтительно выполнять раскалыванием, среднее и мелкое – ударом. В промышленности дробление материалов проводят, как правило, сухим способом. Реже применяют мокрое дробление, когда в загрузочные устройства машин разбрызгивают воду для уменьшения пылеобразования.

Помол твердых материалов осуществляют ударом и истиранием. Также как и дробление, помол может быть сухим и мокрым. По сравнению с сухим, мокрый помол экологически более совершенен и более производителен. Однако мокрый помол может применяться только тогда, когда допускается контакт измельчаемого материала с водой.

По способу воздействия  на измельчаемый материал различают дробилки, разрушающие материал сжатием (щековые, конусные и валковые дробилки) и ударом (роторные и молотковые дробилки).

 

 

В щековых дробилках  измельчение материала происходит, в основном, раздавливанием в камере между щеками при периодическом их сближении. При отходе подвижной щеки от неподвижной измельченный материал выпадает из дробилки. Одновременно при сжатии кусков имеет место их относительное перемещение, вследствие чего куски истираются. При рифленых рабочих поверхностях щек измельчение кусков материала может сопровождаться также раскалыванием и изломом.

В конусных дробилках  разрушение материала происходит раздавливанием, изломом и истиранием при обкатывании подвижного конуса внутри неподвижного. При этом происходит периодическое сближение и отход от рабочих поверхностей конусов, в принципе, как в щековых дробилках.

В валковых дробилках  материал измельчается в сужающемся пространстве между вращающимися навстречу друг другу валками путем раздавливания. При использовании рифленых и зубчатых валков материал измельчается также раскалыванием и изломом.

В роторных и молотковых дробилках ударного действия измельчение материала происходит за счет удара по кускам вращающихся бил или молотков, а также соударения отброшенных кусков с отражательными элементами машин.

В шаровых барабанных мельницах материал измельчается во вращающемся барабане путем удара мелющих тел, падающих с некоторой высоты. Кроме того, при относительном движении мелющих тел и частиц материала происходит истирание последних.

В вибрационных мельницах  измельчение материала осуществляется в барабане, заполненном мелющими телами, ударом и истиранием при высокочастотных колебаниях корпуса.

В струйных мельницах  измельчение материала происходит истиранием при соударении частиц между  собой и со стенками рабочей камеры при хаотическом движении частиц в газовом потоке высокой турбулентности.

Машины для измельчения делят на дробилки и мельницы.

По конструктивным признакам  различают дробилки: щековые, валковые,

 

 

Рис. 1.2. Способы маханического разрушения материалов, реализуемые в дробилках  и      мельницах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

конусные, ударного действия (роторные и молотковые). Пальцевые измельчители и бегуны занимают промежуточное положение между дробилками и мельницами, так как их можно применять как для мелкого дробления, так и для крупного помола.

Мельницы делят на барабанные (тихоходные), роликовые, маятниковые, кольцевые и другие (среднеходные), молотковые, вертикальные, шахтные (ударные), вибрационные и струйные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3.Щековая  дробилка. Принцип работы.

Щековые дробилки применяют  для крупного и среднего дробления. Принцип работы щековой дробилки заключается в следующем. В камеру дробления, имеющую форму клина и образованную двумя щеками, из которых одна в большинстве случаев является неподвижной, а другая подвижной, подается материал, подлежащий дроблению. Клинообразная форма камеры дробления обеспечивает расположение более крупных кусков материала сверху, менее крупных - внизу. Подвижная щека периодически приближается к неподвижной. При сближении щек (ход сжатия) куски материала подвергаются дроблению. При отходе подвижной щеки (холостой ход) куски материала подвигаются вниз под действием силы тяжести и занимают новое положение или выходят из камеры дробления, если их размеры стали меньше наиболее узкой части камеры, называемой выходной щелью. Затем цикл повторяется.

Характер движения подвижной щеки зависит от кинематических особенностей механизма щековых дробилок. За время применения этих дробилок для переработки различных материалов было предложено и осуществлено большое количество самых разнообразных кинематических схем механизма дробилок.

Дробилки со сложным  движением подвижной щеки имеют  ход сжатия достаточный для интенсивного дробления по всей высоте камеры дробления. Как было отмечено, существенным недостатком  этих дробилок является интенсивное  изнашивание дробящих плит, обусловленное траекторией движения подвижной щеки. В то же время эти дробилки проще по конструкции, компактнее, менее металлоемки. В ряде случаев, например, при применении таких дробилок в передвижных установках или в подземных разработках, эти преимущества являются определяющими; дробилки со сложным движением щеки, так же как и дробилки с простым движением щеки, широко используют в различных отраслях народного хозяйства, и их изготовляют многие машиностроительные фирмы в мире.

 

 

 

Многолетняя практика создания и эксплуатации щековых дробилок показывает, что при оценке совершенства щековой дробилки и ее качества простота кинематической схемы и конструкции должна особо приниматься во внимание. Усложнение схемы, как оно заманчиво не выглядит на первый взгляд, приводит к усложнению конструкции, удорожанию эксплуатации.

Изучение схем простого и сложного движения подвижной щеки показало, что они обе являются наилучшими из всех предложенных и  обе имеют право на жизнь. Поэтому, учитывая особенности схем, дробилки с простым движением подвижной щеки предназначаются в основном для крупного дробления высокопрочных и абразивных материалов, а дробилки со сложным движением щеки больше для среднего и мелкого дроблении материалов средней прочности и абразивности.

В дробилке с простым движением подвижная щека подвешена на неподвижную ось. Шатун дробилки верхней головкой шарнирно соединен с приводным эксцентриковым валом. Внизу в шатун шарнирно упираются две распорные плиты, одна из которых противоположным концом упирается в нижнюю часть подвижной щеки, другая - в регулировочное устройство. При вращении эксцентрикового вала подвижная щека получает качательное движение по дуге окружности с центром в оси подвеса. Наибольший размах качания (ход сжатия) имеет нижняя точка подвижной щеки. Заход сжатия подвижной щеки принимают проекцию траектории движения данной точки на нормаль к неподвижной щеке. Срок службы дробящих плит при прочих равных условиях зависит от вертикальной составляющей хода. На дробилках с простым движением при малой вертикальной составляющей хода сжатия дробящие плиты служат больше, чем на дробилках со сложным движением, где этот ход больше. Схема обеспечивает большой выигрыш в силе в верхней части камеры дробления (рычаг второго рода). Недостатком дробилок с простым движением является малый ход сжатия в верхней части камеры дробления. Сюда попадают крупные куски материала, для надежного захвата и дробления которых необходим большой ход.

 

 

 

В дробилках со сложным  движением подвижная щека шарнирно подвешена на эксцентричной части приводного вала. Внизу подвижная щека шарнирно опирается на распорную плиту. Другим концом распорная плита опирается на регулировочное устройство. Эта дробилка проще по конструкции, компактнее и у нее меньшая металлоемкость. Траектория движения подвижной щеки представляет собой замкнутую кривую. В верхней части камеры дробления эта кривая - эллипс, приближающийся к окружности, в нижней части - сильно вытянутый эллипс.

Главным параметром щековых дробилок является В х L - произведение ширины В приемного отверстия на длину L камеры дробления. Ширина приемного отверстия - расстояние между дробящими плитами в верхней части камеры дробления в момент максимального отхода подвижной щеки. Этот размер определяет максимальную крупность кусков, загружаемых в дробилку: D_max = 0,85 В. Длина камеры дробления L определяем, сколько кусков диаметром D_max может быть загружено одновременно. Важным параметром щековой дробилки является также ширина B выходной щели. Она определяется как наименьшее расстояние между дробящими плитами в камере дробления в момент максимального отхода подвижной щеки. Ширину выходной щели можно изменять регулировочным устройством. Это позволяет изменять крупность готового продукта или поддерживать крупность постоянной независимо от степени износа дробящих плит.

Станина щековой дробилки со сложным движением подвижной щеки (рис.1.3) сварная. Ее боковые стенки соединены между собой передней стенкой 1 коробчатого сечения и задней балкой 4. Последняя также является корпусом регулировочного устройства. Над приемным отверстием укреплен защитный кожух 2, предотвращающий вылет кусков породы из камеры дробления. Подвижная щека 9 представляет собой стальную отливку, которая расположена на эксцентричной части приводного вала 3. В нижний паз вставлен сухарь для упора распорной плиты 8. Другим концом распорная плита упирается в сухарь регулировочного устройства 5 с клиновым механизмом. Замыкающее устройство

 

 

состоит из тяги 7 и цилиндрической пружины 6. Натяжение пружины регулируют гайкой. При ходе сжатия пружина сжимается. Стремясь разжаться, она способствует возврату щеки и обеспечивает постоянное замыкание звеньев шарнирно-рычажного механизма - подвижной щеки, распорной плиты, регулировочного устройства. Предохранительное устройство представляет собой распорную плиту, которая ломается при нагрузках, превышающих допустимые (например, при попадании в камеру дробления недробимых предметов). Более рациональными являются предохранительные устройства, которые не разрушаются при повышении нагрузок. Такие устройства бывают пружинными, фрикционными, гидравлическими. Жесткость пружин должна обеспечивать работу дробилки при обычных нагрузках. При попадании в камеру дробления недробимых предметов пружины сжимаются на величину, необходимую для поворачивания эксцентрикового вала при остановившейся подвижной щеке.