Инерционная мельница для тонкого измельчения материалов

 

Изобретение относится к металлургии, строительству, нефтехимической и химической промышленности, а именно к устройствам для тонкого измельчения хрупких высокотвердых и пластичных легкопрессующихся материалов как в сухом виде, так и в среде жидкости. Сущность изобретения: мельница инерционная содержит корпус с футеровкой, приводной вал с подвижными мелющими элементами, закрепленными в осях вращения на опорном диске и образующими с приводным валом единый ротор, патрубки для ввода и вывода продукции, при этом мелющие элементы в горизонтальном сечении имеют сегментообразную форму, а ось вращения каждого элемента смещена относительно его центра тяжести не менее чем на 0,5 его длины. На валу закреплено несколько опорных дисков с мелюшими элементами, которые по вертикали смещены друг относительно друга. Отношение внутреннего радиуса корпуса к большему радиусу горизонтального сечения рабочей части мелющего элемента составляет 1-5. Рабочая поверхность мелющего элемента в вертикальном сечении имеет криволинейную форму. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к металлургии, полиграфии, строительству, нефтехимической и химической промышленности, а именно к устройствам для тонкого измельчения высокотвердых и пластичных материалов как в сухом виде, так и в среде жидкости, и может быть преимущественно использовано для получения присадок к маслам и смазкам, пигментов для лакокрасочных материалов и искусственных волокон, защитных покрытий и строительных материалов.

Известен широкий класс устройств, обеспечивающих измельчение за счет раздавливающих усилий или сочетания раздавливания со сдвигом. К числу таких устройств относятся конусные инерционные дробилки, ролико-кольцевые горизонтальные и вертикальные мельницы, катково-чашечные, катково-тарельчатые, вальцевые, бисерные и т.п. конструкции.

В машинах этого типа измельчение материала производится комбинированным действием прямого раздавливания с истиранием (созданием сдвиговых усилий в твердом теле).

Известны ролико-маятниковые мельницы, в которых материал измельчается между неподвижным кольцом и быстровращающимися роликами, шарнирно подвешенными к крестовине, закрепленной на вертикальном валу. При вращении вала ролики центробежной силой инерции прижимаются к рабочей поверхности неподвижного кольца и, вращаясь вокруг своей оси, измельчают материал, подаваемый в мельницу питателем. Измельченный материал струей воздуха (или инертных газов), поступающих из коллектора, уносится в воздушный сепаратор. Грубая фракция из сепаратора возвращается в мельницу на доизмельчение, а тонкая (готовый продукт) улавливается в циклонах.

Известно устройство для диспергирования органических примесей в технологической щепе, включающее ротор с пакетами бил, шарнирно подвешенных на пальцах, причем ротор снабжен регулируемыми эксцентриковыми упорами для бил, которые установлены с наклоном в сторону, противоположную направлению вращения ротора, и статор с выступами на внутренней поверхности и дугообразными кольцевыми впадинами, расположенными рядами с шагом, равным 1-1,5 толщины щепы.

Недостатками прототипа являются: сложное конструкторское решение внутренней поверхности статора (выступы, дугообразные кольцевые впадины); разрушение материала в основном путем удара, что не позволяет измельчать высокопластичные материалы (графит, фторопласт, сульфид молибдена, йодид кадмия); конструктивная неприспособленность к измельчению мелких сыпучих продуктов; фиксированный зазор между билом и поверхностью статора; высокая энергоемкость и повышенная вибрация.

Целью изобретения является снижение энергозатрат при размоле как пластичных легкопрессующихся материалов, так и хрупких высокотвердых материалов.

Для достижения поставленной цели в мельнице инерционной для тонкого измельчения материалов, содержащей корпус с футеровкой, приводной вал с подвижными мелющими элементами, закрепленными в осях вращения на опорном диске и образующих с приводным валом единый ротор, патрубки ввода и вывода продукции, мелющие элементы в горизонтальной плоскости имеют рабочую поверхность в форме сегмента, при этом ось вращения каждого элемента смещена относительно его центра тяжести не менее чем на 0,5 его длины. На валу закреплено несколько опорных дисков с мелющими элементами, которые в вертикальной плоскости смещены относительно друг друга. Отношение внутреннего радиуса корпуса к большему радиусу горизонтального сечения мелющего элемента находится в соотношении от 1 до 5. Рабочая поверхность мелющего элемента в вертикальной плоскости в верхней части имеет криволинейную форму.

Использование мелющих тел, имеющих в горизонтальном сечении рабочую поверхность, соприкасающуюся с корпусом, в форме сегмента, приводит к тому, что мелющие элементы совершают вращательное отношение оси вала мельницы и колебательное (знакопеременное вращение) относительно оси элемента. В результате в предложенной конструкции используются силы инерции (центробежная сила вращательного движения) для создания необходимых раздавливающих усилий, значительно превышающих размалывающие усилия прототипа.

Смещение оси вращения элемента и его центра тяжести относительно радиальной оси линейной симметрии элемента в противоположные стороны со смещением центра тяжести от оси вращения на расстояние не менее чем на 0,5 длины элемента в сторону, противоположную направлению вращения ротора, приводит к возникновению сдвиговых усилий, создаваемых вращающим моментом всего ротора. При этом сдвиг осуществляется не по обечайке ротора, а по слою материала, что приводит к самоизмельчению последнего, без заклинивания элементов.

Установка мелющих элементов между опорными дисками не менее двух, размещенных симметрично относительно приводного вала как в каждом слое, так и во всех слоях друг относительно друга, позволяет исключить влияние движения мелющих элементов на вибрацию мельницы, так как суммарная составляющая колебательных движений элементов взаимно погашается. При этом на измельчаемый материал элементы оказывают многократное силовое воздействие с переменным циклом нагружения, вследствие чего в материале накапливаются усталостные напряжения, которые при циклической нагрузке разрушают его по дислокациям и межкристаллическим связям.

На фиг. 1 изображена мельница инерционная, продольный разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 механизм измельчения с указанием действующих сил; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 циклограмма движения мелющего элемента по развернутой цилиндрической поверхности аппарата; на фиг.6 аксонометрическая проекция вертикальной компоновки мелющих элементов.

Инерционная мельница (фиг.1) состоит из цилиндрического корпуса 1 с отрицательным конусом 2, патрубками ввода 3 исходного продукта и вывода 4 измельченного продукта. Внутри корпуса 1 размещен приводной вал 5 с опорными дисками 6. Между опорными дисками 6 размещены подвижные мелющие сегментоподобные элементы 7 (мелющий элемент 7, рабочая поверхность которого соприкасается с корпусом 1, имеет в горизонтальном сечении форму сегмента), закрепленные на осях 8 вращения, образующие с приводным валом 5 единый ротор, подвешенный в подшипниковой опоре 9. Привод ротора осуществляется двигателем 10 через редуктор 11. Элемент 7 имеет в верхней части криволинейную форму, за счет чего между ним и обечайкой корпуса 1 образуется коническая заборная зона 12.

На чертежах также обозначено: К центр тяжести элемента; М радиальная ось линейной симметрии, проходящая через вал 5 и точку Н; Н линейная (точка в плане) контакта мелющих поверхностей (обечайка корпуса мелющий элемент).

Мельница инерционная работает следующим образом.

Исходный сухой материал или суспензия поступают через патрубок 3 (фиг.1) на конус 2 и далее на верхний опорный диск 6, жестко соединенный с приводным валом 5. Конус 2 выполняет функцию распределителя материала, подавая его в центр вращающегося ротора при загрузке и возвращая его в центр с обратной стороны конуса 2 при вертикальной циркуляции измельченного материала. Ротор 5 мельницы вращается с определенной частотой от двигателя 10 через редуктор 11. Центробежная сила отбрасывает исходный материал к стенке корпуса 1, где материал попадает в заборную зону 12, под воздействием раздавливающих и сдвиговых усилий, создаваемых за счет вращения элемента 7 вокруг оси 8 и относительно вала 5, измельчается.

По мере измельчения материал, двигаясь по спирали сверху вниз, последовательно проходит каждый ряд мелющих элементов 7, что обеспечивает измельчение материала до заданных технологией размеров. Определенный зазор между опорными дисками 6 и обечайкой аппарата препятствует возможности транспорта неизмельченного материала из вышерасположенных к нижерасположенным рядам мелющих элементов 7. Готовый порошок или суспензия непрерывно удаляется через патрубок 4.

Механизм измельчающего действия мельницы инерционной аналогичен механизму измельчения прототипа, но в отличие от прототипа, мелющие элементы совершают не только вращательное движение относительно вала 5 (фиг.1), но и колебательное (знакопеременное вращение) относительно оси 8.

Сущность изобретения состоит в эффективном использовании сил инерции за счет того, что ось 8 вращения каждого мелющего элемента 7 и его центр тяжести К смещены относительно радиальной оси линейной симметрии М элемента 7 в противоположные стороны. При этом ось 8 вращения мелющего элемента 7 размещена за линией (точкой) Н контакта рабочих поверхностей (обечайка корпуса или футеровки мелющий элемент) по направлению вращения ротора, а центр тяжести К элемента смещен от его оси 8 вращения на расстояние не менее чем 0,5 длины элемента 7 в сторону, противоположную направлению вращения ротора (показано стрелкой у вала 5 на фиг.4). Количество мелющих подвижных элементов 7, размещенных между опорными дисками 6, не должно быть менее двух, а их компоновка как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях должна обеспечивать динамическую устойчивость ротора. Для сохранения рабочих характеристик мельницы при изменении ее габаритов соблюдается зависимость между внутренним радиусом корпуса 1-R и большим радиусом горизонтального сечения мелющего элемента 7-r, которая находится в соотношении от R/r 1 до R/r 5.

В предлагаемой конструкции используются силы инерции (центробежная сила вращательного движения) для создания необходимых раздавливающих и сдвиговых усилий. Сегментоподобный элемент 7 (фиг.3) выполнен со смещенным центром тяжести К и закреплен на оси 8 между опорными дисками 6 с возможностью свободного вращения в горизонтальной плоскости.

Точка контакта Н двух поверхностей (фиг.4) может находиться как на радиальной оси симметрии М при отсутствии материала в аппарате, так и быть сдвинутой вперед по направлению вращения на некоторую величину, определяемую размером частиц исходного материала.

При вращении ротора на элемент 7 (фиг.4) действует центробежная сила F_ц, направленная по радиусу через центр тяжести элемента 7.

Величина центробежной силы: F_ц m²r'(Н), где m масса элемента, кг; угловая частота вращения ротора 1/с; r' радиус от оси вращения ротора до центра тяжести элемента, М.

Элемент 7 под действием центробежной силы проворачивается вокруг оси 8 вращения и прижимаясь с силой F_давл F_ц к цилиндрической обечайке корпуса 1, раздавливает материал. Сдвиговое усилие создается вращающим моментом всего ротора. При этом сдвиг осуществляется не по обечайке ротора, а по слою материала, что приводит к самоизмельчению последнего. Направление сил показано на фиг.4 стрелками.

Смещение оси 8 вращения элемента 7 и его центра тяжести К относительно линии контакта Н элемента 7 с обечайкой 1 объясняется тем, что при расположении их в одной точке, например, на оси радиальной симметрии элемента М теряется способность элемента 7 проворачиваться вокруг своей оси 8 под действием центробежной силы и исчезает сдвиговый момент, что при определенной твердости измельчаемого материала приведет к заклиниванию элемента 7 и всего ротора. Смещение центра тяжести более чем на длину элемента физически невозможно.

На фиг.5 показана циклограмма движения мелющего элемента 7 по развернутой цилиндрической поверхности обечайки. Крутящий момент М_кр создает тянущее усилие F_т. В положении d частица материала касается стенки элемента 7 и обечайки, что определяет точку контакта Н. При достаточной твердости материала, если не произошло его разрушения, элемент 7 начинает приподниматься, проворачиваясь относительно оси 8 (положение б). На частицу в это время действует раздавливающая сила F_давл. F_ц и сдвиговое усилие, величина которого находится в зависимости от величины силы давления и крутящего момента.

Если ось 8 вращения не будет смещена относительно радиальной оси линейной симметрии М элемента 7, произойдет заклинивание элемента. В положении в частица переместилась вдоль образующей обечайки, а элемент 7 достиг максимальной высоты подъема и начал опускаться. В момент времени г элемент вернулся в исходное положение.

Таким образом при вращении ротора происходит колебательное движение каждого элемента 7 относительно закрепленной оси 8. Поскольку элементов 7 много и оси расположены симметрично относительно вала 5, то суммарная составляющая колебательных движений элементов 7 гасится и их влияние на вибрации аппарата отсутствует. При этом на измельчаемый материал элементы 7 оказывают многократное силовое воздействие с переменным циклом нагружения, вследствие чего в материале накапливаются усталостные напряжения, которые при циклической нагрузке разрушают его по дислокациям и межкристаллическим связям.

Смещение центра тяжести К элемента 7 (фиг.5, поз а) создает в момент контакта элемента 7 с материалом силовой рычаг. Увеличение отношения плеч L и l приводит к значительному возрастанию раздавливающего усилия в зоне контакта материала.

На фиг. 5 также показано действие сил на частицу в момент контакта ее с элементом 7 и обечайкой: F_д сила давления, равна центробежной силы; L плечо рычага от центра тяжести К элемента до точки контакта с материалом; l плечо рычага элемента 7 между точкой контакта и его осью вращения 8; F_реакц. реакция материала на силу давления; F_опоры реакция опоры; М_кр крутящий момент; F_сдвига сдвиговое усилие.

В результате максимальная сила давления при оптимальной центробежной силе создается в начальный момент воздействия элемента на материал. Если материал разрушается сразу, то точка контакта смещается к оси симметрии элемента, величина раздавливающей силы уменьшается и на обечайку элемент 7 оказывает минимальное силовое воздействие. В целом такое конструктивное решение обеспечивает износостойкость рабочих поверхностей и не требует создания чрезвычайно высоких значений центробежной силы.

Эффективное использование инерционной составляющей достигается за счет того, что количество мелющих элементов 7, размещенных между опорными дисками 6, должно быть не менее двух. Верхний предел количества элементов 7 ограничен габаритами измельчителя и не лимитируется.

Компоновка мелющих элементов 7 в горизонтальной плоскости должна обеспечить их динамическое равновесие, т. е. центробежная сила, действующая на каждый элемент 7, уравновешивается центробежной силой, действующей на противоположный элемент 7. Это исключает вредные вибрации аппарата и необходимые устройства для их гашения. Для этого эти элементы 7 располагаются симметрично относительно друг друга. В результате вертикальная компоновка мелющих элементов 7 в отдельных ступенях измельчения (фиг.6 аксонометрическая проекция ротора с пространственным смещением одного из элементов 7) должна обеспечить перекрытие площади поперечного сечения цилиндрической рабочей части аппарата (фиг.2), что обеспечивает динамическую устойчивость всего ротора. Элемент 7 на каждом из опорных дисков 6, жестко скрепленных с валом 5, смещается из положения а на нижнем опорном диске 6 в положение г на верхнем диске 6. Такое расположение элементов 7 на опорных дисках 6 обеспечивает независимо от длины ротора его самоцентрирование и исключает необходимость установки нижней опоры.

Размеры мелющих элементов 7 зависят от физико-механических свойств измельчаемого материала и диаметра обечайки измельчителя.

Отношение радиуса внутренней обечайки аппарата R и большего радиуса горизонтального сечения r мелющего элемента 7 (фиг.4) связаны определенной зависимостью, вытекающей из следующих предпосылок.

Поскольку мелющих элементов 7 должно быть не менее двух на опорном диске 6, то размещение в обечайке аппарата радиусом R сегментов с радиусом r, большим радиуса обечайки, физически невозможно. Отсюда R/r может быть равным единице или больше единицы.

Верхний предел отношения R/r определяется из следующих предпосылок. При увеличении диаметра аппарата (увеличение R) величина центробежной силы, действующей на мелющий элемент, находится в прямой зависимости от числа оборотов ротора и массы мелющего элемента. При сохранении массы мелющего элемента, т.е. его r, и числа оборотов ротора (диаметр аппарата увеличивается) инерционная составляющая измельчающего элемента будет непрерывно возрастать, что может привести к разрушению аппарата. Поэтому при увеличении диаметра аппарата необходимо сохранить величину силы инерции на уровне, достаточном для измельчения материала, исходя из пределов его прочности. В связи с этим величина r при увеличении диаметра аппарата должна быть уменьшена.

Второй предпосылкой является ограничение линейной скорости движения элемента по цилиндрической обечайке аппарата. Линейная скорость скольжения элемента по обечайке не должна превышать 10-15 м/с. Повышение величины линейной скорости элемента резко увеличивает тепловыделение в измельчаемом материале, вплоть до критической величины, приводящей к разрушению материала. Снижение линейной скорости в этом случае достигается выбором оптимальной массы мелющего элемента, т.е. его радиуса r. Снижение r ниже некоторой величины нецелесообразно. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что верхний предел отношения находится в интервале R/r 5, при этом обеспечивается требуемая линейная скорость и оптимальные раздавливающие усилия в аппарате диаметром до 1,5 м.

В некоторых случаях целесообразно материал подавать снизу, а отбирать сверху. Для этого мелющие элементы 7 поворачивают заборной частью (верхнее скругление сегментного элемента 7) вниз и осуществляют реверсирование двигателя.

К преимуществам предлагаемой конструкции мельницы инерционной относятся: возможность измельчения любых материалов (включая полимеры) до частиц размером 1-5 мкм и менее; отсутствие вибраций корпуса и связанных с этим явлением отрицательных моментов за счет самоцентрирования ротора; возможность секционирования аппарата обеспечивает получение тонкого помола с заданным узким дисперсным составом частиц; возможность осуществлять как сухой, так и мокрый помол; большая поверхность измельчения (вся внутренняя поверхность обечайки) обеспечивает большую производительность измельчения; возможность создания в рабочей зоне практически неограниченных по величине раздавливающих и сдвиговых усилий. В заявляемой конструкции величина подводимой в зону помола мощности ограничивается только прочностью обечайки аппарата на разрыв.

П р и м е р. Опытный образец мельницы инерционной диаметром 350 мм с четырьмя рабочими секциями предназначен для измельчения активных наполнителей волокнистых материалов в диметилформамиде до размера частиц 1-10 мкм.

Производительность аппарата составляет 50-100 кг/ч по конечному продукту. Аппарат снабжен шестнадцатью металлокерами- ческими мелющими элементами сегментоподобной формы (по четыре на каждом опорном диске). Масса каждого элемента составляет 6 кг. Отношение R/r 1,4. Число оборотов ротора регулируется в пределах от 200 до 600 об/мин. Мощность приводного электродвигателя 4 кВт. Раздавливающее усилие, создаваемое одним элементом F_разд. 128 кг (1280 Н) при 400 об/мин. Суммарное раздавливающее усилие в зоне помола F_сум 2000 кг (20000 Н).

При испытании мельницы инерционной измельчению подвергали различные материалы как повышенной твердости, так и обладающие пластинчатыми свойствами. В числе этих измельченных материалов: кварц, гранит, закаленные стеклошарики от бисерных мельниц, каолин, мел, окисные пигменты, ионообменные смолы, фторопласт, дисульфид молибдена, активированные угли и т.п.

Размер частиц после измельчения этих материалов составлял от 0,5 до 5 мкм и от 1 до 10 мкм (в случае ионообменных смол). Измельчение материалов до частиц более крупного размера не представляет проблем и может быть достигнуто как изменением скорости вращения ротора, так и уменьшением времени пребывания материала в аппарате.

Использование мельницы инерционной в технологии нетканных сорбционных и ионообменных материалов позволило заменить двухстадийный процесс получения суспензий (струйная мельница установка приготовления суспензий) на одностадийную технологию получения тонкой суспензии наполнителя в диметилформамиде. При этом полностью устранены потери наполнителя, присущие обычной технологии. Снижены в два раза затраты энергии, сокращены производственные площади и количество единиц технологического оборудования.

Формула изобретения

1. ИНЕРЦИОННАЯ МЕЛЬНИЦА ДЛЯ ТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ, содержащая корпус с футеровкой и патрубками для ввода и вывода продукции, а также установленный в корпусе ротор в виде приводного вала и подвижных элементов, каждый из которых закреплен на смещенных относительно их центра тяжести осях вращения между соединенными с приводным валом опорными дисками, отличающаяся тем, что, с целью снижения энергозатрат при размоле пластичных легкопрессующихся материалов и хрупких высокотвердых материалов, мелющие элементы в горизонтальном сечении имеют сегментообразную форму, при этом ось вращения каждого элемента смещена относительно его центра тяжести не менее чем на 0,5 его длины.

2. Мельница по п.1, отличающаяся тем, что мелющие элементы между опорными дисками смещены относительно друг друга по вертикали.

3. Мельница по п.1, отличающаяся тем, что отношение внутреннего радиуса корпуса мальницы к большему радиусу горизонтального сечения мелющего элемента составляет 1 5.

4. Мельница по п.1, отличающаяся тем, что верхняя часть рабочей поверхности мелющего элемента в вертикальном сечении имеет криволинейную форму.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6