Измельчение (помол) — это разрушение межмолекулярных связей, для чего всегда будет требоваться определенная энергия, большая энергии самих связей. При этом способ подведения энергии тем оптимальнее, чем меньше разница между подводимой энергией и энергией связей. В связи с этим оптимальной будет конструкция мельницы, в которой измельчаемый материал получает максимум энергии. Это возможно в условиях резонанса, т.е. когда частота вращения приводного вала мельницы (n, с-1) и частота собственных колебаний измельчаемого материала будут равны или близки. Это достигается изменением кинетического момента дебаланса или в период наладки мельницы, но обязательно всегда, когда меняется дробимый материал или необходимая конечная степень измельчения. Вибрационный помол осуществляется за счет удара и истирания мелющего тела об измельчаемую частицу или удара и истирания двух мелющих тел о защемленную между ними измельчаемую частицу.

В единичном акте встречи мелющих тел с разрушаемой частицей возникают напряжения выше предельных разрушающих для данного материала.

Шаровые мельницы

Шаровая мельница (рис. 2.14) представляет собой барабан 4, вращающийся вокруг горизонтальной оси, в который загружены куски размалываемого материала и стальные шары. Барабан опирается на фундамент двумя пустотелами цапфами 1. Загружаемый материал подается в барабан через левую цапфу 1, а через правую выдается продукт помола. Вращение мельницы осуществляется зубчатой передачей через венец 2, жестко соединенный с торцевым фланцем 3 барабана. Барабан 4 внутри футерован износостойкими плитами, которые жестоко закреплены на внутренней поверхности барабана.

Устройство шаровой мельницы

По конструкции шаровые мельницы бывают двух видов: с выгрузкой из барабана через сито и с воздушной системой отбора размалываемого продукта.

Мельница с ситами имеет барабан, составленный из стальных плит с отверстиями. Загрузка материала в мельницу производится через пустотелую цапфу барабана. Размолотый продукт проваливается сквозь отверстия в плитах, и попадает на полигональное сито, окружающее барабан мельницы. Крупные частицы не прошедшие через сито возвращаются обратно в барабан для дополнительного размалывания. Такие мельницы изготовляют на небольшую производительность (до 500 кг в час).

Мельницы второго вида отличаются от первого тем, что исходный материал также непрерывно поступает через пустотелую цапфу 1 в барабан, где размалывается, но тонкий продукт помола вместе с воздухом, находящемся в барабане мельницы, отсасывается пневмотранспортной системой 4 с воздушной сепарацией готового продукта (рис. 2.14). Таким образом, размалываемый материал из мельницы по цапфе 1 попадает в приемник 5 и в транспортный трубопровод 6, а затем в циклоны и бункера, расположенные на значительном удалении от мельницы, где и осаждается.

Схема движения шаров в шаровой мельницеТонкие частицы (< 50 мкм), не осевшие в циклонах, далее поступают в матерчатые фильтры, а очищенный воздух частично поступает обратно в мельницу, а часть его сбрасывается в атмосферу.

При оптимальной частоте вращения барабана шары поднимаются на определенную высоту, достигнув которой вместе с материалом падают, измельчая его. Падение шаров происходит по некоторой параболической траектории (рис. 2.15). Такое движение шаров называют водопадным. Это наиболее оптимальный режим работы мельницы, так как получается наибольшая полезная работа при наименьшем износе шаров.

При малой частоте вращения барабана шары поднимаются на небольшую высоту, а затем скатываются вниз или скользят по поверхности футеровки (см. рис. 2.15, а). Такое перемещение шаров называют каскадным. При этом полезная работа незначительна, так как измельчение материала происходит только путем его истирания. При большой частоте вращения барабана мельницы шары под действием центробежной силы не могут оторваться от футеровки 4 (рис. 2.14) барабана и вращаются вместе с ним. В этом случае не происходит никакого измельчения материала.

В точке отрыва центробежная сила шара весом G уравновешивается радиальной составляющей Gcosα силы тяжести G:

формула

где n — частота вращения барабана мельницы; R — радиус окружности, описанной центром шара, прижатого к барабану центробежной силой; α — угол образованной осью и направлением центробежной силы в точке отрыва.

Наименьшую частоту вращения, при которой нет свободного падения шара, называют критической. Очевидно, что оптимальной частота вращения барабана будет в том случае, когда шары движутся вдоль стенки барабана и, отрываясь от стенки, падают подобно свободно падающему телу (рис. 2.15, а). Теоретически установлено, что наименьший радиус загрузки шаров R0 составляет:

img-2016-09-04-14-05-54

Оптимальным углом отрыва является αo = 52° 14′.

Оптимальная частота вращения (с’1) шаровой мельницы определяется зависимостью:

img-2016-09-04-14-06-48

где D — внутренний диаметр мельницы.

В мельницу следует загружать такое количество шаров, чтобы во время ее работы шары каждого ряда совершали движение по своей траектории, не сталкиваясь с шарами других рядов. Величина загрузки мельницы шарами характеризуется коэффициентом заполнения — отношением площади F1 загрузки шарами поперечного сечения неподвижной мельницы ко всей площади F ее сечения:

img-2016-09-04-14-08-08

Коэффициент заполнения ψ1 = 0,4-0,5 принимает значения в зависимости от условий работы мельницы.

Полную загрузку мельницы G (кг) шарами при принятом коэффициенте ψ1 подсчитывают по формуле:

img-2016-09-04-14-09-27

где R — внутренний радиус футерованного барабана мельницы, м;
L — длина барабана, м; p — плотность шаров (р = 3,5-4,0 т/м3);
ψ — коэффициент разрыхления загружаемого материала, ψ = 0,5-0,6.

С увеличением массы загружаемого материала производительность шаровой мельницы повышается, но удельная производительность на кВт мощности уменьшается. Перегрузка мельницы шарами недопустима, так как вызывает перерасход электроэнергии и ускоренное изнашивание шаров и футеровки. При малой загрузке мельницы шарами ее производительность уменьшается.

Мощность, потребляемая шаровой мельницей, расходуется на поднятие шаровой нагрузки A1 = G·4R sin2α•cosα кгс·м и на сообщение кинетической энергии A2 = GR2n2/2920 кгс·м при режиме с максимальной абсолютной производительностью (Rо = 0,785 R и α0 = 52°14′) получим А1 = 1,13 RG кгс·м. Суммарная работа за один цикл движения шаров

img-2016-09-04-14-13-49

Подставив в это выражение значение оптимальной частоты вращения получим значение мощности N = 0,1G√R квт.

Производительность Q шаровых мельниц определяется по эмпирической зависимости:

img-2016-09-04-14-15-19

где А — опытный коэффициент работоспособности (для угля А = 1,5-4,5); G — масса шаровой загрузки, кг; α — угол отрыва шаров.

Молотковые мельницы

Молотковые мельницы (рис. 2.16) конструктивно во многом похожи на молотковые дробилки (рис. 2.13). Главное отличие молотковых мельниц от молотковых дробилок состоит в том, что мельницы не имеют решетки в нижней части мельничной камеры, а продукт помола с помощью встроенного вентилятора 7 уносится из мельницы воздушным потоком.

Молотковая мельница

На приводном валу 8 жестко посажен ротор 4, на котором с помощью шарниров, так же как и в дробилках, подвешены в три ряда молотки, измельчающие материалы. Для регулирования подачи материала в мельницу служит звездчатый питатель 2, вращение которому передается цепной передачей (на схеме не показана) от привода.

Тонкость помола и производительность мельницы регулируется частотой вращения звездчатого питателя и изменением зазора между ножами крестовины 10 и стенкой мельницы. Частота вращения главного вала мельницы регулируется сменным шкивом в пределах 17-25 с-1 в зависимости от сопротивления пневмотранспортной системы передачи молотого продукта (аналогичной описанной для шаровых мельниц (рис. 2.14)).

Продукт помола уносится из мельницы воздухом по транспортному трубопроводу в циклоны-осадители, где осаждается и выдается через затвор в приемный бункер, а отработанный запыленный воздух возвращается в мельницу. Часть воздуха из замкнутой рециркуляционной системы пневмотранспорта выбрасывается через фильтр в атмосферу, и такое же количество свежего воздуха, обычно подогретого, вводится в систему извне.

Производительность таких мельниц, как правило, невелика: для глины 1 т/ч и для угля 0,6 т/ч, но продукт помола имеет высокую степень измельчения. Мельницы такого типа положительно зарекомендовали себя в эксплуатации, но пневматическая система отбора продукта помола работает ненадежно.

Вибрационные мельницы

Вибрационные мельницы применяют для тонкого помола кварцевого песка, огнеупорной глины, угля, кокса и других материалов. В отличие от шаровых мельниц и бегунов, в вибромельницах материал разрушается в результате ударного и истирающего воздействия мелющих тел, что позволяет резко интенсифицировать процесс, а вследствие равномерной и значительной циркуляции мелющих тел достигается высокая однородность помола.

Общий вид вибромельницыПо расположению вибровозбудителя к помольной камере различают вибромельницы с наружным и внутренним расположением. Размещение вибратора вне помольной камеры дает возможность:

  • существенно улучшить кинетику движения элементов виброизмельчения;
  • усложнить движение виброизмельчителя таким образом, чтобы обеспечить максимум передачи энергии от рабочего органа к обрабатываемой среде. Это достигается совпадением частоты колебательного движения рабочего органа с частотой колебаний обрабатываемой среды на любом отрезке времени процесса размельчения.

Вибрационная мельница (рис. 2.17) состоит из помольной камеры 2, вибратора 1, вынесенного на внешнюю сторону корпуса мельницы (помольной камеры), опорной рамы 3, электродвигателя 6 и упругой муфты 4, соединяющей вал электродвигателя и дебалансный вал. Помольная камера 2 представляет собой стальной полый цилиндр, служащий корпусом мельницы, футерованный листовой сталью в зоне действия мелющих тел и материала. Помольная камера установлена на четыре пружины 7; ее торцовая стенка 8 — съемная. В верхней части камеры имеется загрузочная воронка 5, а в нижней — разгрузочная 9, с решеткой колосникового типа, свободно пропускающей измельченный материал, но задерживающий мелющий тела. Во избежание пылевыделения все отверстия закрывают пробками с резиновыми уплотнениями.

Опорную металлическую раму 3 вибрационной мельницы устанавливают на деревянный настил, а под нее подкладывают листовую резину, что исключает вредное воздействие вибрации на фундамент.

Мелющие тела представляют собой стальные цилиндры диа­метром Д = 10-20 мм и высотой 1,5Д. Масса мелющих тел в 2-3 раза больше массы загружаемого для помола материала.

Производительность вибрационных мельниц в 2 раза больше производительности шаровых мельниц (с электродвигателем той же мощности), а энергозатраты на 1 т продукции в 1,5-2 раза меньше. Вибрационные мельницы менее чувствительны к высокой влажности материала. Например, при помоле на бегунах и в шаровой мельнице требуется предварительная сушка глины до влажности 2-3%, а в вибрационной мельнице можно измельчать глину влажностью до 6-8%.

Собственная масса вибрационных мельниц и их габаритные размеры значительно меньше шаровых при одной и той же мощности привода. Частота колебаний вибратора мельниц обычно составляет 25 Гц, амплитуда колебаний помольной камеры 4-5 мм. Вибрационная мельница, представленная на рис. 2.17, не является типовой, существуют и другие типы вибрационных мельниц, но принцип их работы тот же.

При виброизмельчении кроме разрушения надмолекулярных связей может частично происходить еще и разрушение внутримолекулярных связей. При выборе оптимальных параметров вибрационной обработки, обеспечивающей лишь разрушение надмолекулярных связей, достаточно добиться того чтобы вибрационные силы были не меньше надмолекулярных сил связи.

При выборе оптимальных параметров вибрационной обработки, обеспечивающей разрушение еще и внутримолекулярных связей, указанное выше условие является лишь необходимым, но недостаточным, потому что внутримолекулярные силы обычно минимум на порядок сильнее надмолекулярных.

В связи с тем, что передача наибольшего количества энергии измельчаемому материалу происходит в условиях резонанса, то оптимальная постоянная частота — резонансная.

Максимальное значение вынуждающей силы F с переменной частотой и моментом выражается формулой:

img-2016-09-04-14-23-22

где g — ускорение свободного падения;
ω, ε — угловая скорость, ускорение вибробарабана;
Мв, М, Мв — момент, первая и вторая производные от него.

Напряжение о, возникающее в размельчаемой частице, равно:

img-2016-09-04-14-24-35

где s — поверхность частицы;

p — расстояние частицы от оси вибробарабана в радиальном направлении;

γ — коэффициент пропорциональности (плотность материала дебалансного груза). Следует, что оптимальные условия помола определяются максимумом функционала F.

Если изменение Мв и ω подчинить условиям:

img-2016-09-04-14-26-19

где Мов, ωов — оптимальные значения моментов и частоты; λ — собственная частота колебаний барабана, (1/c); α0 — фазовый угол, определяемый начальным положением вибровозбудителя, (рад); v — вязкие свойства материала виброизмельчителя (помола), Па-с; β0 — фазовый угол, определяющий начальную частоту вибровозбудителя, (рад), то все слагаемые, стоящие в скобках под знаком квадратного корня в формуле будут иметь максимальные значения.