Тонкое измельчение

Типы мельниц

Конечная цель тонкого измельчения – получение тонкомолотого материала определённой дисперсности, обеспечивающей химическую активность продукта или сырья на последующих стадиях него переработки или применения.

Типы измельчителей представлены на рис..

Рис.. Принципиальные схемы мельниц: а – шаровая; б – вибрационная; в - дезинтегратор; г – аэробильная; д – струйная; е - бегуны

Наиболее распространённый агрегат для тонкого и сверхтонкого помола - шаровая мельница (рис.), в которой мелющими телами являются стальные шары. При вращении мельницы мелющие тела под действием центробежной силы прижимаются к внутренней стенке корпуса и поднимаются на определённую высоту и падают под действием тяжести, разбивая при этом куски материала, предназначенного для измельчения. Применяют шаровые мельницы непрерывного (при больших объёмах производства) и периодического действия. Размер шаров, загружаемых в мельницу, принимают в зависимости от прочности и величины кусков размалываемого материала. Шаровые мельницы имеют несколько камер (2…4), разделяемые между собой перфорированными перегородками. В первую камеру поступают крупные куски, для которых необходима большая сила удара. Её загружают большими шарами (60…110 мм) и массой 5…6 кг каждый. Последующие камеры загружаются шарами всё меньшего диаметра соответственно степени измельчения поступающего в камеру материала. Последние камеры загружают обычно не шарами, а цилиндрами, которые доизмельчают материал истиранием.

Шаровые мельницы наиболее универсальные, производительные и надёжные агрегаты. Однако их КПД невелик (10…15 %). Большая часть механической энергии переходит в тепловую, которая расходится на нагрев материала, шаров, воздуха и стенок камеры. Кроме того, процесс помола в шаровой мельнице носит ярко выраженный затухающий характер: по истечении определённого времени помола удельной поверхности замедляется и практически становится равным нулю.

Рис.. Каскадная мельница сухого самоизмельчения: 1 – загрузочная течка; 2 – поперечные лопасти-подъёмники; 3 – зубчатые выступы; 4 –разгрузочный патрубок.

В цементной промышленности нашли применение мощные каскадные мельницы (рис.), в которых механизм измельчения тот же, что и в шаровых, но без мелющих тел, т.е., работающих по принципу самоизмельчения. Это короткий вращающийся барабан большого диаметра (7…9 м) с лопастями-подъёмниками. Внутрь мельницы может вводиться небольшое количество стальных шаров (5…6 %), которые усиливают разламывающее действие кусков материала. При переработке твёрдого сырья мельницы самоизмельчения не обеспечивают полного размола материала, который должен поступать на доизмельчение в шаровую мельницу.

Вибромельницы (рис.) представляют собой аппараты периодического действия и предназначены для тонкого и сверхтонкого измельчения. Барабан с шарами, установленный на пружинах, вибрирует с частотой колебаний 1500…3000 кол/мин. Шары перемешаются друг относительно друга с большой скоростью, и хотя единичная сила удара мала, но их количество в единицу времени велико. Разрушение происходит за счёт поверхностной трещиноватости измельчаемых частиц.

Вибромельницы имеют существенное преимущество перед шаровыми мельницами периодического действия - процесс измельчения в них происходит быстрее примерно в 10…20 раз при размоле до сопоставимой удельной поверхности.

Бегуны (рис.) предназначены для измельчения материала путём раздавливания и истирания между вращающимися катками и чашей (подвижной или неподвижной). Их применяют в основном для размягчения трудноразмокаемых глин, а также глин, содержащих крупные включения карбонатных пород. Бегуны - древнейшее помольное оборудование с тысячелетним «стажем». Основными их недостатками являются низкая производительность и высокий расход энергии.

Рис. Роликовая (валковая) мельница: 1 – выходной патрубок 2 – патрубок горячих газов; 3 - гидропневмоническое устройство; 4 – привод; 5 - размольная чаша;; 6 – кольцо с дюзами; 7 – валки (ролики); 8 – загрузочный патрубок; 9 - сепаратор

В современных технологиях этот же принцип измельчения реализован В роликовых (валковых) мельницах (рис.). Ролики (валки) и чаша размещаются в герметичном корпусе. Прижатие роликов к чаше обеспечивается и регулируется с помощью пружин или гидравлических цилиндров. Материал в мельницу загружают через загрузочный патрубок. Он поступает в центр измельчающей тарелки и центробежной силой отбрасывается к её периферии, где попадает под ролики. Измельчённый материал перемещается к наружной стороне дорожки качения ролика и падает с тарелки. Там он подхватывается и увлекается вверх потоком воздуха, нагнетаемого по периферии тарелки. Классификатор в верхней части мельницы отделяет крупные частицы материала, которые вновь падают на измельчающую тарелку. Такие мельницы намного экономичнее шаровых, расходуют меньше электроэнергии, у них ниже уровень шума и меньше габариты. Время нахождения материала в мельнице сокращается с 30 до 2 мин. Недостатки валковых мельниц – высокий износ чаши и валков, а также выход продукта с повышенным содержанием грубых частиц (до 10 %).

Наиболее эффективно тонкое измельчение материалов осуществляется в аппаратах ударного действия. К ним относятся шахтные (аэробильные) мельницы, дезинтеграторы и струйные мельницы.

Рис.. Схема шахтной мельницы

Шахтные мельницы нашли применении в керамической технологии и при производстве гипсовых вяжущих. В них одновременно производится сушка и помол материала, а также рассев готового порошка. Шахтная мельница состоит из размольной камеры и быстро вращающегося ротора с дисками, на которых шарнирно укреплены молотки. Над мельницей расположена прямоугольная металлическая шахта высотой 9…14 м. На высоте 1 м от размольной камеры находится течка, через которую в мельницу поступает предварительно раздробленное сырьё. Попадая во вращающийся ротор, оно измельчается. Источником теплоты для сушки в большинстве случаев являются отработанные дымовые газы с температурой 380…500 ^ОС и выше. Непрерывно поступая под ротор мельницы, они уносят с собой продукт помола в шахту, где он подсушивается. В результате этого более крупные частицы выпадают из газового потока и снова поступают в мельницу, где подвергаются повторному помолу, мелкие же частицы уносятся с дымовыми газами в пылеулавливающее устройство. При уменьшении скорости газового потока помол становится более тонким, при увеличении – более грубым.

Дезинтегратор получил наибольшее распространение в керамической технологии, их используют также на стекольных заводах. Струйные мельницы применяют для сверхтонкого измельчения материала в основном в керамике.

Сухой и мокрый помол

Сырьё, перерабатываемое в силикатной промышленности, разнообразно не только по составу, физическим свойствам, но и по своей естественной влажности, что обусловливает выбор различных способов его измельчения. Существует два основных варианта измельчения – сухое и в водной среде.

Сухое измельчение применяется для продуктов обжига (Цементный клинкер, известь и пр.), а также в тех случаях, когда сырьевая шихта должна представлять собой сухой порошок (цементные сырьевые шихты, керамические шихты). Оно может производиться во всех рассмотренных выше типах измельчителей. Однако каждый измельчитель имеет свои ограничения по влажности перерабатываемого сырья: шаровая мельница – влажность не более 0,5 5 (при более высокой влажности мельница замазывается); дезинтегратор – не более 13 %. Поскольку природное сырье, как правило, имеет более высокую влажность, в каждом конкретном случае должен быть решён вопрос о целесообразности предварительной сушки исходного сырья в отдельном аппарате либо о совмещении процессов сушки и помола, например, в шахтной, аэробильной или шаровой мельницах. В последнем случае упрощается технологическая схема, сушка идёт наиболее интенсивно. Как правило, аппараты совмещённого помола и сушки могут использоваться, если влажность сырья не превышает 10 %. При более высокой влажности необходима предварительная сушка сырья, что усложняет технологическую схему.

Сухой помол происходит особенно трудно. По мере роста удельной поверхности порошка возрастает и его поверхностная энергия, следовательно. Усиливается процесс агломерации. Для успешной работы мельниц сухо помола необходимо осуществлять аспирацию – вентилировать мельничное пространство, просасывая через него воздух. Большие объёмы холодного воздуха охлаждают футеровку корпуса, мелющие тела и сам материал, кроме того, воздушный поток, проходя через мельницу, увлекает мельчайшие частицы, которые отделяются в пылеотделительных устройствах. Тем самым повышается эффективность помола и предотвращается агломерация мелких частиц. Благодаря аспирации производительность мельницы повышается на 20…25 %, уменьшается пылевыделение, Улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

При измельчении плотных, трудно размалываемых материалов, например, цементного клинкера, рекомендуется ввод в мельницу поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поверхность образующихся при измельчении новых частиц адсорбирует ПАВ, что предотвращает их агрегирование. Проникая в микротрещины материала, ПАВ понижают сопротивляемость его размолу. Это приводит УК увеличению производительности мельницы на 20…30 % с соответствующим снижением удельного расхода электроэнергии.

Измельчение материала резко активизируется в водной среде, что связано с понижением прочности при насыщении материала водой (водостойкость). В результате размолоспособность материалов в водной среде повышается на 15…20 % и полностью устраняется агломерация. Измельчение в водной среде получило широкое распространение при приготовлении цементных сырьевых шихт.

Мягкие породы (мел, глина) с высокой естественной влажностью в водной среде могут измельчаться за счёт саморасклинивания без существенных механических усилий, и, соответственно, энергетических затрат.

Рис. Болтушка

Для «роспуска» глин используют болтушки, представляющие собой бетонный резервуар диаметром 5…12 м и глубиной 2…6 м. В центре на фундаменте установлен вертикальный вал, в крестовине которого подвешены стальные бороны со съёмными зубьями. Бороны при вращении разбивают куски породы и интенсивно перемешивают их с водой, поступающей в болтушку. Процесс размучивания сопровождается частичным обогащением сырья, так как из него выделяются каменистые плотные включения, которые периодически удаляются из болтушки. Этот агрегат применяется и для получения портландцементного сырьевого шлама при производстве цемента по мокрому способу. Основной недостаток болтушек в том, что они требуют значительных производственных площадей и не обеспечивают полного измельчения материалов.

Рис.. Роторная мельница

Более эффективным и менее громоздким аппаратом для измельчения мягких материалов являются роторные мельницы, или мельницы-мешалки, работа которых основана на том, что в горизонтальном металлическом барабане вращается со скоростью 300…400 об/мин быстроходный ротор с билами (лопастями). Куски материала, находясь в воде, подвергаются интенсивному перемешиванию, измельчаясь при соударении и взаимном трении, а также при ударе о металлическую поверхность корпуса и бил ротора.

Различают две принципиально отличающиеся схемы помола: по открытому и замкнутому циклам. По открытому циклу материал проходит через мельницу однократно, а по замкнутому - материал по выходе классифицируется на грубые и тонкие фракции. Крупные фракции возвращаются в мельницу на домол, а мелкие поступают на технологический цикл.

Схема открытого цикла проста, надёжна, имеет высокий коэффициент использования. Однако любые сырьевые материалы содержат примеси, отличающиеся своей размолоспособностью, а любая шихта состоит из нескольких компонентов, также отличающихся по размолоспособности. В открытом цикле легко размалываемые компоненты переизмельчаются, что приводит к неэффективности электрозатрат, а трудноразмалываемые оказываются недоизмельчёнными, что снижает их реакционную способность.

Высококачественные сырьевые смеси или порошкообразные продукты могут быть получены только в мельницах, работающих по замкнутому циклу, гарантирующему, что частицы некондиционных размеров не попадут в состав конечного продукта. Однако надо иметь в виду, что организация замкнутого цикла требует установки дополнительного оборудования для классификации и транспортировки, что усложняет и удорожает эксплуатацию, приводит к снижению производительности мельниц.

Классификация измельчённых материалов

Классификация – разделение твёрдых зернистых материалов на фракции (классы) по крупности кусков и зёрен. Эта операция, с одной стороны, снижает расход энергии на измельчение, а с другой, позволяет получить продукт заданной дисперсности, не содержащий некондиционных фракций.

Существует два основных вида классификации: механическая (разделение на ситах) и гидравлическая, основанная на различной скорости осаждения зёрен разной крупности в водной или воздушной средах.

Колосниковая решётка	Грохот

Трёхситный грохот	Барабанный грохот

Процесс разделения сыпучих материалов на классы по крупности путём просеивания через сита называется грохочением. Грохочение производится на грохотах, рабочий элемент которых - колосниковая решётка, состоящая из отдельных колосников, листовая штампованная решётка (при отверстиях более 3 мм) либо проволочное сито (отверстия менее 3 мм). Материал, подлежащий классификации, перемещается по поверхности решета. Если необходимо получить несколько фракций, материала, он последовательно пропускается через набор сит. Грохочение достаточно крупных зёрен применяется при подготовке фракционированного известняка для обжига в шахтных печах, а также при многостадийном дроблении твёрдых материалов для отделения кондиционных фракций.

Сита могут быть вращающимися (барабанными или призматическими), плоскими качающимися или вибрационными.

Применяют следующие виды грохочения:

· предварительное, при котором из исходной массы выделяется негабаритный материал, либо материал, не требующий дробления;

· контрольное, применяемое для контроля крупности готового продукта и выделения отходов; зёрна, крупнее заданного размера, возвращаются на повторное дробление;

· окончательное – для разделения продукта на товарные фракции.

Разделение материалов в газовых средах называют воздушной сепарацией, а в жидких – гидравлической классификацией.

Воздушную сепарацию применяют для сухих порошкообразных материалов крупностью менее 1 мм. Она широко используется при помоле цемента, гипса, извести, сухой глины. Аппараты для воздушной сепарации называют сепараторами. Материал транспортируется к сепаратору двумя способами: пневматическим в струе воздуха и механическим с помощью элеваторов. Соответственно используют и различные типы сепараторов: проходные или циркулярные.

На рис. представлена работа проходного сепаратора. Воздух или горячие газы с исходным материалом по патрубку 1 поступают в полость между корпусами 2 и 3. За счёт внезапного расширения канала скорость воздуха падает и крупные частицы, выпадая из взвесьнесущего потока, через патрубок 7 отводятся на домол. Поток по направляющим лопаткам 4 поступает во внутренний конус 3, где закручивается. Регулируя угол поворота лопаток, меняют направление и скорость потока, варьируя тем самым границы разделения частиц. Мелкие частицы, выпадая из потока, отводятся по патрубку 6, а воздух с взвешенной пылью направляется по патрубку 5 в пылеосадительные устройства.

.

Рис.. Схема проходного сепаратора: 1- входной патрубок; 2 – внешний корпус; 3 – внутренний корпус; 4 - направляющие лопатки; 5 – выходной патрубок; 6, 7 – разгрузочные патрубки мелкой и крупной фракции соответственно

Схемы, включающие мельницы с проходными сепараторами рассчитаны в первую очередь на измельчение сырьевых материалов одновременно с сушкой.

В циркулярных сепараторах для разделения частиц используется центробежная сила и поток воздуха. Сушка материалов производится путём подачи горячих газов в мельницу и сепаратор или только в сепаратор. Циркулярные сепараторы по сравнению с проходными более компактны и экономичны. Такие сепараторы используют также для классификации материалов, не требующих сушки, в частности, ими оборудуются цементные мельницы.

Воздушная сепарация позволяет повысить производительность помольного агрегата на 25…50 % за счёт своевременного удаления готового продукта и снизить удельные затраты энергии на 10…20 %.

Гидравлической классификации подвергают материал, крупность которого не превышает 5 мм. Гидравлическая классификация позволяет фракционировать сравнительно грубодисперсные смеси (например, песок) и отделять некондиционные грубые частицы в наиболее тонкодисперсных шламах.

Рис.. Дуговой грохот: 1 - входной патрубок; 2 – разгрузочные патрубки мелкой и крупной фракции

Для классификации цементных шламов широкое применение нашли дуговые грохоты (рис.), имеющие вогнутую рабочую поверхность просева. Шлам поступает в грохот под напором 0,15…0,17 МПа. При движении с большой скоростью по криволинейной траектории благодаря центробежной силе шлам разделяется по крупности частиц: более крупные частицы стремятся к периферии дугообразного грохота и удаляются через соответствующий патрубок. Дуговой грохот отличается высокой удельной производительностью, отсутствием движущихся частей, На современном этапе это наиболее совершенный аппарат для классификации шламов, обладающий самой высокой точностью разделения.

Наряду с различными типами грохотов классификацию шламов производят в гидроциклонах (рис.). Гидроциклон состоит из круглого питающего короба с патрубком для подачи шлама, установленным по касательной к поверхности короба (тангенциально). Под коробом размещается конус, а сверху переливной круглый короб с патрубком, также тангенциальным к поверхности короба, через который удаляется готовый шлам. Благодаря тангенциальному поступлению шлама в гидроциклон его струя образует завихряющийся гидропоток, из которого благодаря центробежной силы отбрасываются крупные частицы материала. Затем эти частицы по внутренней поверхности конуса скатываются вниз в кожух и возвращаются на доизмельчение. Кондиционный шлам удаляется из гидроциклона.

Рис.. Схема гидроциклона: 1 – конус; 2 – питающий короб; 3 - патрубок; 4 - переливной короб с патрубком; 5 – разгрузочная течка крупного материала

Установка гидроклассификаторов в замкнутом цикле помола позволяет увеличить производительность мельниц на 40…50 % по сравнению с открытым циклом при снижении удельных затрат электроэнергии и мелющих тел на 30…35 %.

Дата добавления: 2014-11-29