Глава 3. Измельчение сыпучих материалов (стр. 1 )

Глава 3. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Принципы работы измельчительного оборудования

Процесс измельчения представляет собой механическое разрушение кусков твердого материала на более мелкие. Измельчение осуществляют, чтобы достичь одну или несколько из следующих трех основных целей.

1. Создание требуемого специфического гранулометрического состава измельченного материала или требуемой его удельной поверхности. Более мягкое требование обеспечения заданной удельной поверхности обычно связано с достижением определенной реакционной способности сыпучего материала в тех или иных физико-химических процессах. Удельной поверхностью определяется эффективность использования химических удобрений, прочность бетонов и керамических прессовых изделий, интенсивность и качество цвета пигмента, вкус пищевых продуктов и многое другое. Более жесткое требование обеспечения требуемого гранулометрического состава (одному значению удельной поверхности соответствует бесконечное множество гранулометрических составов) связано с проявлением более тонких эффектов в перечисленных выше процессах, а также с расширением области применения тонких и сверхтонких порошков (присадки к маслам, магнитные носители для информационных систем, сверхпрочная керамика и т. д.).

2. Вскрытие целевых компонентов в многокомпонентных природных материалах. Различные компоненты неравномерно распределены по фракциям крупности сырья, и получение фракций, обогащенных тем или иным компонентом, является целью измельчения.

3. Реализация при измельчении механо-химических эффектов, позволяющих одновременно с увеличением удельной поверхности дополнительно увеличить реакционную способность твердых веществ.

Ежегодно в промышленности подвергается измельчению огромная масса сыпучих материалов. Только на территории бывшего СССР она составляла более 1 млрд т в год. В промышленно развитых странах на измельчение расходуется от 4 до 8 % всей производимой электроэнергии. Поэтому совершенствование этих процессов и оборудования, в котором они осуществляются, было и остается актуальной научно-производственной задачей.

Для того чтобы разрушить куски или частицы, к ним необходимо подвести механическую энергию, превышающую порог разрушения. Возможные идеализированные схемы нагружения частиц показаны на рис. 3.1. Эти схемы в чистом виде могут быть реализованы только в лабораторных условиях при нагружении одиночных частиц. В реальных измельчителях при нагружении ансамбля частиц автоматически реализуется несколько схем нагружения, однако всегда можно выделить доминирующую схему и приписать ее данному измельчителю.

 

Промышленность сталкивается с необходимостью измельчать очень крупные куски сырья (до 0,5 м и более) до очень мелких частиц, размер которых характеризуется всего десятками микрометров и менее. Естественно, что в одном измельчителе это сделать не удается, и процесс проводят в несколько стадий. Условно измельчение крупных кусков принято называть дроблением, а реализующие его машины – дробилками. Измельчение более мелких кусков называют собственно измельчением, а соответствующие машины – мельницами. Примерные диапазоны крупности измельчения и соответствующие им термины приведены в табл. 3.1 [26].

Таблица 3.1

Стадии	Максимальный размер куска (зерна), мм
до измельчения	после измельчения
Дробление: крупное среднее мелкое Измельчение крупное среднее тонкое сверхтонкое	≥500 100…500 50…100 20…100 5…50 1,0…10 0,1…1,0	100…400 20…100 4…20 1,0…4,0 0,1…1,0 0,01…0,1 <0,01

На рис. 3.2 показаны принципиальные схемы распространенных в строительной промышленности мельниц. Наибольшее распространение в цементной промышленности получили барабанные мельницы, которые при отношении длины к диаметру барабана больше трех называются трубными (рис. 3.2, а). Барабанная мельница – это вращающийся вокруг продольной оси барабан, заполненный мелющими телами в виде шаров или тел другой формы. Скорость вращения барабана подбирается таким образом, чтобы шары поднимались по его стенке до определенной высоты, а затем падали вниз и разрушали куски материала. Доминирующим механизмом разрушения здесь является стесненный удар, но значительную роль играет и истирание перекатывающимися друг относительно друга шарами в нижней части барабана. Оптимальный размер шара зависит от крупности измельчаемых частиц. Слишком большой по отношению к частице шар долго не может «найти» свою частицу, так как они «прячутся» в зазорах между шарами; слишком маленький легко ее находит, но его энергии не хватает на разрушение. Поскольку крупность материала существенно меняется по длине мельницы, то и оптимальная крупность шаров должна следовать ей. Эта проблема решается в многокамерных мельницах, где внутри барабана установлены одна или несколько перегородок, пропускающих материал, но задерживающих шары. В каждой камере-секции используются шары разного диаметра, убывающего от секции к секции.

 

Несмотря на высокую надежность, эффективность измельчения в барабанных мельницах невысока из-за стохастического движения шаров (когда значительная часть энергии расходуется на их столкновения, не приводящие к измельчению).

Более целенаправленным является энергоподвод в валковой мельнице, схематично показанной на рис. 3.2, б, где измельчение происходит между вращающимся рабочим столом и тоже вращающимися прижатыми к нему валками. Основным механизмом измельчения здесь выступает раздавливание, сопровождающееся истиранием вследствие некоторого скольжения валков относительно рабочего стола. В качестве мелющих тел в таких мельницах могут выступать не только валки, но и шары или цилиндры с тороидальной боковой поверхностью. Измельченный материал сбрасывается с рабочего стола и уносится потоком воздуха вверх.

Ударное измельчение реализуется в молотковых мельницах и дезинтеграторах (рис. 3.2, в, г). В молотковой мельнице измельчение происходит вращающимися билами, а в дезинтеграторе – размещенными на вращающихся в противоположные стороны коаксиальных дисках пальцами. Из-за встречного вращения дисков относительная скорость удара в дезинтеграторе выше, чем в молотковой мельнице, что позволяет получать в нем более мелкий измельченный материал, а также добиваться механо-химической активации материала – повышения реакционной способности подвергнутых нагружению с высокой скоростью деформации частиц.

Природа процесса измельчения такова, что при разрушении частицы образуются осколки с широким спектром размеров. Даже при однократном нагружении могут образовываться частицы, более мелкие, чем требуется, дальнейшее измельчение которых нецелесообразно. Поэтому достаточно часто мельницы комбинируют с классификаторами, которые выделяют из мельничного продукта мелкие товарные фракции, а более крупные отправляют на вход мельницы на повторное измельчение. Сочетание мельниц и классификаторов образует технологическую систему измельчения (ТСИ), структура которых может быть весьма разнообразной.

Две схемы простейших ТСИ с барабанными мельницами показаны на рис. 3.3. ТСИ открытого цикла (рис. 3.3, а) представляет собой просто мельницу, где на выходе получается готовый продукт, который характеризуется широким спектром размеров частиц. Расход материала через мельницу в ней равен производительности подачи сырья. В ТСИ замкнутого цикла (рис. 3.3, б) мельничный продукт направляется в классификатор, где разделяется на готовый продукт и возврат, который направляется на вход мельницы, где смешивается с потоком сырья. Здесь расход материала через мельницу больше, чем производительность подачи, и заранее не известен, так как поток возврата определяется характеристиками классификатора, которые сами, в свою очередь, могут зависеть от заранее неизвестного расхода по мельничному продукту. Очевидно, что расчет массопотоков и фракционных составов даже в такой простой ТСИ представляет собой достаточно сложную задачу, решение которой будет рассмотрено ниже.

 

3.2. Преобразование фракционного состава

при измельчении

Теория цепей Маркова оперирует дискретными состояниями системы, то есть дискретными характеристиками наблюдаемого свойства. Теперь объектом моделирования является распределение частиц перерабатываемого дисперсного материала по размерам. Для характеристики этого распределения введем дискретную сетку размеров [0, x1, x2, …, xm], которые можно отождествить с размерами ячеек сит реального или воображаемого ситового анализа. Размер xm соответствует размеру сита, остаток на котором равен нулю. Разбиение схематично показано на рис. 3.4.

В дальнейшем окажется более удобным нумеровать фракции, начиная с самой крупной. Тогда между номером фракции j и ограничивающими ее размерами сит существует соотношение xminj = xm-j, xmaxj = xm-j+1, где m – общее число фракций, x0 = 0.

При рассевке навески массой M между ситами [xm-j, xm-j+1] оказывается масса Mj материала. Относительное содержание этой фракции составляет

. (3.1)

Очевидно, что выполняется условие нормировки

, (3.2)

которое, однако, в ряде случаев будет нарушаться, если вместо массы навески M будет целесообразно использовать другой делитель.

Таким образом, состояние системы определяется совокупностью величин fj, определяющих ее принадлежность к одному из m состояний, выражаемых целыми числами j = 1, 2,…,m.