Порошковая металлургия и композиционные материалы (стр. 6 )

Производительность мельницы при этом повышается, а расход элек­троэнергии на измельчение уменьшается.

Решающее влияние на интенсивность и механизм размола оказывают: скорость вращения барабана мельницы, число и размер размольных тел, мас­са измельчаемого материала, среда размола.

Понятие критической скорости вращения барабана мельницы

С увеличением скорости вращения мельницы в связи с ростом цен­тробежной силы и угла подъема размольные тела падают вниз с большей вы­соты, производя главным образом дробящее действие. При дальнейшем уве­личении скорости вращения мельницы центробежная сила может настолько возрасти, что размольные тела будут вращаться вместе с барабаном и мате­риал практически не будет измельчаться. Скорость, при которой наблюдается подобный режим работы мельницы, называют критической скоростью вра­щения пкр.

Рис. 4. Схема к расчету критической скорости вращения барабана шаровой мельницы.

Для вывода критической скорости вращения рассмотрим поведение единичного размольного тела, например шара (рис. 4), находящегося в ба­рабане работающей мельницы.

Одиночный шар весом Р на поверхности барабана мельницы, вра­щающегося со скоростью V, м/с, в точке т будет находиться под действием центробежной силы, равной РV2/gR, где g - ускорение силы тяжести, м/с2; R-

внутренний радиус барабана мельницы, м.

При угле подъема α сила собственного веса шара может быть разло­жена на силы, одна из которых направлена по радиусу и равна Рsinα, а дру­гая - по касательной и равна Рcos α. При этом число оборотов барабана мельницы nкр, об/мин, а V = πDnкр/60, поэтому π2D2n2кр / 602 =gD/2,где D - внутренний диаметр барабана мельницы, м. Отсюда находим

       (1)

Не принимая во внимание трение, можно установить, что одиночный

шар будет удерживаться на стенке барабана до тех пор, пока (РV2)/gR>Рsin α,

или (V2/gR) ≥ sinα. В связи с этим рассчитанное по формуле (1) nкр надо по­нимать как условную величину, в долях которой удобно выражать число оборотов барабана мельницы, характеризующее принятый режим размола. Если скорость вращения V такова, что в момент прохождения шара через зе­нит, при котором а = 90°, шар остается на стенке барабана, то sin90° =V2/gR= 1, или V2 = gR.

Фактически при nкр шар еще не сможет в зените удержаться на стенке барабана мельницы вследствие скольжения по ее поверхности. При скорости вращения, равной пкр, происходит проскальзывание одного ряда шаров отно­сительно другого.

Факторы, определяющие степень измельчения

На процесс измельчения большое влияние оказывают масса размольных тел (коэф­фициент заполнения барабана) и отношение массы (объема) размольных тел к массе (объему) измельчаемого материала. Оптимальный коэффициент заполнения φ барабана мельницы размольными телами состав­ляет 0,4-0,5. При больших значениях φ уменьшается объем пространства в мельнице, необходимый для свободного падения или перекатывания раз­мольных тел. Уменьшение длины свободного падения размольных тел при­водит к потере кинетической энергии, с которой они действуют на измель­чаемый материал. При меньшем коэффициенте заполнения снижается произ­водительность мельницы, что связано как с уменьшением объемов загружае­мого материала (его должно быть столько, чтобы он не превышал объема пустот между размольными телами), так и переходом мельницы в другой ре­жим работы (менее интенсивный). Из-за уменьшения площади трения сег­мента из размольных тел о внутреннюю поверхность барабана размольные тела поднимаются на меньшую высоту, а, следовательно, снижается эффект от их действия на измельчаемый материал.

Если материала будет больше объема пустот между размольными те­лами, то часть его, не вмещающаяся в зазоры, измельчается менее интенсив­но. Кроме того, размольные тела будут падать как бы на «подушку» из лиш­него материала, что также снижает эффект от их действия.

Для интенсификации процесса размола его проводят в жидкой среде, которая препятствует распылению материала в свободном объеме барабана мельницы и обратному слипанию тонких частиц благодаря диэлектрическим свойствам. Кроме того, проникая в микротрещины частиц, жидкость создает большое капиллярное давление, способствуя измельчению. Жидкость также уменьшает трение как между размольными телами, так и между частицами обрабатываемого материала, благодаря чему интенсифицируется их переме­щение относительно друг друга. Жидкой средой обычно служат спирт, аце­тон, вода, некоторые углеводороды и пр.

Полезный эффект от размола в жидкости усиливается при добавлении в нее поверхностно-активных веществ (ПАВ). Количество жидкости должно быть таким, чтобы она достигала верхнего уровня размольных тел, находящих­ся в барабане мельницы, что составляет 0,15-0,25 л на 1 кг размольных тел.

Обычно в мельницу загружают 1,7-1,9 кг стальных шаров на один литр ее рабочего объема, а соотношение между массой размольных тел и массой измельчаемого материала составляет 2,5-3,0. При интенсивном из­мельчении это соотношение увеличивается до 6-12 и даже больше.

Если плотности измельчаемого материала и размольных тел близки (как, например, при размоле стальной стружки стальными шарами), указан­ное соотношение должно составлять 5-6.

Если плотности измельчаемого материала и размольных тел значи­тельно отличаются, то определить необходимое для эффективной работы мельницы количество материала можно расчетным путем. Известно, что при свободной насыпке сферических размольных тел равного диаметра в барабан мельницы объем пустот между размольными телами составляет около 50 %. Это тот объем, который и может занимать измельчаемый материал. Следова­тельно, зная объем мельницы и коэффициент заполнения ее размольными те­лами, можно определить оптимальный объем измельчаемого материала, а зная насыпную плотность материала, - массу. Аналогичным путем можно установить и объем заливаемой в мельницу жидкости.

Размер размольных тел (диаметр шаров) также оказывает влияние на процесс размола. По приближенной оценке его максимальное значение должно быть в пределах 5-6 % внутреннего диаметра барабана мельницы. Интенсивность измельчения с уменьшением размера размольных тел возрас­тает до тех пор, пока усилие от воздействия каждого из них оказывается дос­таточным для разрушения частиц обрабатываемого материала или наруше­ния целостности их поверхности. На практике для повышения эффективно­сти помола применяют набор различных по размерам размольных тел (на­пример, при соотношении размеров 4 : 2 : 1).

Производительность шаровых вращающихся мельниц во многом за­висит от их габаритных размеров и от характера измельчаемого материала.

Длительность размола колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Для предотвращения быстрого износа стенок барабана и загрязнения в результате этого измельчаемого материала применяют защиту (футеровку) внутренних поверхностей барабана износостойкими материалами: марганцо­вистыми сталями, твердыми сплавами, наплавочными материалами.

Для шаровых вращающихся мельниц соотношение средних размеров частиц порошка до и после измельчения, называемое степенью измельчения, составляет 50-100. Форма частиц, получаемая в результате размола в шаро­вых вращающихся мельницах, обычно осколочная, т. е. неправильная, с ост­рыми гранями, а шероховатость их поверхности невелика.

Режимы измельчения материалов

При измельчении материалов стараются поддерживать такие режимы работы мельницы, при которых на измельчаемый материал (со стороны раз­мольных тел) действовали бы максимальные усилия. На практике чаще всего применяют два основных режима работы шаровых мельниц: режим интен­сивного измельчения, при котором на материал действуют в основном раз­давливающие и ударные усилия, либо режим перекатывания, при котором на материал действуют истирающие и раздавливающие усилия. Первый ре­ жим применяется для получения грубых, крупных порошков, второй - для тонкого измельчения материала. Переход в тот или иной режим достигается вариацией скоростей вращения барабана мельницы (рис. 5).

Рис. 5. Схема движения шаров в барабане шаровой мельницы при различной ско­рости его вращения: а - режим скольжения при n< 0,2 пкр; б - режим перекатывания при n< 0,4-0,6 пкр; в - режим интенсивного измельчения (водопадный режим) при n< 0,75-0,85пкр; г - движение шаров при n>пкр

При получении измельченных материалов с размером частиц порядка одного микрометра размол путем дробления падающими шарами не эффек­тивен. Это связано с тем, что в процессе измельчения материала значительно уменьшается количество ударных воздействий, испытываемых за единицу времени каждой отдельной частицей. Кроме того, у мелких порошков в более значимой степени, чем у крупных, проявляется склонность к комкованию, агрегатированию и релаксации напряжений.

Поэтому на предприятиях после сравнительно непродолжительной (несколько часов) работы мельницы в режиме интенсивного измельчения, ее переводят в режим перекатывания шаров, при котором они не падают, а под­нимаются вместе со стенкой вращающегося барабана мельницы и затем ска­тываются по наклонной поверхности, образованной их массой (рис. 5, в).

Измельчаемый материал истирается между шарами, циркулирующи­ми в объеме, занимаемом их массой. При режиме перекатывания различимы четыре зоны движения шаров:

зона их подъема по стенке барабана с некоторой не очень высокой скоростью;

зона скатывания с наибольшей скоростью; зона встречи скатившихся шаров со стенкой барабана центральная застойная зона, в которой шары почти неподвижны. Увеличивая скорость вращения барабана мельницы, можно повысить эффективность режима перекатывания путем сужения или полной ликвидации застойной зоны в шаровой загрузке. Наконец, может быть создан еще один ва­риант режима размола, получивший название режима скольжения. При ис­пользовании мельниц с гладкой внутренней поверхностью барабана и при не­большой относительной загрузке размольные тела не циркулируют внутри ба­ рабана мельницы. Вся масса размольных тел скользит по поверхности вра­щающегося барабана, а их взаимное перемещение отсутствует (рис. 5, а). Из­мельчение материала при таком режиме размола малоэффективно, так как происходит путем истирания его лишь между внешней поверхностью сег­мента размольных тел и стенкой барабана мельницы.