Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция №4-5
Процессы ИЗМЕЛЬЧЕНИя
3.1. Термины, определения, классификация
Измельчение - процесс последовательного уменьшения размера исходного куска материала под воздействием внешних нагрузок, превышающих силы межмолекулярного сцепления в куске измельчаемого материала.
Процесс измельчения сопровождается уменьшением размера частиц и многократным увеличением поверхности измельчаемого материала, что позволяет резко повысить качество строительных материалов и изделий, получаемых из измельченного материала.
Измельчение характеризуется степенью измельчения i, которая определяется соотношением средневзвешенного размера Dc куска исходного материала к средневзвешенному размеру dc частиц материала после измельчения:
i = Dc / dc
В зависимости от размера частиц материала, получаемого после измельчения, процесс измельчения подразделяется на дробление - размер частиц готового продукта более 5 мм и помол - размер частиц менее 5 мм.
Процесс дробления осуществляется в дробилках: щековых, конусных, роторных, молотковых, валковых, бегунах. Степень измельчения при дроблении достигает 50.
Процесс помола осуществляется в мельницах: шаровых барабанных, тарельчато-валковых, роликово-маятниковых, аэробильных, вибрационных, бисерных, центробежных, струйных. Степень измельчения при помоле превышает 1000.
В зависимости от размера кусков готового продукта дробление (табл. 3.1) подразделяют на крупное, среднее, мелкое; помол - на грубый, средний, тонкий, сверхтонкий.
Таблица 3.1
Стадии процесса измельчения
|
Стадии |
Размер, мм |
|
|
до измельчения |
после измельчения |
|
|
Дробления |
||
|
крупного |
1500-500 |
350-100 |
|
среднего |
300-100 |
100-40 |
|
мелкого |
100-40 |
40-5 |
|
Помола |
||
|
грубого |
20-100 |
6-2 |
|
среднего |
5-50 |
1-0,5 |
|
тонкого |
1,0-10 |
0,1-0,01 |
|
сверхтонкого |
0,1-1,0 |
< 0,001 |
В зависимости от характера и направления действия внешних сил на кусок материала процесс измельчения осуществляется следующими способами (рис. 3.1): раздавливанием, истиранием, раскалыванием, ударом, резанием.
Рис. 3.1. Способы измельчения материала:
а) раздавливание; б) истирание; в) раскалывание; г) удар; д) резание.
При раздавливании (рис. 3.1, а) измельчение осуществляется под воздействием статических усилий сжатия между рабочими органами машины, в результате чего в материале создаются напряжения, превышающие предел прочности на сжатие. Такой режим измельчения характерен для щековых дробилок с простым движением щеки.
При истирании (рис. 3.1, б) разрушение материала происхо дит под воздействием напряжений сдвига, которые превышают касательные напряжения в материале. Истирание в комбинации с раздавливанием используется в конусных и валковых дробил ках, шаровых барабанных и тарельчато-валковых мельницах.
При раскалывании (рис. 3.1, в) материал измельчается под воздействием изгибающих напряжений, возникающих в куске материала, находящемся между зубьев рабочих органов маши ны. Такой режим измельчения используется в зубчато-валковых дробилках.
При ударе (рис. 3.1, г) в куске материала вследствие импульсной ударной нагрузки возникают напряжения, превышающие предел прочности на сжатие, в результате чего материал разрушается. Такой режим измельчения характерен для дробилок ударного действия, дезинтеграторов, струйных мельниц.
Различают стесненный и свободный удар.
При стесненном ударе материал находится в замкнутом объеме (ступа) и по нему наносится удар рабочим органом машины.
При свободном ударе материал сталкивается с рабочим органом машины (билами роторной дробилки), его разрушение происходит вследствие удара о рабочий орган машины, при столкновении разлетающихся кусков друг от друга, столкновении с отражательными плитами, а также при внецентренном ударе разрушение под воздействием центробежных сил.
При резании (рис. 3.1, д) возникают напряжения сдвига в материале, расположенном между острыми режущими кромками рабочего органа машины. Такой способ применяется при измельчении пластичных материалов. Например, измельчение глины в стругаче.
Чаще всего в дробилках и мельницах применяется комбинированный способ измельчения: например, раздавливание с раскалыванием и истиранием.
В зависимости от состояния измельчаемого вещества измельчение осуществляется сухим и мокрым способом.
При сухом способе измельчения производительность машины вдвое ниже, чем при мокром, а удельный расход энергии вдвое выше.
Вследствие этого применение мокрого способа предпочтительнее. Однако способ измельчения определяется требованиями технологического процесса и свойствами измельчаемого материала. Например, нельзя измельчать клинкер в шаровых барабанных мельницах по мокрому способу, т. к. получаемый при этом цемент прогидратирует, налипнет на шары, футеровку, и процесс измельчения станет неосуществимым.
Схемы измельчения. Процесс измельчения материалов - один из самых энергоемких в производстве строительных материалов. В связи с этим основной принцип, который положен в основу разработки технологической схемы измельчения, - не измельчать ничего «лишнего». Полученный после каждой стадии измельчения материал подвергается классификации, из него выделяется готовый продукт, либо частицы материала, размер которых меньше размера частиц материала, получаемого на следующей стадии измельчения.
Измельчение может осуществляться в одну или несколько стадий; в открытом или замкнутом циклах.
Рис. 3.2 Одностадийные схемы измельчения
а) – в открытом цикле; б), в), г), д) – в замкнутом цикле; 1 – исходный материал; 2 – измельчение; 3, 7 – готовый продукт; 4 – закрупненный продукт; 5 – классификация, сортировка; 6 – измельченный материал
На рис. 3.2 представлены одностадийные схемы измельчения (дробления и помола) в открытом (рис. 3.2, а) и замкнутом (рис. 3.2, б - д) циклах измельчения.
Схема открытого цикла измельчения без предварительной и окончательной классификации измельчаемого материала (рис. 3.2, а) нашла широкое распространение как при дроблении материалов, так и при помоле, например, в производстве цемента. Ее преимущество заключается в простоте конструкции и эксплуатации. Ее применение возможно лишь в тех случаях, когда к готовому продукту не предъявляется специальных требований по качеству измельчения.
Схемы одностадийного измельчения с предварительной классификацией (рис. 3.2, б) измельчаемого материала и выде лением из него фракций, размер которых менее размера частиц материала, выходящего из измельчителя, наиболее часто применяются при дроблении материалов. Такая схема позволяет снизить удельный расход энергии на дробление и повысить производительность дробилки.
Схема измельчения (рис. 3.2, в), когда исходный материал / и измельченный продукт 6 направляются на один классификатор 5, применяется при дроблении и при помоле. Недостаток такой схемы заключается в большой металлоемкости и повышенном износе классификатора 5, т. к. его производительность вдвое больше производительности измельчителя 2.
Наибольшее распространение получила схема, представлен ная на рис. 3.2, г. В этом случае исходный материал 1 без пред варительной классификации подается в измельчитель 2 (дро билку или мельницу) , измельченный продукт б направляется в классификатор (грохот, сепаратор) 5, готовый продукт 3 направ ляется на склад или следующую технологическую операцию, а крупный продукт 4 возвращается на доизмельчение. По такой схеме осуществляется дробление горных пород при производст ве щебня, а также помоле сырьевой шихты и клинкера в це ментном производстве. В данном случае, регулируя параметры работы классификатора, можно получать готовый продукт с требуемыми технологическими параметрами.
Схема, представленная на рис. 3.2, д, наиболее сложная и дорогостоящая в сравнении с предыдущими, однако она позволяет получить два продукта. Первый продукт 3 более высокого каче ства с меньшим размером частиц. И второй продукт 7 с большим размером частиц материала. Такая схема измельчения при меняется как при дроблении при производстве щебня, так и при помоле в производстве цемента.
На рис. 3.3 представлены двухстадийные схемы измельчения в открытом (рис. 3.3, а) и замкнутом циклах измельчения (рис. 3.3, б-д).
Такие схемы измельчения наиболее широко применяются при дроблении в производстве щебня, когда на первой стадии дробления используется щековая дробилка, а на второй — конусная или дробилка ударного действия (роторная), а также при помоле сырья в цементном производстве, когда на первой ста дии используется мельница «Гидрофол», либо «Аэрофол», а на второй - шаровая барабанная мельница.
Рис. 3.3 Двухстадийный схемы измельчения:
а) – в открытом цикле измельчения; б), в), г), д) – в замкнутом цикл измельчения; 1 – исходный продукт; 2 – (I) – первая стадия измельчения; 3 – полупродукт; 4 – (II) – вторая стадия измельчения; 5 (III, IV) – грохочение, классификация; 6 – закрупненный продукт; 7 – готовый продукт.
3.2. Закономерности процесса измельчения
Процесс измельчения материала зависит от многих факторов: физико-механических свойств измельчаемого материала, размера и формы куска, дефектов структуры материала, прочности, твердости, влажности, а также от конструкции и формы рабочих органов, характера действующих нагрузок.
В настоящее время не существует аналитических уравнений, описывающих сложный процесс измельчения.
Известно множество полуэмпирических выражений, позволяющих рассчитать работу, либо энергию, расходуемую на измельчение материала; посредством коэффициентов, входящих в уравнение, учитываются в каждом конкретном случае особенности того или иного материала и конструктивные особенности измельчителя.
Одним из первых П. Риттингер (1867г.) выдвинул гипотезу о том, что энергия, затраченная на измельчение, прямо пропорциональна вновь образованной поверхности измельчаемого материала. Этот закон принято называть законом поверхностей.
(3.2)
где S1,S2 - поверхность материала до и после измельчения, м2; ks - коэффициент пропорциональности, Н·м/м2.
Это уравнение может быть записано в виде:
(3.3)
где D ,dc - средняя крупность кусков до и после измельчения, м.
В 1874 г. В.А. Кирпичев, а затем Ф. Кик в 1885 г. сформулировали гипотезу о том, что расход энергии на измельчение куска материала пропорционален изменению объема. Этот закон принято называть законом объемов.
Е = kvΔV, (3.4)
где ΔV - деформированный объем разрушенного куска материала, м3; kν - коэффициент пропорциональности, Н·м/м3. Закон объемов можно записать в виде:
Энергия, затрачиваемая на измельчение геометрически по добных и однородных материалов, изменяется пропорционально объемам и массам измельчаемых материалов.
В 1950 г. Ф. Бонд на основании многочисленных экспериментов выдвинул гипотезу о том, что энергия, затрачиваемая на измельчение, пропорциональна среднегеометрическому произведению объема V и поверхности S куска измельчаемого материала.
(3.6)
где кв - коэффициент пропорциональности, Н·м/м2,5
Уравнение (3.6) может быть записано в виде:
Закон измельчения Ф. Бонда предполагает, что в первый момент измельчения, когда в куске материала образуются трещины, подводимая энергия прямо пропорциональна объему dc куска материала, а в последующем, когда энергия концентрируется на поверхности и в устье трещины, энергия пропорциональна вновь образованной поверхности d2.
В 30-е годы П. Ребиндер предложил свою интерпретацию объединенного закона измельчения — энергия, расходуемая на измельчение куска материала, пропорциональна вновь образованным объему ΔV и поверхности ΔS.
(3.8)
Анализ уравнения (3.8) показывает, что оно объединяет первые два закона измельчения и из него, при определенных условиях, можно получить уравнения (3.2) и (3.4).
При крупном дроблении, когда приростом удельной поверхности ΔS можно пренебречь, т. е. ΔS → 0 , уравнение (3.8) примет вид (3.4). А при помоле, когда ΔS→max, a ΔV → min , уравнение (3.8) примет вид (3.2).
Практическое применение уравнения (3.8) ограничено ввиду трудности определения величины коэффициентов к1 и к2, которые различны для разных материалов и условий процесса измельчения.
В зависимости от размера куска измельчаемого материала все законы измельчения можно записать в виде:
Е = ksD - закон Риттингера,
Е = kνD1 - закон Кирпичева,
Е = kBD 2,5 - закон Бонда, (3.9)
Е = ksD2 + kvD3 - закон Ребиндера.
3.3. Дробление
Существует несколько способов измельчения материала, которые отличаются видом энергии, превращаемой в работу измельчения, к ним относятся: механический, пневматический, электрогидравлический, электроискровой импульсный, электротермический, аэродинамический, ультразвуковой.
Наибольшее распространение в производстве строительных материалов получили: механический способ измельчения, который используется в дробилках и мельницах, и аэродинамический, используемый в струйных мельницах.
Существенным отличием дробилок от мельниц, в которых осуществляется механический способ измельчения, является то, что в дробилках между рабочими органами всегда имеется зазор, заполняемый измельчаемым материалом (щековые, конусные, валковые, роторные дробилки) при работе и остающийся свободным на холостом ходу; в мельницах на холостом ходу или в статике рабочие органы соприкасаются друг с другом (шаровые, стержневые, тарельчато-валковые, вибрационные и другие) и отделяются друг от друга слоем измельчаемого материала в процессе работы.
Дробилки применяют для получения кусковых материалов, например, щебня, либо в качестве первой стадии измельчения для последующего помола в мельницах.
В зависимости от конструктивных особенностей и характера процесса измельчения дробилки подразделяются на щековые, конусные, ударного действия.
Рассмотрим особенности процесса измельчения и взаимодей ствия рабочих органов дробилок с измельчаемым материалом в указанных дробилках.
3.3.1 Дробление в щековых дробилках
В зависимости от характера движения подвижной щеки, щековые дробилки подразделяются на две большие группы: на щековые дробилки с простым (рис. 3.4, а) и щековые дробилки со сложным движением (рис. 3.4, б) подвижной щеки.
У щековых дробилок камера дробления в поперечном сече нии имеет клиновидный профиль большим основанием В (рис. 3.4) направленный вверх, а меньшим b вниз.
Рис. 3.4. Схемы щековых дробилок:
а) - щековая дробилка с простым движением щеки; б) - щековая дробилка со сложным движением щеки; /, // - крайние положения подвижных щек; 1 - неподвижная щека; 2 - подвижная щека; 3 - ось подвеса щеки; 4 - эксцентриковый вал.
Отличительной особенностью щековых дробилок с простым движением щеки является то, что подвижная щека 2 совершает качательные движения относительно оси 3 подвеса. При этом каждая точка, принадлежащая поверхности подвижной щеки 2, перемещается по дуге. Вверху рабочей камеры на уровне верхней части неподвижной щеки 1 (рис. 3.4, а) точка А при движении подвижной щеки 2 из положения / в положение // (точка А по горизонтали перемещается на величину 0.1S, а по вертикали на 0.01S, в нижней точка С, соответственно, на S и 0,3S. Из этого следует, что в процессе дробления преобладают раздавливающие нагрузки (около 80 %) и только 20 % составляют истирающие нагрузки.
В связи с этим щековые дробилки с простым движением подвижной щеки преимущественно используют на первой стадии дробления для измельчения крупных кусков горных пород с пределом прочности на сжатие более 250 МПа.
У щековых дробилок со сложным движением подвижная щека 2 (рис. 3.4, б) подвешена на эксцентриковом валу 4. При вращении эксцентрикового вала 4 каждая точка, принадлежащая поверхности подвижной щеки 2, за один полный цикл совершает движение по замкнутой эллиптической траектории.
В верхней части рабочей камеры точка А на поверхности подвижной щеки 2 в горизонтальном направлении перемещается на величину 1.5S, а в вертикальном на величину 2,5S, в нижней части точка С, соответственно, на величину S и 3S. Таким образом, в этой дробилке преобладают истирающие нагрузки, которые в 2,5-3 раза больше, чем раздавливающие. Дробилки со сложным движением подвижной щеки устанавливают на последующих стадиях дробления.
Процесс измельчения в щековых дробилках осуществляется при сближении щек, переходе подвижной щеки из положения / в положение //, а при возвращении подвижной щеки из положения // в положение / совершается холостой ход, осуществляется разгрузка рабочей камеры дробилки. Наличие холостого хода у щековых дробилок является главным их недостатком, в результате чего производительность дробилок снижается вдвое и вдвое возрастает удельный расход энергии.
Основными кинематическими параметрами, характеризующими процесс дробления в щековой дробилке, являются угол а захвата, частота вращения п приводного вала и ход S подвижной щеки.
Угол а захвата - это угол между касательными 7 и 2 (рис. 3.5, а), проведенными через A и С, контакта куска измельчаемого материала с поверхностью футеровочных плит подвижной и неподвижной щек дробилок.
Главное условие дробления куска материала в рабочей камере щековой дробилки, у которой разгрузочное отверстие меньше загрузочного, заключается в том, чтобы при максимальном сближении щек (положение //, рис. 3.4) кусок материала не выталкивался вверх. Такое условие выполняется при определенной величине угла а захвата.
Рис. 3.5. Расчетные схемы щековой дробилки:
а) - к определению угла захвата; б) - к определению частоты вращения вала.
На рис. 3.6 представлены характеристики эффективности процесса дробления в щековых дробилках с простым движением щеки. По оси ординат приведен суммарный остаток R на сите, через которое прошли 90 % дробимого материала, а по оси абсцисс отношение размера среднего куска dc измельченного материала к ширине dc выходной щели дробилки (dc/b), характеризующее крупность готового продукта.
Рис. 3.6. Графическая зависимость R = f(dc/b) :
1,2,3- соответственно, материалы твердые, средние, мягкие.
Например, при dc/b, равной 0,4, выход готового продукта при дроблении твердых материалов составляет около 20 % (рис. 3.6, 1), средней твердости - 35 % (рис. 3.6, 2), мягких - 44 % (рис. 3.6, 3).
Для понимания процесса дробления в щековых дробилках с различной кинематикой движения подвижной щеки введем обобщающий критерий - эквивалентный ход сжатия, равный среднему ходу подвижной щеки: Scp=(x+x1), где х, х1- ход подвижной щеки в верхней и нижней частях камеры дробления.
Многолетний опыт эксплуатации дробилок показал, что наиболее целесообразно дробилки с простым движением щеки использовать в основном для крупного дробления высокопрочных и абразивных материалов, со сложным движением щеки - для среднего и мелкого дробления материалов средней прочности.
На практике каждой величине ширины b выходной щели соответствует определенная частота вращения эксцентрикового вала, при которой достигается максимальная эффективность процесса дробления. Установлено, что для 40 мм < b < 200 мм, п = 475-26, мин-1. При увеличении или уменьшении п эффективность процесса дробления уменьшается.
3.3.2. Дробление в конусных дробилках
Процесс дробления в конусных дробилках осуществляется раздавливанием, раскалыванием, изломом, истиранием в рабочей камере, образованной между неподвижным 1 (рис. 3.10) и подвижным 2 конусами при последовательном перемещении зоны дробления по окружности неподвижного конуса. Дробленый материал разгружается под действием собственного веса через выходную щель, которая имеет максимальную ширину b. В отличие от щековых дробилок в конусных процесс дробления и разгрузки осуществляется непрерывно и одновременно.
При смыкании конусов ширина разгрузочной щели становится минимальной, равной bо. Ход подвижного конуса равен эксцентриситету s=e, следовательно, bo=b-s. Максимальный размер куска материала, подаваемого в загрузочное отверстие, принимают равным Dmax=0,85B.
Основными параметрами конусных дробилок определяющими режим и эффективность процесса дробления являются: угол захвата; частота вращения (качения) подвижного конуса; диаметр, эксцентриситет и ход подвижного конуса; усилие дробления и потребляемая мощность.
Угол захвата а. Угол захвата конусных дробилок - это угол между образующими неподвижного и подвижного конусов. Угол ах наклона образующей неподвижного конуса на практике принимается равным 17010', а подвижного α2 = 9°30'.
Рис. 3.10. Схема измельчения в конусной дробилке крупного дробления:
1 - неподвижный конус; 2 - подвижный конус; 3 - ось вертикального вала; 4 - ось подвижного конуса; 5 - коническая пара привода.
На энергетические и технологические параметры процесса дробления в конусных дробилках существенное влияние оказывают: профиль камеры дробления и кинематика рабочих органов, которые должны обеспечивать заданную производительность, требуемый гранулометрический состав дробленого материала; исключение выбрасывания из рабочей камеры кусков дробимого материала.
Теоретическая объемная производительность дробилки определяется по формуле, м3:
где µ - коэффициент разрыхления измельчаемого материала, µ =0,45; DH - диаметр основания неподвижного конуса, м.
Формула (3.25) получена только на основании учета конструктивных параметров дробилки и не учитывает особенностей процесса дробления, поэтому она при практических расчетах дает достаточно большие погрешности. Однако она позволяет анализировать процесс дробления материала в конусных дробилках. На основании анализа зависимости (3.25) можно сделать следующие выводы.
Эффективность дробления зависит от крупности кусков материала, подаваемых в дробилку; в верхней части камеры дробления, ввиду малой величины хода подвижного конуса и наличия большого количества дефектов структуры в кусках материала (трещины, раковины, включения мягких материалов и т.п.) процесс дробления осуществляется неэффективно.
Крупные куски материала многократно захватываются между дробящими конусами, прежде чем происходит их разрушение. В результате этого рабочая камера по вертикали не заполняется материалом, что в целом приводит к существенному снижению производительности дробилок. В ходе промышленной эксплуатации конусных дробилок установлено, что рабочая камера, ввиду зависания крупных кусков в верхней части, заполняется только на 25-35 % измельчаемым материалом.
Уменьшение угла а захвата в нижней части рабочей камеры конусной дробилки за счет придания криволинейного очертания футеровке позволяет увеличить ее производительность. За счет этого удается увеличить коэффициент заполнения рабочей ка меры дробилки, ее производительность возрастает до 20 %.
Одним из вариантов повышения эффективности процесса дробления является работа конусной дробилки под завалом. Это также позволяет увеличить производительность дробилки до 20 % за счет увеличения коэффициента заполнения рабочей камеры. Объясняется это тем, что над загрузочным отверстием дробилки находится до 20 т материала. В результате его ворошения в загрузочное отверстие проникают куски материала, которые сразу поступают в среднюю незаполненную часть рабочей камеры.
Производительность дробилки, а следовательно, эффективность процесса дробления пропорциональна угловой скорости подвижного конуса. С увеличением частоты вращения подвижного конуса меняются условия процесса дробления: увеличивается кинетическая энергия вращающихся масс, участвующих в процессе дробления, следовательно, динамические процессы разрушения материала в стопорных режимах протекают более интенсивно. Однако, следует иметь в виду, что существенное увеличение частоты вращения подвижного конуса в существующей конструкции дробилки приведет к повышению нагрузок в узлах трения, а, следовательно, и снижению ее эксплуатационной надежности. Поэтому необходимо выбирать оптимальную величину частоты вращения подвижного конуса, при которой не произойдет существенных изменений нагрузок в опорно-ходовой части привода дробилки.
Очевидно, что с увеличением ширины разгрузочной щели при равном размере исходного материала производительность конусной дробилки возрастает. Например, при размере куска исходного материала, равном 650 мм, и ширине разгрузочной щели, равной 300 мм (рис. 3.11, 1), производительность дробилки равна 5000 т/ч, а при ширине щели b = 17 мм (рис. 3.11) - 2200 т/ч, т. е. при увеличении степени измельчения с 2,11 до 38,23 (в 18,1 раза) производительность дробилки снижается в 2,27 раза.
Рис. 3.11. Зависимость производительности Q конусной дробилки крупного дробления от размера кусков материала при различной ширине разгрузочной щели:
1 – b =300 мм; 2 –b = 180 мм; 3 - b=219 мм; 4-b=17 мм.
Это подтверждает наш вывод о том, что повысить эффективность дробления можно за счет уменьшения ширины b загрузочного отверстия, что позволяет повысить коэффициент заполнения рабочей камеры, что позволяет при незначительном снижении производительности существенно увеличить степень измельчения материала.
Процесс дробления в конусных дробилках мелкого дробления отличается от процесса дробления в конусных дробилках крупного дробления. Это объясняется спецификой работы и конструктивными особенностями камеры дробления.
Поперечный профиль камеры дробления представлен на рис. 3.12.
Существенным отличием профиля рабочей камеры является наличие зоны параллельности между наружным и внутренним подвижным конусами. Вследствие этого в процессе дробления к зоне параллельности подходит более подготовленный материал, размер которого на 10 - 15 % больше ширины зоны параллельности.
В зоне параллельности, благодаря ударно-вибрационному воздействию конусов на измельчаемый материал, происходит его разрыхление и разрушение. Фракционный состав дробленого материала отличается незначительным количеством мелкой переизмельченной фракции, содержание которой в готовом продукте зависит от физико-механических свойств измельчаемого материала.
Рис. 3.12. Пропускная способность камеры дробления у конусных дробилок мелкого дробления:
1 - наружный конус; 2 - внутренний конус; 3 - поперечное сечение камеры дробления; l - длина зоны параллельных конусов; b1 b2, b3 -ширина разгрузочной щели, b1 < b2< b3.
Для получения готового продукта с максимальным выходом заданной крупности при минимальном расходе энергии необходимо произвести калибровку исходного материала (грохочение), чтобы обеспечить условия нахождения дробимого материала в рабочей камере в рыхлом состоянии, что предотвращает запрес совку камеры дробления в зоне параллельности и гарантирован ный захват дробимого куска в зону параллельности.
На рис. 3.12 представлена схема камеры дробления и графическая зависимость пропускной способности характерных зон рабочей камеры при различной ширине разгрузочной щели.
Из графиков следует, что зона дробления забивается, т. е. пропускная способность при продвижении материала к зоне параллельности резко снижается и в начале зоны параллельности она минимальная, что создает условия забивания камеры дробления. Следовательно, входная производительность дробилки не должна превышать пропускную способность зоны параллельности.
Например, анализ графиков (рис. 3.12) показывает, что при любой ширине b разгрузочной щели характер зависимости пропускной способности камеры дробления не изменяется, пропускная способность рабочей камеры при ширине разгрузочной щели, равной b1, (рис. 3.12, b1) снижается с 16 кг/ч до 1,8 кг/ч перед зоной параллельности. Следовательно, с целью предотвращения забивания камеры дробления входная производительность дробилки (подача исходного материала) не должна превышать 1,8 кг/ч.
Исключить запрессовку, не снижая существенно входную производительность, можно за счет подбора (предварительной классификации) гранулометрического состава подаваемого на дробление материала. Суть этого метода сводится к следующему. Крупные куски, размер которых больше ширины загрузочного отверстия, при максимальном сближении кусков при входе в камеру дробления задерживаются. Вследствие этого крупные куски зависают в камере дробления, создавая предпосылки для разрыхленного состояния дробимого материала в камере дробления.
Опыт промышленной эксплуатации показывает, что при содержании в исходном продукте до 15 % кусков, крупность которых больше минимальной ширины загрузочного отверстия, обеспечивается эффективное ведение процесса дробления без зависания.
Функции N/Q=f(i) носят экстремальный характер с одной точкой минимума, т.е. при любой степени измельчения i с увеличением производительности Q дробилки удельный расход энергии сначала снижается до минимального значения, а затем возрастает. Например, при степени измельчения, равной i3 (рис. 3.13, в) удельный расход энергии снижается с 0,35 до 0,18 кВт·ч/м3, а производительность Q возрастает, соответственно, с 20 до 150 м3/ч. Последующее увеличение производительности Q до 200 м3/ч при той же степени измельчения, равной i3, приводит к увеличению удельного расхода энергии до 0,2 кВт·ч/м3. Это объясняется тем, что в рабочей камере дробилки одновременно находится большее количество кусков дробимого материала, увеличивается площадь их контакта с дробящим конусом, возрастает работа дробления и прямо пропорционально работе дробления возрастает потребляемая мощность N при забивании камеры дробления и минимальном удельном расходе энергии.
Оптимизация процесса дробления в конусных дробилках может осуществляться по нескольким параметрам, в частности, по минимизации удельного расхода энергии, т.е. N/Q→min. Из графика (рис. 3.13, в) следует - чем выше степень измельчения i, тем ниже удельный расход энергии, причем производительность дробилки снижается незначительно.
Функция N=f(i) - прямолинейная, a N=f(Q) - гиперболическая. Это очевидно и подтверждается выше сделанными выводами в отношении особенностей процесса дробления в конусных дробилках мелкого дробления.
Функции R=f(z) убывающие, близки к прямолинейным. У любого типа конусных дробилок с увеличением соотношения d/b доля крупных фракций в готовом продукте возрастает, т. е. R снижается.
3.3.3. Дробление в валковых дробилках
Валковые дробилки получили широкое распространение при дроблении мягких материалов, склонных к налипанию. Измельчение материала в них осуществляется между валками, вращающимися навстречу друг другу раздавливанием, раскалыванием и истиранием.
В зависимости от количества валков они бывают одно-, двух-, трех- и четырехвалковыми. Степень измельчения материалов средней прочности составляет i=4, а мягких пород при одностороннем дроблении достигает 10. Несомненным преимуществом валковых дробилок является незначительный выход мелких фракций в готовом продукте вследствие того, что дробление, как правило, производится однократным раздавливанием куска материала между валками при его минимальном истирании.
Процесс дробления во многом зависит от конструкции поверхности валка, они бывают с гладкой, рифленой, зубчатой, дырчатой поверхностью. Сочетание дробящих поверхностей валков может быть самым разнообразным: оба валка гладкие - применяются для дробления пород средней прочности, Rсж≤150 МПа; оба валка рифленые - область применения та же; оба валка зубчатые - применяются для дробления мягких пород, Rсж≤80 МПа; один валок гладкий, другой валок дырчатый - применяются для измельчения глины; один валок гладкий, другой рифленый - также применяются при обработке глины и т. п.
Производительность и степень измельчения валковой дробилки зависят не только от конструкции валка и ширины щели между валками, но и также от угла захвата, частоты вращения валков и усилия дробления.
Угол захвата в валковых дробилках - угол между касательными к поверхности валков, проведенными через точки контакта куска дробимого материала с поверхностью валков.
На кусок материала шарообразной формы действуют силы Р давления обоих валков, проходящие через точки контакта А и В куска дробимого материала, с валками, направленные по нормали к касательным, проведенным через эти точки, силы трения fР, а также сила тяжести mg. Силу тяжести, ввиду ее малости, не учитываем.
Рис. 3.15. Расчетная схема измельчения в валковой дробилке.
Производительность дробилки можно вычислить, если процесс дробления представить как движение ленты материала шириной, равной длине L валка, и толщиной, равной ширине b щели между валками.
Учитывая, что материал из дробилки выходит в разрыхленном виде, а один из валков перемещается в горизонтальном направлении, увеличивая ширину щели до 25 %, то формулу (3.31) можно записать в виде:
где 1,25 - коэффициент, учитывающий увеличение ширины щели между валками; µ - коэффициент разрыхления, учитываю щий заполнение щели между валками дробимым материалом, µ =0,4-0,6 для прочных материалов, µ =0,4-0,6 для влажных вязких материалов; ρ - объемная плотность материала, т/м3.
Графические характеристики R=f(b/d), представленные на рис 3.16, дают основание сделать следующие выводы в отношении процесса дробления материала в валковых дробилках.
Рис. 3.16. Характеристика крупности продуктов дробления валко вой дробилки:
1 - мягкий материал; 2 - материал средней прочности; 3 - прочный материал.
Для всего спектра материалов, дробимых в валковых дробилках 80<Rсж<200 МПа функции R=f(b/d) убывающие, т. е. с увеличением зазора b между валками доля крупной фракции в готовом продукте возрастает, степень i дробления снижается. Например, для мягкого материала (Rсж =80 МПа), рис. 3.16, 1, при увеличении соотношения b/d с 0,2 до 1,4 доля мелкой фракции в готовом продукте снижается с 62 % до 5 %.
Эффективность процесса дробления у мягких материалов выше, чем у прочных. Например, при b/d, равном 0,8, доля мелкой фракции в готовом продукте при дроблении мягкого материала составляет 82 %, а при дроблении прочного материала она значительно меньше - 40 %.
При дроблении пород средней прочности (Rсж = 150 МПа) график функции N=f(Q) возрастающий, линейный, как для дробилки с гладкими, так и для дробилок с зубчатыми валками. Это очевидно и не требует дополнительных пояснений. Как было указано выше, процесс дробления в валковых дробилках с зубчатыми валками менее энергоемкий и более эффективный - производительность зубчатой дробилки, при прочих равных условиях, выше, чем у дробилки с гладкими валками. Например, при производительности зубчатой дробилки 8 м3/ч (рис. 3.17, 2) потребляемая мощность привода равна 50 кВт, а у дробилки с гладкими валками она - 89 кВт, т.е. на 78 % выше.
Рис. 3.17. Зависимость потребляемой мощности от производитель ности валковой дробилки, N=f(Q):
1 - дробилка с гладкими валками; 2 — дробилка с зубчатыми валками.
Таким образом, при выборе валковых дробилок необходимо учитывать особенности процесса дробления, осуществляемого с использованием валков с различной формой их поверхности: гладкие, ребристые, зубчатые, дырчатые.
3.3.4. Дробление в дробилках ударного действия
Дробилки ударного действия предназначены для среднего и мелкого дробления пород мягкой и средней прочности: известняка, мела, гипса, доломита, асбеста и др.
Измельчение материала в них происходит за счет удара бил или молотков быстровращающегося ротора по куску, удара разлетающихся частей о футеровку и друг о друга, разрушение куска между билами, молотками, дробящими плитами и колосниковой решеткой.
В зависимости от конструкции ротора дробилки ударного действия подразделяются на две большие группы: роторные и молотковые. У роторных била жестко прикреплены к ротору таким образом, что масса ротора участвует в процессе дробления, а у молотковых молотки шарнирно подвешены на осях.
Дробилки ударного действия (ДУД) целесообразно использовать при дроблении хрупких материалов, в этом случае достигается максимальная производительность и степень измельчения и минимальный удельный расход энергии. При дроблении мягких пород, наоборот, - производительность и степень измельчения минимальные, а удельный расход энергии максимальный. Это происходит потому, что частицы дробимого мягкого материала налипают тонким слоем (2-3 мм) на била, молотки, футеровку, создавая демпфирующий слой, который гасит энергию удара.
Роторная дробилка различается по конструкции рабочих органов с жестко закрепленными билами (рис. 3.18, а, в, г), молотковые дробилки с шарнирно подвешенными молотками (рис. 1, б), дробилки ударного действия и пальцевые измельчители.
По числу роторов различают однороторные (рис. 3.18, а) и двух роторные (рис. 3.18, в, г) дробилки.
Двух роторная дробилка
Двух роторная дробилка одноступенчатого дробления (рис. 3.18, в) имеет высокую производительность. Исходный материал поступает равномерно на оба ротора, которые работают самостоятельно в одном корпусе. В двух роторной дробилке двухступенчатого дробления (рис. 3.18, г) материал в зоне действия первого ротора подвергается предварительному дроблению, а затем в зоне действия второго ротора – повторному дроблению.
Рис. 3.18 Принципиальные схемы ударных дробилок
Роторная дробилка может применяться для дробления крупных кусков, так как имеет массивный ротор и обладает большим запасом энергии рабочих органов. Молотковая дробилка (рис. 3.18, б) использует тип дробления при котором процесс определяет лишь кинетическая энергия самого молотка. В пальцевых измельчителях рабочим органом являются два диска с установленными по их периферии пальцами. Различают пальцевые измельчители с одним вращающимся диском (дисмембраторы) и с двумя вращающимися навстречу друг другу дисками (дезинтеграторы). Типоразмерыроторных и молотковых дробилок определяются диаметром и длиной ротора, а пальцевых измельчителей – наружным диаметром диска.
Роторная дробилка по технологическому назначению делится на :
Роторная дробилка для крупного дробления (ДРК)
Роторная дробилка для среднего дробления (ДРС)
Роторная дробилка для мелкого дробления (ДРМ)
Принципиальные конструктивные схемы роторных дробилок, во многом, одинаковы и отличаются числом отражательных плит и соотношениями размеров ротора. Камера дробления у дробилок ДРК образуется ротором и двумя отражательными плитами, у дробилок ДРС и ДРМ – ротором и тремя плитами.
Роторная дробилка для крупного дробления показана на рис. 3.19. Корпус дробилки – сварной, разъемный, состоит из основания 1 и верхней части 2. Верхняя часть корпуса изнутри футерована броневыми плитами 3. Вал ротора 8 установлен на роликовых подшипниках, расположенных в корпусах основания 1. Корпус ротора – стальной, литой, в пазах клиньями закреплены била 6 из износостойкой стали или отбеленного чугуна. Внутри верхней части корпуса шарнирно закреплены несколько отражательных плит 4. Пространство между ротором, отражательной плитой и боковыми футеровочными плитами образует камеру дробления.
Для регулирования степени измельчения расстояние между нижними кромками отражательных плит и билами изменяется при помощи подпружиненных тяг 5. Они являются также механизмами предохранения машины от поломок при попадании в нее недробимых предметов. Верхняя часть корпуса имеет разъемные переднюю и заднюю части. Последняя при помощи встроенного домкрата может откидываться на шарнире, что облегчает доступ к рабочим органам для их осмотра и ремонта. Приемное отверстие дробилок снабжают цепной завесой, исключающей выбрасывание кусков измельчаемого материала под воздействием бил.
Рис. 3.19 Роторная дробилка
Молотковая дробилка показана на рис. 3.20. Корпус дробилки состоит из основания 1 и крышки 10. В сварном корпусе вращается вал ротора 3, установленный на роликовых подшипниках 2, вынесенных за пределы корпуса. Корпус изнутри футерован сменными броневыми плитами; в левой части крышки установлена отбойная плита 9.
Рис. 3.20 Молотковая дробилка
Молотковая дробилка имеет на валу ротора размещенные диски 6 с дистанционными кольцами между ними. Через диски проходят оси 4 с шарнирно подвешенными молотками 5. Число рядов молотков и их общее количество определяется назначением дробилки и ее размерами. На крупных дробилках устанавливают до 100 молотков массой 4…70 кг (в зависимости от типоразмера дробилки). Молотковая дробилка может использовать для регулирования размера частиц продукта в отбойный брус 8, перемещаемый в направляющих и фиксируемый в требуемом положении винтами. В нижней части камеры дробления установлены две колосниковые решетки: поворотная 7, шарнирно подвешенная на оси и выкатная. Рама 13 выкатной решетки установлена на катках, опорами для которых служат рельсы 12. Зазор между выкатной решеткой и молотками регулируют вращением эксцентриков 11. Била и молотки, работающие в тяжелых условиях в абразивной среде, изготовляют из стали 110Г13Л или из обычной углеродистой стали с наплавкой на рабочие поверхности износостойких сплавов.
Рассмотрим физику процесса дробления в дробилках ударного действия.
При попадании дробимого куска под било вращающегося ротора допускаем, что кусок материала, ввиду малой скорости его движения в сравнении с билом ротора, находится в состоянии покоя, а движется навстречу ему только било ротора.
Через точку контакта била с куском дробимого материала проводим касательную к обоим телам. Прямая, перпендикулярная касательной в точке удара, называется линией удара.
Если линия удара проходит через центр тяжести дробимого куска, такой удар называется центральным, а любой другой - внецентренным.
При соударении двух тел различают два периода. Первый начинается с момента соприкосновения. Происходит деформация (сплющивание) куска материала, их сближение достигает максимума, скорость движения обоих тел (куска и била) становится одинаковой. В этот момент начинается второй период, когда сплющивание исчезает. Этот период длится до момента расхождения куска и била.
Сила Р удара в первый период возрастает до максимальной величины, а во время второго периода уменьшается до нуля.
При центральном ударе, если сила удара создает в куске материала напряжение, превышающее его Rсж, происходит мгновенное разрушение куска на две и более частей. Разлетающиеся куски дробимого материала ударяются о дробящие плиты и друг о друга, дополнительно измельчаясь, отлетевшие от дробящих плит куски снова попадают под воздействие бил.
Если удар внецентренный, кусок дробимого материала начинает вращение относительно собственного центра тяжести, происходит его разрушение под воздействием центробежной силы, а также в результате последующих ударов о дробящие плиты, между собой и снова о била ротора.
В постановке Герца при решении подобной задачи рассматривается одновременная деформация двух тел. В нашем случае мы рассматриваем деформацию только куска дробимого материала, как представлено на схеме (рис. 3.18).
Расстояние от центра куска до плоскости била в момент соприкосновения:
Рис. 3.18. Расчетная схема удара била по куску дробимого материала:
1 - било; 2 - кусок материала.
Зерновой состав продукта дробления, ввиду особенности процесса ударного измельчения, отличается от зернового состава продукта дробления, полученного в щековых, конусных и валковых дробилках при одинаковой степени измельчения.
На рис. 3.21 представлены усредненные характеристики зернового состава продуктов дробления в роторных дробилках.
Кривые зернового состава построены для роторных дробилок со степенью дробления более трех. При меньших степенях дробления в готовый продукт попадает значительное количество кусков материала из исходного продукта, но не прошедших дробление, что существенно искажает зерновой состав готового продукта.
В качестве расчетного параметра кривых зернового состава принят средневзвешенный размер dсв кусков дробленого материала, значение которого заданы пересечением линии а-а с данной кривой зернового состава (рис. 3.21).
На процесс дробления материала в роторных дробилках влияют как конструктивные параметры - диаметр ротора, количество бил, угол установки и количество отражательных плит, форма камеры дробления; технологические параметры - окружная скорость бил, размер выходных щелей, а также физико-механические свойства измельчаемого материала. Причем влияние этих факторов, даже каждого в отдельности, очень существенно. Так, например, изменение угла установки отражательной плиты от 0° до 90° увеличивает крупность продукта дробления в 2,25 раза.
Рис. 3.21. Усредненные кривые зернового состава продуктов дробления в роторных дробилках:
а) дробилки мелкого дробления; б) дробилки крупного дробления.
Сложность расчетов крупности продуктов дробления в роторных дробилках объясняется тем, что не только ширина разгрузочной щели нормирует размер продуктов дробления, но и расстояние от окружности вращения бил до отражательной плиты. А между билами захватываются и выбрасываются из дробилки куски большего размера, чем ширина выходной щели.
Таким образом, максимальный размер куска, выходящего из роторной дробилки, равен
dmax = hmax + b
где hmax - максимальная глубина проникновения куска дробимого материала в рабочую зону ротора между билами, м; b - ширина щели, зазор между билами и отражательной плитой, м.
Приведенной шириной bпр выходной щели для отражательной плиты с углом установки β принимают такой размер выходной щели, когда при β = 10° из дробилки выходят куски одинакового размера dmax, определяется опытным путем и представляется в виде номограммы.
Влияние ширины щели b и угла установки β отражательной плиты на получение продукта дробления с одинаковым выходом кусков материала размером dmax.
Номограмма составлена для угла β установки отражательной плиты, равного 90°.
Размеры выходных щелей b1, b2, b3 и др., при которых обеспечивается одинаковый выход крупности d кусков готового продукта, называют равно действенными.
Например, для роторной дробилки ДРС 12,5x12,5 (рис. 3.22) при ϑp = 50 м/с равноденственными будут следующие размеры щелей : b1 = 135 мм; b2 = 90 мм; b3 = 45 мм.
Рис. 3.22. Номограмма для определения равнодейственных выходных щелей роторных дробилок:
1,2,3,4 - окружная скорость ротора, м/с, соответственно 20,30,40,50; b1, b2, b3 - ширина щелей первой, второй, третьей отражательных плит.
Если на практике какой- либо размер щели будет выбран другим, например, меньшим, чем расчетный, то эта щель будет определять режим процесса дробления, т. е. считается лимитирующей. По ней выполняются все последующие расчеты.
Процесс дробления в дробилках ударного действия характеризуется рядом последовательных операций: разрушения и перемещения материала к разгрузочному отверстию. Кроме бил и молотков, в процессе дробления участвуют отражательные плиты и колосниковые решетки. Отражательные плиты разделяют дробилку на отдельные камеры дробления, в каждой из которых создаются определенные условия дробления и разгрузки. На производительность дробилки, наряду с конструктивными особенностями и режимом работы, существенное влияние оказывают размер и количество материала, подаваемого в дробилку.
Наибольшая эффективность процесса дробления достигается в том случае, когда над вращающимся ротором находится и постоянно поддерживается «шапка» измельчаемого материала. В результате этого увеличивается масса измельчаемого материала, которая подвергается дроблению при каждом ударе ротора.
Для условий работы ротора «под шапкой» наибольшая крупность исходного материала не должна превышать 20 % от диаметра ротора.
Максимальная производительность дробилок ударного действия определяется по формуле:
где m = 0,35; q =0,5; при 0° < β < 90° функция kβ = 1 - 0,49sinβ + 4,7sin2 β;
kD - функция, характеризующая влияние крупности кусков исходного материала,
при (D/Dp)<0,2 функция kD = 1-3.4D/Dp,
при 0,2 < (D/Dp) < 0,6 kD =0,3;
kb - функция, характеризующая влияние выходной щели,
kb = 1 +1,9(b/Dp) = 1 + l,9ε;
kр - функция, характеризующая влияние физических свойств дробимого материала,
kр = 1-Rp/(ρo-700).
По формуле (3.66) последовательно определяется производительность каждой из камер дробления с учетом изменения крупности дробимого материала и параметров камеры дробления.
Величина потребляемой мощности оказывает существенное влияние на производительность дробилки и степень измельчения материала.
Известны эмпирические формулы для расчета мощности дробилок ударного действия, которые учитывают как конструк тивные, так и технологические параметры дробилок (кВт):
Формулы (3.67), (3.68) устанавливают зависимость потребляемой мощности N от размеров Dp, Lp дробилки и частоты п вращения ротора. Они применяются для расчета установочной мощности электродвигателя, режим которого неизвестен и будет уточняться. Формула (3.69) устанавливает связь потребляемой мощности с технологическими показателями дробилки: i - степенью дробления и.Q - производительностью.