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
Тема № 3. Измельчение материалов в технологии НиСМ.
3.1. Общая характеристика процессов измельчения.
Измельчение является важнейшим технологическим процессом подготовки минерального сырья, позволяющим перевести его в химически активное состояние и подготовить к химическому взаимодействию при дальнейшей тепловой обработке.
Конечная цель – получение тонкодисперсного однородного по составу материала или гомогенной смеси разнородных материалов.
Эффективность измельчения характеризуют степенью измельчения (i)
i = D/d,
где D – диаметр самых крупных кусков, поступающих на измельчение;
d - диаметр самых крупных кусков, прошедших измельчение.
Типы измельчения материалов в зависимости от степени измельчения
|
Тип измельчения |
Средний размер кусков до измельчения D, мм |
Средний размер кусков зёрен, частиц до измельчения d, мм |
Степень измельчения, i = D/d |
|
Крупное дробление |
1500 – 300 |
300 – 100 |
2 – 6 |
|
Среднее дробление |
300 – 100 |
50 – 10 |
5 – 10 |
|
Мелкое дробление |
50 – 20 |
10 – 2 |
10 – 50 |
|
Тонкое измельчение |
10 – 2 |
2 – 0,075 |
50 – 100 |
|
Сверхтонкое измельчение |
2 – 0,075 |
0,075 – 0,0001 |
>100 |
В зависимости от размолоспособности можно выделить три группы материалов:
1. породы высокой твердости: - кристаллические известняки;
- мрамор;
- кварцевые и полевые пески;
(предел прочности при сжатии более 120 МПа, естественная влажность до 2%).
2. породы средней твердости – некоторые виды известняков;
- гипсовый камень;
- плотные глинистые сланцы;
(предел прочности при сжатии более 120 МПа, естественная влажность до 5-10%).
3. мягкие породы – разновидности мела;
- глины с естественной влажностью;
- мягкие опоки, трепела, диатомиты, но не способные распускаться в воде.
Выбор способа измельчения определяется свойствами материала. В большинстве случаев измельчение производится в два этапа: грубое измельчение (дробление) и тонкое измельчение (помол). Каждый из этих этапов может реализоваться в несколько стадий.
3.2. Теоретические основы процесса измельчения
Измельчение – это разрушение твердого тела под действием внешней механической нагрузки. Оно может производиться несколькими методами:
|
Раздавливание |
Раздавливание материала наступает после перехода напряжений за предел первичности сжатия. |
|
|
Раскалывание |
Раскалывание кусков происходит в результате их расклинивания и последующего разрыва вследствие возникновения в них напряжений растяжений. |
|
|
Удар |
Ударное измельчение – это результат действия динамических нагрузок с возникновением в материале сжимающих, растягивающих, изгибающих и сдвиговых напряжений. |
|
|
Излом |
Излом куска происходит в результате его изгиба. |
|
|
Истирание |
При истирании внешние слои куска подвергаются деформации сдвига и постепенно срезаются скользящими рабочими поверхностями измельчителя вследствие перехода касательных напряжений за предел прочности. |
Методы измельчения материала выбирают в зависимости от его физико-химических свойств.
|
Материал |
Метод измельчения |
|
Прочный и хрупкий |
Раздавливание, удар, излом. |
|
Прочный и вязкий |
Раздавливание, истирание. |
|
Хрупкий, средней прочности |
Удар, раскалывание, истирание. |
|
Вязкий, средней прочности |
Истирание, удар, раскалывание. |
Процесс измельчения можно представить следующим образом (независимо от вида деформации):
Внешние механические силы вызывают в материале накопление внутренней энергии упругих деформаций. Напряжение в куске материала возрастает до тех пор, пока в каком-либо месте вследствие концентраций напряжений, вызванных местными дефектами, они не превысят предела прочности, что приводит к развитию трещины, сопровождающиеся перераспределением энергии упругих деформаций, часть которых превращается в поверхностную энергию. Поверхностная энергия является полезной энергией дробления. Остальная энергия расходуется главным образом на упругие деформации сжатия и рассеивается в виде теплоты и других видов энергии.
Полная работа внешних сил при измельчении выражается уравнением Ребиндера:
W = Wg + Wn = k∆v + G∆S (1)
где Wg - работа упругого деформированного объёма разрушаемого куска;
Wn- работа образования новых поверхностей;
v - изменение объёма разрушаемого куска;
S - величина вновь, образовавшейся поверхности;
k и G - коэффициенты.
При больших размерах тела, можно пренебречь работой (Wn), тогда уравнение (1) примет вид:
W = Wg = k∆V или W = k1d3 (2)
Уравнение (1) и (2) используется для анализа работы дробления как первого этапа измельчения до сравнительно крупных кусков материала.
При малых размерах тела можно пренебречь работой упругого деформированного куска (Wg), тогда уравнение (1) примет вид:
W = Wn = G∆S или W = k2Gd2 (3)
Уравнение (3) используется для анализа тонкого измельчения.
Процесс тонкого измельчения можно разбить на три стадии: (по сопротивляемости размолу).
1 стадия: сопротивляемость размолу определяется в основном пористостью материала, и в частности содержанием крупных пор;
2 стадия: сопротивляемость размолу определяется микроструктурой и минералогическим составом материала (т.е. идет разрушение кристаллов);
3 стадия: сопротивляемость размолу увеличивается с ростом удельной поверхности и в дальнейшем подчиняется экспоненциальному закону, вследствие агрегирования тонких частиц и их налипания на рабочие поверхности.
Измельчение идёт с образованием новой поверхности, что сопровождается появлением электрических зарядов (знак и величина которых зависит от природы измельчаемого вещества и размера частиц). По мере измельчения электрический потенциал частиц настолько возрастает, что происходит самопроизвольное их агрегирование (т.е. слипание) с уменьшение удельной поверхности и увеличением комковатости и неоднородности продукта. Исходя из выше изложенного следует, что на третьей стадии измельчения большая часть энергии затрачивается не на измельчение исходного материала, а на разрушение вновь образовавшихся агрегатов (агломератов). Поэтому вводятся определённые ограничения, устанавливающие целесообразную степень измельчения каждого материала в зависимости от его назначения.
В результате тонкого измельчения разрываются отдельные химические связи поверхностных слоёв кристаллов, и в них появляются свободные атомные группы и радикалы. Т.е. тонкое измельчение приводит к «обнажению» химических соединений, обладающих повышенной активностью при взаимодействии с окружающей средой, создает благоприятные условия для протекания физико-химических процессов на границе раздела фаз. Чем более дисперсными являются сырьевые материалы и легче разрушается их кристаллическая решетка, тем полнее и с большей скоростью они взаимодействуют друг с другом (например: у тонкоизмельченных сырьевых смесей для получения ПЦК клинкерообразование завершается на 50ºС раньше, чем у грубоизмельченных).
Такое измельчение материалов – чрезвычайно энергоемкий процесс. Расход энергии определяется свойствами измельчаемого материала и заданной дисперсностью.
Удельный расход энергии на 1 тонну размолотого материала (МДж):
Поэтому для снижения энергоемкости измельчения особое значение приобретает:
Выбор способа и схемы измельчения в свою очередь зависит как от свойств измельчаемого материала, так и от требований, предъявляемых к измельчаемому продукту (дисперсность, гранулометрический состав, влажность).
Энергозатраты на помол примерно в 15-20 раз выше чем на дробление.
Дробление материалов
в технологии неметаллических и силикатных материалов
Целью дробления является уменьшение размеров кусков сырья до такой степени, при которой последующий их помол осуществляется с наименьшей затратой электроэнергии.
На дробление поступает сырье в виде кусков:
Принципиальные схемы дробилок
|
Материал измельчается раздавливанием, раскалыванием и частичным истиранием в пространстве между щеками при их периодическом сближении (одна неподвижная, вторая подвижная). Щековые дробилки просты и надежны. По характеру подвижной щеки, щековые дробилки характеризуют на дробилки с простым и сложным движением щеки. Производительность дробилок со СДЩ 20-25% выше. |
|
|
Валковые дробилки раздавливают и истирают непластичные материалы вращающимися навстречу друг другу с разной скоростью валками. Валки бывают гладкими, рифлеными, зубчатыми. Зубчатые валковые дробилки пригодны для работы с довольно мягкими и влажными материалами. Для измельчения глин средней пластичности применяются перфорированные (дырчатые) полые вальцы: глина раздавливается, истирается и продавливается через отверстия во внутреннюю полость вальцов. Сырец приготовленный из глинистых масс, обработанных в дырчатых вальцах, имеет прочность примерно в 1,5 раза выше. |
|
|
Конусные дробилки измельчают материал раздавливанием за счет излома между двумя усеченными конусами, из которых внешний неподвижен, а внутренний вращается эксцентрично по отношению к внешнему конусу. Они сложны по конструкции, требуют больших капитальных затрат при установке, но обладают высокой производительностью. |
|
|
В молотковых дробилках материал измельчается за счет удара, а также истиранием. Измельчение осуществляется посредством ударов быстро вращающихся вместе с ротором молотков по кускам материала, ударов кусков друг о друга. Молотковые дробилки обеспечивают наибольшую степень измельчения (i = 10-20), отличаются небольшой массой и габаритами, простотой конструкции и обслуживания. |
Существующие конструкции дробилок не всегда могут обеспечить высокой степени измельчения твердого кускового материала при однократном прохождении его через дробилку, поэтому применяют двух и трехступенчатые схемы дробления.
- конусные дробилки (производительность до 1000 т/ч).
Для дробления пластичных и вязких материалов (глин и каолинов) используют молотковые, самоочищающиеся валковые и щёковые дробилки.
Для предварительного измельчения хрупких, пластичных, плотных или промёрзлых глинистых пород без каменистых включений используют глинорезки, где измельчение производится вращающимся диском – ножами. Глинорезки (стругачи).
Большие трудности возникают при измельчении пластичных, налипающих пород с содержанием влаги до 25 – 30%. Для таких материалов разработаны специальные дробилки-сушилки, которые представляют собой молотковую дробилку, приспособленную для приема горячих газов (отходящих печниц или из специальной топки).
Материал поступает на конвейер (3), ножевой барабан (1) измельчает самые крупные куски материала и распределяет его по всей ширине конвейера. Ссыпаясь с пластичного конвейера материал непрерывным потоком, падает на молотковый барабан дробилки-сушилки, проходя через смесительную камеру, в которую поступают горячие дымовые газы. Интенсивный теплообмен между газами и материалом приводит к подсушке поверхности кусков материала, при этом снижается опасность слипания частиц. Материал измельчается молотками и отбрасывается на отражательную плиту (7), сталкиваются друг с другом. Измельчённые частицы выносятся потоком газов из дробилки-сушилки.
|
Операция дробления используется не только при подготовке сырьевых материалов, но и на последующих стадиях технологического процесса. В частности, в цементной промышленности применяются дробление цементного клинкера в молотковых или валковых дробилках перед подачей мельницу. Мелкое дробление клинкера до размера зерен 2-3 мм обеспечивает повышение производительности мельниц на 25-30%.
ТОНКОЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИИ НиСМ
Целью тонкого измельчения – получить порошкообразный материал определенной дисперсности, обеспечивающей химическую активность продукта или сырья на последующих стадиях обработки или применения.
Механическая энергия, передаваемая твердому телу при тонком измельчении, расходуется на:
Выбор характера воздействия на твердое тело, т.е. количество передаваемой энергии, скорость и интенсивность ее передачи, позволяют регулировать соотношение между этими статьями расхода энергии. Соответственно меняются и свойства получаемого продукта. В свою очередь, характер воздействия на измельчаемое тело определятся типом измельчителя.
Измельчители
Она является наиболее распространенным агрегатом для тонкого и сверхтонкого помола. Основная работа измельчения в ней осуществляется ударами падающих мелющих тел (шары, цильпебс).
При вращении мельницы мелющие тела под действием центробежной силы прижимаются к внутренней стенке корпуса и поднимаются на определённую высоту, достигая которой они отрываются от корпуса и падают под действием силы тяжести, разбивая при этом куски материала. При малой частоте вращения – каскадный режим работы мелющих тел, т.е. они перемалывается и материал измельчается под действием раздавливающих и истирающих воздействий.
При большой частоте – водопадный, т.е. мелющие тела поднимаются на определённую высоту, затем отрываются от корпуса, а затем падают, описывая параболическую кривую. В точке падения шара материал измельчается под действием ударных усилий.
Шаровая мельница:
- периодические (малые объемы производства, например: производство огнеупоров, технической керамики);
- непрерывные (при больших объёмах производства).
Материал измельчается в процессе перемещения вдоль оси мельничного барабана – чем длиннее этот путь, тем выше степень измельчения. Поэтому мельницы должны иметь достаточную длину (10-16 м), чтобы обеспечить необходимое время пребывания в мельницы.
Размеры мелющих тел.
dmax ш= 6,03 (dmax)1|3
где dmax – максимальный размер куска измельчаемого материала;
- Шары диаметром (60-110 мм, масса 4-6 кг каждый)
-Цильпебс; длина 25-40 мм, диаметр 16-25 мм
-Стержневая нагрузка, диаметр 100-130 мм, длиной на 100-150 мм короче камеры.
КПД шаровых мельниц - до 5 % (большая часть механической энергии переходит в тепловую, которая расходуется на нагрев материала, шаров, воздуха и стенок корпуса).
2. Мельница самоизмельчения (каскадная)
В данных мельницах механизм измельчения тот же, что и в шаровых мельницах, но измельчение происходит без мелющих тел. Они работают по принципу самоизмельчения.
Мельница самоизмельчения «АЭРОФОЛ»
1 — загрузочная течка;
2 — барабан мельницы;
3 — зубчатые выступы;
4 — разгрузочный патрубок;
5 — лопасти-подъёмники.
Это короткий вращающийся барабан большого диаметра (7-9м) с лопастями-подъёмниками. Материал поступает в мельницу через одну из пустотелых цапф, отбрасывается при вращении барабана к периферии на лопасти. Поднимается последними и вновь падает вниз, ударяясь по пути о куски поступающего в мельницу материала и повторно о лопасти.
Внутрь мельницы может вводиться небольшое количество стальных шаров (5-6 % от внутреннего объёма мельницы).
Могут измельчать куски материала крупностью до 350-400 (известняк) или 500-800 мм (мел).
Необходимо учитывать, что при переработке твердого сырья мельницы самоизмельчения не обеспечивают полного размола материала, который затем направляется на доизмельчение в шаровую мельницу.
3. Вибромельницы
Представляют собой аппараты периодического действия и предназначены для тонкого и сверхтонкого измельчения. Барабан с шарами, установленный на пружинах. Вибрирует с частотой 1500-3000 колебаний в минуту. Разрушение происходит не по поверхности трещин, пересекающих всю толщу частиц, а главным образом путем отшелушивания (т.е. за счет усталостного разрушения вследствие поверхностной трещиноватости измельчаемых частиц). При этом увеличивается доля энергозатрат на образование новых поверхностей по сравнению с энергией упругих деформаций частиц измельчаемого материала. Поэтому сверхтонкое измельчение наиболее эффективно производить в мельницах при высокочастотном воздействии, что позволяет увеличить скорость воздействия на материал. Процесс измельчения в них проходит примерно в 10-20 раз быстрее, чем в шаровых мельницах при размоле досопостовимой Sуд. и при этом удельный расход электроэнергии меньше. Такие мельницы широко применяются в керамической промышленности.
4. Бегуны
Предназначены для измельчения материала путём раздавливания и истирания между вращающимися катками и чашей (подвижной и неподвижной). Их применяют в основном для измельчения трудноразмокаемых глин, распушивания асбеста, боя изделий. Основной их недостаток — низкая производительность и высокий расход энергии.
5.Роликовые (валковые мельницы)
1 — измельчающая тарелка;
2 — ролики измельчающие;
3 — сепаратор.
Материал в мельницу загружают через шлюзовой затвор. Он поступает в центр измельчающей тарелки (1) и измельчается за счёт попадания воздуха в сепаратор (3), где крупные частицы материала отделяются и вновь падают на измельчающую чашу.
Достоинства:
Наиболее эффективно тонкое измельчение материалов осуществляется в аппаратах ударного действия.
Тонкое измельчение в аппаратах ударного действия
1. Дезинтегратор
Получил наибольшее распространение в керамической технологии. В нём измельчение происходит под действием многократных ударов пальцев (бил), располагающихся в двух корзинах, вращающихся с большой скоростью друг другу на встречу. За очень короткий отрезок времени каждая частица испытывает большое количество ударов, совершаемая при этом работа расходуется не только на создание новой поверхности, но и на механохимическую активацию материала.
Достоинства:
На стекольных заводах дезинтегратор используется для измельчения слежавшейся соды или сульфата.
Нашли применение в керамической технологии и при производстве гипсовых вяжущих. В них одновременно производится сушка и помол. Удельный расход топливно-энергетических ресурсов на сушку и помол в шахтной мельнице на 10-15 % меньше, чем при других схемах сушки и измельчения, при этом практически отсутствует запылённость в цехе.
Шахтная мельница состоит из быстро вращающего ротора (1), на котором шарнирно укреплены молотки (била). Над мельницей расположена прямоугольная металлическая шахта (2) высотой 9-14 м. Материал поступает по течке (3). Источником теплоты для сушки в большинстве случаев являются отработанные дымовые газы с температурой 380-500 0C. Непрерывно поступая под ротор мельницы, они уносят с собой продукт помола в шахту, где он подсушивается. При этом более крупные частицы выпадают из газового потока и снова поступают в мельницу, доизмельчаются, а затем уносятся в пылеулавливающие устройства.
Глиняный порошок, полученный в шахтной мельнице, отличается от порошка глины, размолотой в дезинтеграторе или мельнице другой конструкции, большей удельной поверхностью и меньшими перепадами влажности по фракциям, что способствует улучшению формовочных свойств массы.
3. Струйные мельницы
Применяется для сверхтонкого измельчения материала в основном в керамике.
В струйной мельнице измельчение происходит без участия мелющих тел. Материал захватывается струёй сжатого воздуха или перегретого пара, проходящей с большой скоростью.
За внешней простотой устройства струйных мельниц скрывается сложное компрессорное хозяйство или котельное отделение. Энергетическое хозяйство струйных мельниц усложняет систему, удорожает и увеличивает эксплуатационные расходы.
Основное преимущество: работа в них осуществляется во встречных потоках и измельчение, и активация происходит почти без износа рабочих органов и не сопровождается загрязнением размалываемого материала (отсутствует намол железа).
Специфика сухого и мокрого измельчения материалов
Сухое измельчение применяется для продуктов обжига (цементный клинкер, известь, шамот), а также в тех случаях, когда сырьевая шихта должна представлять собой сухой порошок (стекольные, керамические, цементные сырьевые шихты).
Сухое измельчение может производиться во всех рассмотренных выше типах измельчителей. Однако каждый измельчитель имеет свои ограничения по влажности:
- шаровая мельница не более 0,5% (при более высокой влажности замазывается);
- дезинтегратор не более 13%.
Т.к. природное сырье имеет, как правило, более высокую влажность, то в каждом случае должен быть решен вопрос о целесообразности предварительной сушки исходного сырья в отдельном аппарате либо совмещении процессов сушки и помола, например в шахтной, дробильной или других мельницах.
Аппараты совмещенного помола и сушки могут использоваться если влажность сырья не превышает 10%.
Сухой помол идёт особенно трудно, так как по мере увеличения удельной поверхности материала, усиливается процесс агломерации, т.е. большая часть энергии расходуется на разрушение вновь образовавшихся агломератов.
Агломерация не происходит в измельчителях ударного действия, но эта проблема является серьёзной для наиболее распространенных шаровых мельниц.
Для успешной работы мельниц сухого помола необходимо осуществлять аспирацию — вентилировать мельничное протранство, просачивая через него воздух.
Большие объемы холодного воздуха охлаждают футеровку корпуса, мелющие тела и сам материал.
Кроме того, воздушный поток, проходя через мельницу, увлекает мельчайшие частицы, которые отделяются в пылеочистительных устройствах. Тем самым повышается эффективность помола и предотвращается агрегирование мелких частиц. Благодаря аспирации производительность мельницы повышается на 20-25%.
Измельчение интенсифицируется за счёт:
Измельчение в водной среде получило широкое распространение при приготовлении цементных сырьевых шихт (шаровые мельницы) и керамических масс (шаровые и вибромельницы).
Измельчение материалов в водной среде резко активизируется, что связано с эффектом адсорбционного понижения прочности материала, выражающегося в развитии разнообразных дефектов при меньших напряжениях.
Трещина – это клиновидная щель. Жидкость, распределяясь по ней, образует тончайшую плёнку, обладающую избытком свободной энергии. Чтобы её уменьшить, плёнка стремиться «утолщиться» в трещине, т.е. расклинивает последнюю, в результате чего размолоспособность различных материалов в водной среде повышается на 15-20% и полностью устраняется агрегирование.
Мягкие породы (мел, глина) с высокой естественной влажностью в водной среде могут измельчаться за счет саморасклинивания без существенных усилий и, соответственно энергетических затрат.
Для «роспуска» глин используют – болтушки, представляющие собой резервуар диаметром 5-12 метров и глубиной 2-6 метров.
|
1 — фундамент 2 — вал 3 — поворотная рама 4 — бороны со съёмными зубьями 5 — боковое отверстие |
При вращении бороны разбивают куски породы и интенсивно перемешивают их с водой, поступающей в болтушку. Измельчённый материал (шлам) выходит через боковое отверстие, которое имеет решётку с задвижкой.
Этот агрегат применяется при приготовлении сырьевого шлама при производстве цемента по мокрому способу.
Влажность глиняных шламов 50-60%, меловых 38-45%.
Измельчение по открытому и замкнутому циклу. Схемы помольных агрегатов
Помольные агрегаты представляют собой комплекс машин, механизмов и устройств, осуществляющих дозирование исходных материалов. Транспортирование их в пределах агрегата и помол в открытом или замкнутом цикле, а также выполняющих другие функции, необходимые для нормальной работы агрегата: аспирацию, обеспыливание аспирационного воздуха, классификацию размолотого продукта, контроля и управления технологическим процессом помола.
Помольные агрегаты бывают одноступенчатые и двухступенчатые. Одноступенчатые помольные агрегаты в зависимости от способа работы главного их элемента - мельницы – разделяют на агрегаты открытого и замкнутого цикла.
При открытом цикле (рис. А) материал А, поступающий в трубную мельницу (1) обычно двухкамерную, измельчает до заданной тонкости готового продукта.
Из схем помольных агрегатов замкнутого цикла можно выделить 3 основные.
Схема I (рис. Б) Измельченный в мельнице материал направляют на классификацию(разделение). Крупную фракцию (крупку) после сепаратора (3) возвращают на доизмельчение в камеру I мельницы, а готовый продукт направляют в силоса.
Схема II (рис. В) Измельченный материал подвергают промежуточной классификации отдельно по выходу из камер I и II. Крупку из сепараторов (3) напрвляют в камеру II или III. Агрегаты такого типа оснащают двумя или тремя сепараторами 3.
Схема III (рис. Г) Измельченный материал по выходу из камер I и II направляют на классификацию. Крупку после сепаратора направляют на доизмельчение в камеру II или (частично) I.
По затратам электроэнергии наиболее экономична схема II. Недостатком этой схемы являются большое число транспортных устройств, сложность конструкции разгрузочно-загрузочного узла, расположенного в середине мельницы.
Наименее эффективна схема III, т.к. измельчаемый материал после камеры II является почти готовым продуктом и его не целесообразно смешивать с продуктом камеры I. Наиболее широкое применение получила схема I. Она обеспечивает эффективную работу агрегата при минимальном числе транспортных средств.
Помольные агрегаты замкнутого цикла по сравнению с агрегатами открытого цикла позволяют:
- получить высокие технико-экономические показатели (прочность, удельные затраты электроэнергии);
- снизить налипание мелких частиц шихты и мелющие тела.
Вместе с тем при замкнутом цикле неизбежны громоздкость конструкции и сложность наладки помольного оборудования.