4. Млини

ШАРОВІ МЛИНИ

Їх ще називають барабанні млини. Застосовують для тонкого подрібнення матеріалів у багатотоннажних виробництвах. Робоча зона – порожнина барабану, захищена броньованими плитами. Всередину завантажуються молельні тіла – кулі, стрижні, диски, і т.і.

Схема роботи кульового млина показана на рис. 14.

Рис 14 – Схема роботи барабанного млина

При обертанні барабану молельні тіла відцентровою силою притискуються до стінки, підіймаються, потім, досягнувши деякої висоти, починають падати або скочуватися донизу. Якщо в барабані буде знаходитися також і матеріал, який підлягає подрібненню, молельні тіла (ударом при паданні, роздавлюванням і стиранням при скочуванні) будуть його подрібнювати.

Створена велика кількість типів і розмірів барабанних млинів продуктивністю від декількох кілограмів до десятків тонн на годину.

Млини періодичної дії показані на рис. 15.

а) б)

Рис. 15 – Барабанні млини:

а – періодичної дії: 1 – опори; 2 – барабан з цапфами; 3 – привідна зубчата пара; 4 - люк для завантаження; 5 – молельні тіла

б – однокамерний млин: 1 – пола цапфа; 2 – підшипник; 3 – барабан; 4 – привідна пара; 5 – люк; 6 – цапфа живлення; 7 – молельні тіла

Завантаження молельних тіл і матеріалу для подрібнення, а також розвантаження млина проводиться періодично через люк 4. Такі млини використовують у розмельних установках малої продуктивності.

На рис. 15б представлений однокамерний млин безперервної дії з подачею сировини і виведенням розмеленого матеріалу через порожнисту цапфу барабана 1 і 6.

Рух матеріалу у цих млинах відбувається при обертанні барабана в результаті різниці рівня матеріалу на вході і на виході.

При виведенні матеріалу газовим потоком газ потрапляє в барабан зі сторони цапфи живлення. Потік підхвачує дрібні частки і виносить їх через цапфу 1. Пилогазова суміш, яка виходить з млина, подається або безпосередньо у виробництво, наприклад, на спалювання, або у прилади для осаджування з видаленням твердої фракції.

Матеріал також може подаватися і з рідиною – так зване мокре подрібнення. Рідина подається у млин разом із матеріалом і при своєму русі від вхідної цапфи до вихідної виносить дрібні частки. Пульпа, яка утворюється при цьому, після видалення з неї великих часток, направляється або на подальшу обробку, наприклад, флотацію, або у відстійники для видалення твердої фази.

При усіх способах виведення подрібненого матеріалу з барабана у ньому міститься наряду с цільовою фракцією також і більш великі частки. Щоб розподілити подрібнений матеріал на фракції, млини повинні працювати у замкненому циклі із класифікуючими пристроями – грохотами, повітряними сепараторами або гідравлічними класифікаторами.

Для тонкого измельчения материала применяют шаровые мельницы переменного сечения. На рис. … показана двухконусная шаровая мельница для размола титанового сырья.

Багатокамерний млин безперервної дії (рис. 16). Ці млини носять назву «трубних», оскільки відношення діаметру барабана до його довжини складає від ½ до 1/5 і більше, і млин має вигляд труби. Завантаження і вивантаження молельних тіл роблять через люки 4, які встановлені у кожній камері. У трубних багатокамерних млинах одержуємо продукцію заданого розміру без використання класифікаторів. Тонкість помелу визначається часом перебування матеріалу у млині.

Рис. 17 – Схема багатокамерного млина

1 – стойка; 2 – цапфа живлення; 3 – барабан; 4 – люк; 5,6 – діафрагми; 7 – цапфа для виведення продукту; 8 – молольні тіла; 9 – пара приводу

У багатокамерному млині розмір подрібненого матеріалу зменшується по мірі його просування від вхідної до вихідної цапфи. У відповідності з цим в кожну камеру завантажують молольні тіла, розмір яких відповідає розміру матеріалу. Найбільш великий розмір молольних тіл буде у першій камері, а дрібні молольні тіла – в останній. Такий розподіл молольних тіл покращує процес і знижує енерговитрати на одиницю розмеленого матеріалу.

Самостійну групу барабанних млинів складають так звані стрижневі млини, які використовують як для «сухого», так і для «мокрого» подрібнення матеріалів. Назва «стрижневі» вони одержали у зв’язку з тим, що в якості молольних тіл в барабан завантажують металеві стрижні довжиною трохи менше довжини барабану. При падінні куль у барабанних кульових млинах відбуваються точкові удари, тоді як при падінні стрижнів удар розподіляється уздовж лінії. Це дозволяє вести процес без глибокого перетирання матеріалу, одержувати продукт більш однорідним за розміром і з меншим вмістом пилу. У стрижневих млинах одержують не тонку муку, а дрібну крупку. Тут подрібнення відбувається в результаті удару падаючих стрижнів, а також роздавлювання, оскільки стрижні мають більшу вагу і при обертанні барабану частина з них перекочується.

Теорія млинів.

При обертанні млина молольні тіла силою тертя захоплюються в бік обертання барабана, підіймаються на певну висоту, а потім сповзають по його внутрішній поверхні, скочуються або, відірвавшись від стінки, падають донизу. За рахунок енергії руху цих тіл і відбувається подрібнення матеріалу,завантаженого у млин.

Піднімання молольних тіл і характер їх руху залежить від частоти обертання барабану і коефіцієнта тертя між молольними тілами і внутрішньою поверхнею барабана млина.

Розглянемо загальний випадок руху одиничного молольного тіла вагою q у барабані радіусом R_б, який обертається (див. рис. 18).

Рис. 18 – Схема руху одиничного молольного тіла в барабані, що обертається

У точці А на тіло буде діяти сила тяжіння

q = mg

та відцентрова сила

q_c = q ω / g R_б

Вагу тіла для подрібнення q можна розкласти на дві складові: радіальну, або нормальну силу

N = q cos α

та дотичну

S = q sin α

Відцентрова сила q_с та радіальна складова сили тяжіння N визначають силу тертя між тілами для подрібнення і внутрішньою поверхнею барабана:

T = (q_c + N) f

де f – коефіцієнт тертя.

Підставляючи у цю формулу значення q_c і N та замінюючи ω на його значення, одержимо:

T = [(q π² R_б² n²) / ( g R_б 30²) + q cos α) f

З рис. 18 видно, що у випадку, коли сила тертя Т більше S, то тіло для подрібнення буде підійматися разом із барабаном догори. Коли ж сила тертя Т менше S, тіло буде сповзати або скочуватися донизу. При Т = S тіло знаходиться у рівновазі; тоді, зробивши деякі заміни, можна записати

sin α ≈ [(R_б n²) / (30²) + cos α) f

Звідси частота обертання барабана (об/хв)

Ця формула пов’язує частоту обертання з радіусом барабана, кутом підйому тіла для подрібнення і коефіцієнтом тертя тіла для подрібнення по внутрішній поверхні барабана.

Для того, щоб підняти тіло для подрібнення в положення А₂, тобто на кут α = 90⁰, частота обертання барабана повинна бути

Щоб утримати тіло для подрібнення в положенні А₃, коли α = 180⁰, частота обертання повинна складати

Ця формула дає критичне значення частоти обертання, тобто таку, при якій відцентрова сила, яка діє на тіло у точці А₃, дорівнює його вазі, і при цьому тіло не буде відриватися від стінки барабана.

Дійсна картина руху тіл для подрібнення в барабані відрізняється від описаної. У барабанному млині знаходиться не одне тіло, а велика кількість тіл для подрібнення, які до того ж перемішані з вихідним матеріалом. Тіло для подрібнення не може вільно сповзати донизу, оскільки за ним надходять інші тіла і вони його як би підштовхують. Окрім того, внутрішня поверхня барабана захищена броньованими плитами фігурного профілю з виступами, і тіла як би зчеплені з футеровкою, що майже виключає вільне ковзання або скочування по внутрішній поверхні барабана. Вже при повільному обертанні барабана частина тіл для подрібнення за рахунок більшого коефіцієнту тертя і тиску нижче розташованих тіл піднімаються вище точки А₂, а це дозволяє перейти до розгляданню умов рівноваги тіла на ділянці дуги А₂ - А₃.

Для подрібнення матеріалу необхідно, щоб тіло для подрібнення, піднявшись разом з барабаном на деяку висоту, відривалось від нього і падало. Такий відрив можливий тільки у тому випадку, коли радіальна складова N ваги тіла (рис. 19) буде більше відцентрової сили q_c, яка діє на нього.

Розглянемо умови рівноваги тіла для подрібнення у будь-якій точці А на ділянці дуги А₂ - А₃.

В цьому випадку

q_c = N

Рис. 19 – Схема руху молольного тіла у завантаженні при обертанні барабану, захищеного плитами з виступами

Умовимося за кут підйому тіла α приймати кут АОА₃. Тоді з врахуванням відцентрової сили q_c = q R_б n² / 30² і нормальної сили по формулі N = q cos α, одержимо рівняння

q R_б n² / 30² = q cos α

або

Розмір тіл для подрібнення.

На продуктивність барабанних млинів впливає також розмір тіл для подрібнення та їх форма. Наприклад, для подрібнення руди з початковим розміром кусків 60 мм у млин діаметром 2100 мм завантажують сталеві шари діаметром 125 мм і масою 8 кг. При меншому розмірі шарів такі куски руди не розбиваються, а шліфуються.

При роботі млина куски руди руйнуються, розмір часток зменшується, а чим менше куски матеріалу, тим меншої маси повинні бути шари. Вже при розмірі часток 5-6 мм необхідно мати шари масою 15 г і діаметром 16 мм, що на практиці часто не враховується.

Встановлено, що як збільшення так і зменшення розміру шарів проти необхідного призводить до зниження продуктивності млина і, відповідно, до збільшення витрат енергії на одиницю готової продукції.

Для вибору розміру шарів в основному використовуються емпіричні формули.

Розмір сталевих шарів рекомендують вибирати у межах:

D_б / 18 ( або D_б /24) > d > 90 d_н

де D_б – діаметр барабану млина

d - діаметр шарів

d_н – поперечний розмір кусків вихідної сировини.

Верхня межа розмірів шарів D_б / 18 (або D_б /24) прийнятий, виходячи з умов, що при русі одних шарів догори по круговій траєкторії, а інших донизу по параболі внутрішнього контуру завантаження, вони не повинні торкатися один одного. Нижня межа 90d_н одержана з аналогії роботи шарів у млині і валків.

На практиці приймають емпіричну формулу

d = k d_нⁿ

де k і n – дослідні коефіцієнти.

ВІБРАЦІЙНІ МЛИНИ

Вібраційні млини відносяться до ударно-стираючим подрібнювачам. В цих млинах подрібнювання матеріалу відбувається при ударних і стираючих навантаженнях. Це досягається або внаслідок удару із ковзанням тіла по матеріалу, або удару з деяким поворотом тіла для подрібнення відносно до будь-якій вісі. В даному випадку стирання відіграє ту ж позитивну роль, що і у подрібнювачах стираюче-роздавлюючої дії.

Ударно-стираючий спосіб подрібнення матеріалу реалізується у вібраційних, планетарних і гіроскопічних млинах.

Рис. 20 – Схема вібраційного млина з внутрішнім вібратором:

а – інерційний; б – вібраційний

1 – корпус; 2 – вібратор; 3 – опора; 4 – рама; 5 – електродвигун;

6 – муфта; 7 – тіла для помелу (шари); 8 - люк

На рис. 20 показаний вібраційний млин з центральним розташуванням вібратора. Млин складається з циліндричного корпуса 1, який має завантажувальний пристрій 8, вібратор 2, пружинну опору 3, раму 4, електродвигун 5, еластичну муфту 6, з’єднувальний вал двигуна з валом вібратора, та шари 7.

При зіткненні вібруючих шарів, а також їх взаємному пересуванні відбувається інтенсивне подрібнення матеріалу. Частота коливань вібраційних подрібнювачів відповідає частоті обертання електродвигуна, яка дорівнює 1500 – 3000 об/хв.

Існують вібраційні подрібнювачі як періодичної, так і безперервної дії. Безперервність процесу подрібнення досягається в результаті відведення з корпуса подрібнювача цільової фракції повітряним потоком і безперервною подачею в зону подрібнення сировини. Для подачі та відведення повітряного середовища в корпусі млина передбачені спеціальні штуцера.

Вібраційні подрібнювачі з центральним вібратором призначені для подрібнення матеріалу з вихідним розміром часток 1 - 2 мм до часток розміром 1-5 мкм. Високий ступінь подрібнення і така дисперсність продуктів подрібнення досягаються за рахунок самого способу (удар із стиранням), так і станом матеріалу у подрібнювачі. Частки матеріалу весь час знаходяться у завислому стані і вібрують, що запобігає їх злипанню та спресуванню. Тонина помелу у вібраційному млині періодичної дії залежить від часу перебування матеріалу в зоні подрібнення, а продуктивність подрібнювача – від його параметрів, фізико-механічних властивостей матеріалу та умов ведення процесу.

На продуктивність даного подрібнювача великий вплив має тонина готового продукту і опір матеріалу розмелу. Із збільшенням тонини помелу і опірності матеріалу до розмелення продуктивність млина зменшується. Наприклад, млин моделі М-200-3 видає 0,7-0,8 т/г цементу (середній розмір часток 15-20 мкм і залишок на ситі 0060 від 3 до 4%), а при подрібненні барвників до тонини, яка характеризується вмістом фракції часток розміром менше 1 мкм не менше 97-98%, його продуктивність складає всього 2,5 – 3 кг/г, тобто продуктивність знижується у 200 разів!

Тонина помелу у подрібнювачах безперервної дії залежить також від швидкості проходження газового потоку у камері подрібнювача і його спроможності до висипання. Чим вище швидкість проходження повітря через камеру подрібнювача, тим більший розмір часток, які виносяться.

На рис. 21 показана технологічна схема розмельної установки з вібраційним млином безперервної дії.

Рис. 21 – Схема розмельної установки з вібраційним млином: 1 – вентилятор; 2 – вібромлин; 3, 6 – приймальне відділення; 4 – елеватор; 5 – живильник; 7 – сепаратор; 8 - циклон

Матеріал потрапляє із складу у приймач 3, далі елеватором 4 подається у приймальний бункер 6, а потім живильником 5 матеріал рівномірно подається у млин 2. З млина потоком повітря, який створюється вентилятором 1, подрібнений матеріал виноситься в сепаратор 7, де розділяється на крупну і тонку фракції. Крупна по трубопроводу повертається у подрібнювач на додаткове подрібнення, а тонка фракція потрапляє в циклон 8, вилучається з пилогазового потоку і виводиться через нижній штуцер циклона як товарна продукція.

Розглянуті інерційні віброподрібнювачі мають ряд конструктивних та технологічних недоліків:

1. внаслідок розміщення вібратора всередині барабана, ускладнюється робота тіл, що мелють, знижується їх ефективність, підвищуються питомі витрати енергії та збільшується зношення деталей, особливо корпуса вібратора;

2. внаслідок розташування у корпусі подрібнювача великої кількості тіл для помелу (коефіцієнт заповнення 0,8-0,9) вони заважають безперервному та рівномірному виведенню готового продукту з зони подрібнення. Конструктивно не вдається здійснити продув млина по всьому об’єму, що також призводить до збільшення витратних коефіцієнтів.

Ці недоліки значною мірою усунені у вібраційному млині з винесеним вібратором, показаним на рис. 22.

Рис. 22 – Вібраційний млин з винесеним вібратором

1 – штуцер для виведення розмеленого матеріалу; 2 – барабан; 3 – решітка; 4 – вал з дебалансом; 5 – підшипники; 6 – штуцер живлення; 7 – амортизатори; 8 – рукава для перетікання матеріалу до нижньої камери;

9 – тіла для розмелювання

Подрібнювач складається з трьох барабанів, розташованих горизонтально один над одним. У середньому барабані розміщений дебалансовий вал 4, що обертається у підшипниках 5. У крайні барабани завантажуються молельні тіла 9. Матеріал для подрібнення подається через штуцер 6. У кінці першого барабана перед рукавом 8 встановлена решітка 3, яка пропускає матеріал і затримує тіла для помелу. Матеріал, що виходить з верхнього барабана, потрапляє в нижній барабан, де знову подрібнюється. Готовий продукт проходить загороджувальну решітку 3 і виходить через штуцер 1. Подрібнювач встановлюють на пружинних підвісках або на пружинних опорах. При просуванні матеріалу з першої камери до другої, його розмір зменшується. Тому доцільно зменшувати і розмір шарів від першої камери до другої.

Такі подрібнювачі можна виготовляти з двома або більшим числом барабанів, що працюють як паралельно, так і послідовно.

ПАРОСТРУЙНЫЕ МЕЛЬНИЦЫ

Для тонкодисперсного измельчения материала с гарантированным размером частиц не более 40 мкм применяют пароструйные мельницы, работающие по принципу самоистирания частиц в струе перегретого пара. Эти мельницы изготавливают в виде плоскокамерных либо кольцевых.

Плоскокамерная пароструйная мельница (рис. 26) не имеет движущихся частей. Материал вводится в камеру измельчения 5 через воронку 3. Регулирование подачи материала осуществляется с помощью эжектора 4. Отработанный пар и часть готового продукта выводятся в уловитель через центральный патрубок. Измельчение осуществляется за счет кинетической энергии струи перегретого пара.

Сопла 1 расположены таким образом, что ось сопла является касательной к воображаемой окружности диаметра меньшего, чем диаметр камеры измельчения 5, и пар, поступающий в камеру, обуславливает большую скорость вращения потока паро-газовой суспензии. Материал, подаваемый в мельницу, подхватывается вращающимся потоком и отбрасывается к периферии камеры, где попадает в сферу действия струй пара, которые вытекают с большой скоростью из сопел, направленных тангенциально внутрь камеры 5. В результате взаимодействия частиц, движущихся в таком направлении, и частиц, циркулирующих в тонком слое у периферии, происходит самоистирание материала. Считается, что за счет столкновения частиц происходит 90 % измельчения.

Внутри камеры измельчения 5 вследствие развивающейся во вращающемся потоке центробежной силы происходит интенсивная классификация частиц, благодаря чему отработанный пар, выходящий через центральный патрубок, уносит из камеры 5 только тонкоизмельченные частицы материала, тогда как более крупные частицы отбрасываются к периферии камеры и там измельчаются.

Размер частиц двуокиси титана, выходящей из мельницы, меньше 1 мкм. Расход пара на измельчение 1 т двуокиси титана составляет до 2 т.

Кольцевые пароструйные мельницы (рис. 27) работают на том же принципе. Выводной патрубок 3 располагается на меньшем радиусе верхней полукольцевой части камеры измельчения 2 таким образом, что вместе с отходящим паром удаляются только тонкодисперсные частицы, испытывающие минимальное воздействие центробежной силы, тогда как грубодисперсные частицы отбрасываются к периферии камеры.

В кольцевые мельницы пар входит под давлением 10 ат, а в плококамерные – больше 12 ат.

Применение сжатого воздуха вместо перегретого пара для микроизмельчения двуокиси титана результаты хуже. Это связано со слипанием частиц, наэлектризовавшихся в процессе самоистирания, и степень дисперсности такого продукта снижается.

БІСЕРНІ МЛИНИ.

Бісерний, або пісочний подрібнювач показаний на рис. 23. Він складається з корпуса А, дискового ротора Б і станіни 8, всередині якої розташовані насоси.

Рис. 23 – Бісерний (пісочний) подрібнювач А – корпус; Б – дисковий ротор 1 – циліндр; 2 – кожух; 3 – вал; 4 – диски; 5 – сито; 6 – приймач; 7 – електродвигун; 8 – станина; 9 - бісер або пісок

Циліндр майже на 2/3 об’єму заповнюють спеціальним кремній-кварцевим бісером (розмір часток 1-2 мм) або зносостійким піском (розмір часток 0,6-0,8 мм). При обертанні ротора його диски заставляють рухатися бісер або піщинки, причому інтенсивність руху збільшується із збільшенням частоти обертання ротора.

Бісерні подрібнювачі знаходять широке застосування у виробництві красок, емалей, грунтовок та інших аналогічних матеріалів. Суспензія, яка попередньо підготовлена з пігменту та зв’язуючого, подається насосом через штуцер а у циліндр, підіймається догори, проходить через шар вібруючих бісеринок, інтенсивно подрібнюється, перетирається, потім фільтрується через сито 5 і виводиться по жолобу b на подальшу обробку. Подрібнення твердої фази відбувається завдяки роздавлюванню та стиранню. Чим повільніше підіймається суспензія по циліндру, і чим інтенсивніше вібрація піщинок, тим краще відбувається перетирання пігменту і його змішування із зв’язуючим. Для охолодження циліндру в кожух 2 через штуцери б и г подають холодильний агент.

Теорія бісерних млинів поки що не розроблена, і тому їх розмір і технологічні показники вибирають виходячи з дослідних даних. Співвідношення між діаметром і висотою циліндра складає 1 до 4. Диски виготовляють з особливо твердої сталі діаметром приблизно 4/5 внутрішнього діаметра циліндра. Обертова швидкість дисків по найбільшому діаметру складає від 9 до 11 м/сек. Продуктивність бісерного млина по товарній продукції, дисперсність якої 10-15 мкм, складає 6 – 8 кг/год на літр робочого об’єму циліндра. Витрати енергії складають від 40 до 50 кВт год на тонну продукту.

Ємність циліндра бісерних млинів знаходиться в межах від 1,5 л до 500 л.