2.3. Обзор основных машин для помола материалов

Главным недостатком процесса помола является высокая энергоемкость процесса, хотя непосредственно на измельчение материала затрачивается незначительная часть энергии, потребляемой машиной. Основная часть ее теряется в виде тепла, звука, а также на изнашивании рабочих органов машины и т.д.

Так как тонкому измельчению подвергаются сотни миллионов тонн материалов, то становится экономически очевидной необходимость совершенствования этого процесса и машин для его осуществления.

В современном крупнотоннажном производстве для помола в основном используются барабанные мельницы. Однако очень низкий КПД этих мельниц заставляет исследователей работать над их усовершенствованием, а также разрабатывать и применять мельницы других конструкций. Все большее применение в процессах тонкого измельчения начинают находить такие мельницы, как среднеходовые, ударные, роторно-вихревые и другие.

В данном разделе сделаем анализ вышеназванных конструкций и рассмотрим некоторые пути их дальнейшего совершенствования.

2.3.1. Конструкции барабанных мельниц

Барабанные мельницы являются основными машинами для тонкого измельчения материалов при производстве строительных материалов и изделий, горнорудной промышленности и других многотоннажных производствах.

Барабанная мельница (рис. 2.1) представляет собой пустотелый барабан 1, закрытый торцовыми крышками 2 и 3, в центре которых имеются цапфы 4 и 5. Цапфы опираются на подшипники, и барабан вращается вокруг горизонтальной оси. Барабан заполняется примерно на 30% объема дробящими телами [6]. При вращении барабана дробящие тела благодаря трению и центробежной силе увлекаются его внутренней поверхностью, поднимаются на некоторую высоту и свободно или перекатываясь падают вниз. Материал, подаваемый в барабан на измельчение, подвергается воздействию дробящих тел, измельчается ударом, истиранием и раздавливанием.

По принципу работы барабанные мельницы подразделяются на периодические и непрерывно действующие.

По способу помола мельницы могут быть сухого или мокрого помола.

В мельницах периодического действия материал загружается периодически через имеющийся люк на боковой поверхности барабана. Через этот люк производится и разгрузка мельницы. Мельницы периодического действия работают по мокрому способу. Для работы по сухому способу эти мельницы не используются из-за больших затруднений, возникающих при их разгрузке. Крупным недостатком мельниц периодического действия является большая потеря энергии на работу мельницы в конце цикла измельчения, когда в ней остается ничтожное количество недомолотого материала. Вследствие этого периодические мельницы мокрого помола постепенно вытесняются непрерывно действующими.

В мельницах непрерывного действия цапфы выполнены полыми. Через одну полую цапфу, материал непрерывно подается в барабан на измельчение, проходит вдоль него и под воздействием мелющих тел измельчается. Измельченный продукт непрерывно разгружается через другую полую цапфу.

В зависимости от формы барабана различают мельницы цилиндроконические и цилиндрические. Последние, в свою очередь, бывают короткие, длинные и трубные. У коротких мельниц длина меньше диаметра или близка к нему, у длинных она достигает 2  3 диаметров, а у трубных  длина барабана больше диаметра не менее чем в 3 раза.

В зависимости от вида дробящих тел различают мельницы шаровые, стержневые, галечные и самоизмельчения. У шаровых мельниц дробящими телами являются стальные или чугунные шары, у стержневых  стальные стержни, у галечных  окатанная кремниевая галька, у мельниц самоизмельчения  крупные куски измельчаемого материала. Иногда в качестве мелющих тел вместо шаров используют стальные или чугунные цилиндрики (цильпебсы). Однако опыт показывает, что наиболее эффективным является использование в качестве мелющих тел стальных шаров, поэтому их используют в большинстве мельниц.

Диаметр измельчающих шаров зависит от размера кусков материала, подлежащих измельчению, и может изменяться от 150 до 25 мм. Например, для измельчения руды с начальной крупностью кусков 60 мм в мельницу загружают стальные шары диаметром 125 мм, при размере частиц 5  6 мм требуются шары диаметром 20 мм.

При работе барабанной мельницы как мелющие тела, так и внутренняя поверхность барабана подвергаются интенсивному абразивному износу. Для предотвращения износа внутренняя поверхность барабана футеруется броневыми плитами, отлитыми из марганцовистой стали или из отбеленного чугуна. Плиты укладывают на резиновые звукоизолирующие прокладки. В последние годы широкое применение находит резиновая футеровка. Ее рационально использовать тогда, когда мелющие шары имеют диаметр менее 80 мм. В этом случае применение резиновой футеровки заметно снижает эксплуатационные расходы. Масса резиновой футеровки на 80  85% меньше, срок службы в 2  3 раза больше, чем стальной футеровки. Кроме того, заметно снижается уровень шума при работе мельниц.

Принцип действия шаровых мельниц основан на том, что материал, находящийся во вращающемся барабане мельницы, подвергается воздействию свободно падающих мелющих тел. При вращении барабана мелющие тела поднимаются на определенную высоту, а затем, отрываясь от стенки барабана при свободном падении, измельчают материал.

В зависимости от скорости вращения барабана различают три режима движения в нем шаров. При относительно малой угловой скорости вращения барабана шары и материал делают поворот в сторону вращения на некоторый угол (рис. 2.2,а) и далее при той же скорости вращения барабана остаются в этом положении. При этом режиме шары и материал, непрерывно циркулируя, движутся вверх по концентрическим круговым траекториям и затем скатываются параллельными слоями, измельчая материал раздавливанием и истиранием. С увеличением скорости вращения барабана угол поворота загрузки (шары и материал) увеличивается и шары поднимаются все выше, затем в некоторой точке, называемой точкой отрыва, покидают круговые траектории и далее, как тела, брошенные под некоторым углом к горизонту, переходят на параболические траектории (рис. 2.2,б). Измельчение материала при этом режиме работы происходит за счет удара шаров при падении их в нижней точке барабана, а также за счет частичного истирания при совместном подъеме.

При дальнейшем увеличении угловой скорости барабана шары и материал под действием центробежной силы инерции все с большей силой будут прижиматься к стенке барабана и, наконец наступит момент, когда величина центробежной силы инерции превзойдет силу тяжести шара или куска материала, и они будут вращаться вместе с барабаном, не отделяясь от его внутренней поверхности (рис. 2.2,б). Естественно, наиболее эффективным для измельчения является второй режим, при котором шары, вначале двигаясь по круговым тратториям, переходят затем на параболические, производя в конце замкнутого цикла измельчение материала.

При этом режиме и работают практически все барабанные мельницы.

Как указывалось ранее, измельчение материала в барабанных мельницах может осуществляться сухим и мокрым способом. Мокрое измельчение применяют в тех случаях, когда измельченный материал в дальнейшем подвергают обработке в виде суспензий, например, при обогащении полезных ископаемых методом флотации или извлечении данных химических компонентов химических путем.

Преимущества мокрого измельчения по сравнению с сухим следующие:

1. меньшее потребление энергии в расчете на 1 тонну материала;

2. выше (приблизительно на 15%) производительность мельницы, отсутствие пылеобразных и, соответственно, аспирационных систем вентиляции и очистки воздуха;

3. облегчение транспортировки и распределения материала; можно использовать гидротранспорт;

4. мокрая классификация более эффективна по сравнению с воздушной классификацией.

Однако если после измельчения материала дальнейшая технология требует использовать его в сухом виде, то сухое измельчение оказывается экономически более целесообразным из-за большого расхода тепла на сушку.