Оборудование для переработки сыпучих материалов : учебное пособие
В .Я. Боршев. Ю.И. Гусев. М.А. Промтов. А.С. Тимонин.
Машиностроение, 2006 г.
1.3. Классификациямашин для измельчения материалов
В зависимости от назначения и принципа действия в машинах для измельчения могут использоваться различные виды нагрузок: раздавливание (сжатие куска), излом (изгиб), раскалывание (эквивалентно растяжению), истирание и удар (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Способы механического разрушения материалов, реализуемые в
дробилках и мельницах: преобладающие; сопутствующие
В каждой измельчающей машине реализуются, как правило, все способы измельчения, но главную роль играет тот, для которого она создана.
При раскалывании тело разрушается на части в местах концентрации наибольших нагрузок, передаваемых клинообразным рабочим элементом измельчителя.
При раздавливании под действием статической нагрузки определяющими являются напряжения сжатия.
При изломе в теле возникают в основном изгибающие напряжения.
При истирании разрушение происходит главным образом от напряжений сдвига. Истирание в комбинации с раздавливанием - один из наиболее экономичных способов измельчения.
При ударе под действием динамических нагрузок в теле возникают динамические напряжения, приводящие к его разрушению. Различают свободный и стесненный удары. При стесненном ударе тело разрушается между двумя рабочими органами измельчителя, при свободном - в результате столкновения с рабочим органом или другим измельчаемым телом.
Как правило, перечисленные виды силовых нагрузок в процессеизмельчения действуют одновременно, например, раздавливание и истирание, удар и истирание и др. Необходимость в различных видах нагрузок, а также конструкций и резервов машин вызвана многообразием свойств и размеров измельчаемых материалов и требованиями к крупности исходного материала и готового продукта. Однако при работе измельчителей в зависимости от их конструкций преобладает тот или иной способ измельчения.
Имеются практические рекомендации по использованию соответствующих видов нагрузок в зависимости от типа измельчаемого материала. Так, дробление прочных и хрупких материалов целесообразно осуществлять раздавливанием и изломом, а прочных и вязких - раздавливанием и истиранием. Крупное дробление мягких и хрупких материалов предпочтительно выполнять раскалыванием, среднее и мелкое - ударом. В промышленностидроблениематериалов проводят, как правило, сухим способом. Реже применяют мокрое дробление, когда в загрузочные устройства машин разбрызгивают воду для уменьшения пылеобразования, либо дробление производится в жидкости с помощью движущихся в ней твердых частиц (бисера).
Помол твердых материалов осуществляют ударом и истиранием. Так же как и дробление, помол может быть сухим и мокрым. По сравнению с сухим, мокрый помол экологически более совершенен и более производителен. Однако мокрый помол может применяться только тогда, когда допускается контакт измельчаемого материала с водой.
При проектировании схемизмельчения любых материалов необходимо соблюдать принцип «не измельчать ничего лишнего», поскольку переизмельчение приводит к излишнему расходу энергии, снижению производительности и росту износа дробилок и мельниц. Материалы высокой и средней крепости дробятся, как правило, в две-три стадии, более мягкие - в одну стадию.
1.2. Машины для дробления материалов
1.2.1. Дробилки, разрушающие материал сжатием
Щековые дробилки применяют для крупного и среднего дробления различных материалов во многих отраслях народного хозяйства. Они способны разрушать нерудные Материалы практически всех разновидностей.
В дробилках с простым (ЩДП) движением щеки 1 (рис. 1.3, а) последняя подвешена на оси 2. Щека совершает качательные движения по дуге окружности, которые ей сообщает вращающийся эксцентриковый вал 3, через шатун 4 и распорные плиты 5.
При сближении щек материал дробится, а при удалении их друг от друга куски материала опускаются вниз и выпадают из камеры, если их размеры меньше ширинывыходной щели. Затем цикл повторяется. В ЩДП материал измельчается раздавливанием и, частично, изломом и раскалыванием, поскольку на обеих щеках установлены дробящие плиты с рифлениями в продольном направлении.
В дробилках со сложным (ЩДС) движением щеки рычажный механизм имеет более простую схему (рис. 1.3, о). Эксцентриковый вал 3 непосредственно соединен с шатуном, являющимся подвижной щекой 1 дробилки. Нижним концом щека шарнирно опирается на распорную плиту 5. Щека совершает сложное движение, и составляющие перемещения точек ее поверхности направлены как по нормали к поверхности щеки, так и вдоль нее; траектории точек по форме напоминают эллипсы. Вследствие этого в ЩДС материал измельчается как раздавливанием, так и истиранием, что облегчает процессдробления вязких материалов.
В зависимости от конструкции механизма, приводящего в движение щеку, различают дробилки с рычажным механизмом, а также с гидравлическим передаточным механизмом.
Главным параметром щековых дробилок является размер (ширина и длина, BxL) приемного отверстиякамеры дробления, образуемой подвижной и неподвижной щеками. Отечественная промышленностьвыпускаетдробилки с размерами приемного отверстия BxL: 160x250, 250x400, 250x900, 400x900, 600x900, 900x1200, 1200x1500, 1500x2100, 2100x2500 мм.
Циклический характер работы щековых дробилок (максимальное нагружение при сближении щек и холостой ход при их расхождении) создает неравномерную нагрузку на двигатель. Для выравнивания нагрузки на приводном валу устанавливают маховик и шкив-маховик. Маховики аккумулируют энергию при холостом ходе и отдают ее при ходе сжатия.
В процессе эксплуатации возникает необходимость регулировать ширинувыходной щели камеры дробления. В крупных дробилках для этого устанавливают разные по толщине прокладки между упором 9 и задней стенкой станины. Гарантированное замыкание звеньев механизмапривода подвижной щеки в дробилках с ломающимися распорными плитами осуществляется пружиной 7 и тягой 8.
В конструкциях щековых дробилок предусматривается установка предохранительных элементов или устройств, предохраняющих узлы машин от повреждений при попадании в камерудробления инородного недробимого тела. Таким предохранительным элементом в рассматриваемой дробилке служит одна из распорных плит, которая разрушается при нагрузках, превышающих максимально допустимую. Однако замена плитсвязана с простоем Машины и является трудоемкой операцией - необходимо очистить камеру дробления, подтянуть подвижную щеку к неподвижной и т.д. В новых конструкциях дробилок используют неразрушающиеся предохранители, например, муфты предельного момента. Кроме того, в качестве предохранительных элементов также применяются болты на сухарях шатуна, болты на крышке подшипников шатуна.
Конусные дробилки используют во всех стадиях дробления при переработке самых разнообразных материалов как по крупности дробимого материала, так и по разнообразию физико-механических свойств. Рабочими органами дробилки являются неподвижный усеченный конус и расположенный внутри него подвижный дробящий конус, ось которого отклонена на угол гирации у от оси неподвижного конуса. Подвижный конус совершает относительно оси неподвижного конуса вращательное (гирационное) движение. камерудробления образует объем между коническими поверхностями. При подаче в камеруматериала дробящий конус обкатывает куски материала, осуществляя их раздавливание и излом, поскольку рабочие поверхности имеют кривизну. Попеременное сближение рабочих поверхностей позволяет рассмотреть конуснуюдробилку как аналог щековой.
По технологическому назначению их делят на дробилки: крупного дробления (ККД), обеспечивающие степеньизмельчения i = 5...8; среднего (КСД) и мелкого (КМД) дробления (степень измельчения i = 20... 50 ).
Главным параметром дробилок ККД является ширина приемного отверстия - расстояние между образующими боковых поверхностейконусов в зоне загрузки. Отечественной промышленностью выпускаются дробилки типа ККД с шириной приемного отверстия 500, 900, 1200 и 1500 мм. Основным параметром дробилок типов КСД и КМД является диаметр нижнего основания подвижного конуса, который может быть равен 600, 900, 1200, 1750 и 2200 мм.
По конструктивному признаку - способу опирания вала дробящего конуса - различают дробилки с подвешенным валом, опорным пестом и с консольным валом (рис. 1.5). Последнюю конструкцию используют в машинах КСД и КМД.
В дробилках с подвешенным валом (рис. 1.5, а) вал 5 дробящего конуса 4 в верхней точке, совпадающей с точкой пересечения осей конусов, подвешен к опоре 5, воспринимающей осевую и радиальную нагрузки. Нижний конец вала размещен в эксцентрике 2, опоры которого также воспринимают радиальную нагрузку дробящего конуса. Вращение эксцентрика осуществляется через коническую зубчатую передачу 1.
Производительность конусных дробилок (при сопоставимых параметрах) выше, чем у щековых. Это объясняется тем, что в щековых дробилкахплощадь выходного отверстия при перемещении щеки изменяется, а в конусных она постоянная и изменяется лишь положение подвижного конуса в камере дробления. Перекатывание дробящего конуса также способствует лучшему заполнению камерыдробления и захвату кусков.
Рассмотрим конструкции дробилок на примере конуснойдробилки мелкого дробления КМД (рис. 1.6). Дробилка состоит из станины 4 с опорным кольцом 6 и предохранительными пружинами 5, эксцентрика i, установленного в центральном стаканестанины на четырехдисковом подпятнике 2.
Бегуны применяются для мелкого дробления (конечный размер частиц 3...8 мм) и грубого помола (0,2...0,5 мм) извести, глины и других материалов применяются бегуны. Кроме того, бегуны могут также обеспечить растирание, гомогенизацию, уплотнение и обезвоздушивание материала.
В бегунах массивные катки, перекатываясь по слою материала, находящемуся на поддоне, измельчают его раздавливанием и истиранием. В них может осуществляться как сухой, так и мокрый помол материалов. Главным параметром бегунов является диаметр D и ширина Ъ катков. Для мокрого помола выпускают бегуны с размерами Dxb от 1200x300 до 1800x550 мм с катками массой, соответственно 2...7 т. Для сухого помола изготавливают бегуны с Dxb от 600х200 до 1800х450 мм.
Бегуны изготавливают с неподвижным поддоном, по которому перекатываются катки, и с вращающимся поддоном. Рабочими органами бегунов являются массивные катки, перемещающиеся в чаше с измельчаемым материалом. Применяют также бегуны с верхним и нижним расположением привода, с вращающейся чашей, бегуны с пружинным, гидравлическим или пневматическим прижимом катков. Использование последних позволяет снизить металлоемкость машины. Частота вращения вертикального вала бегунов 0,3...0,9 об/с, удельный расходэнергии 0,7...4,0 кВтч/т.
Бегуны мокрого помола (влажностью более 15 %) с вращающимися катками (рис. 1.9) имеют нижнее расположение привода. При вращении вертикального вала 1 катки 5, установленные в подшипниках на водилах б, перекатываются по поддону 4 и одновременно вращаются вокруг собственных осей. Коленчатые водила, шарнирно закрепленные в цапфе 7, позволяют каткам подниматься или опускаться в зависимости от толщины слоя материала и преодолевать недробимые предметы. Катки устанавливают на разных радиусах от центра поддона, чтобы они перекрывали большую площадь. Поддон укладывают плитами, имеющими овальные отверстияразмером от 6 х 30 до 12 х 40 мм. Измельченный материал продавливается сквозь отверстия в поддоне и попадает на вращающуюся тарелку 8, с которой сбрасывается скребком 3 в разгрузочный лоток 2. К валу 1 прикреплены поводки со скребками 9, которые очищают борта и поверхность чаши от налипшего материала и равномерно направляют его под катки.
1.2.2. дробилки ударного действия
В измельчителях ударного действия измельчениематериала осуществляется под действием ударных нагрузок, которые могут возникать при взаимном столкновении частиц измельчаемого материала, столкновении частиц материала с неподвижной поверхностью, столкновении материала и движущихся рабочих органов машин.
К дробилкам ударного действия относятся роторные и молотковые дробилки, а также пальцевые измельчители.
В дробилках ударного действия кусок подвергается воздействию рабочего органа только с одной стороны. Возникающая при этом сила уравновешивается силой инерции куска, которая должна быть достаточной для создания разрушающих напряжений. дроблениематериала происходит под воздействием механического удара. При этом кинетическая энергия движущихся тел частично или полностью переходит в деформации разрушения.
Дробилки ударного действия применяют для измельчения малоабразивных материаловсредней и низкой прочности (известняков, мела, гипса, калийных руд и др.). Они обеспечивают высокую степеньизмельчения i = 15...20, в отдельных случаях до i = 50, что позволяет уменьшить число стадий дробления. дробилки отличаются простотой конструкции и эксплуатации, избирательностью дробления и малой металлоемкостью.
По конструкции рабочих органов дробилки ударного действия делят на роторные с жестко закрепленными билами (рис. 1.14, а, <?, г), молотковые с шарнирно подвешенными молотками (рис. 1.14, б) и пальцевые измельчители.
По числу роторов различают однороторные (рис. 1.14, а) и двухроторные (рис. 1.14, б, г) дробилки. Двухроторные дробилки одноступенчатого дробления (рис. 1.14, в) имеют высокую производительность. Исходный материал поступает равномерно на оба ротора, которые работают самостоятельно в одном корпусе. В двухроторных дробилках двухступенчатого дробления (рис. 1.14, г) материал в зоне действия первого ротора подвергается предварительному дроблению, а затем в зоне действия второго ротора - повторному дроблению.
Роторные дробилки могут применяться для дробления крупных кусков, так как имеют массивный ротор и обладают большим запасом энергии рабочих органов.
В молотковых дробилках (рис. 1.14, б) процессдробления 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).
Типоразмеры роторных и молотковых дробилок определяются диаметром и длиной ротора, а пальцевых измельчителей - наружным диаметром диска.
По технологическому назначению роторныедробилки делят на дробилки крупного (ДРК), среднего (ДРС) и мелкого дробления (ДРМ). Принципиальные конструктивные схемыроторных дробилок во многом одинаковы и отличаются числом отражательных плит и соотношениями размеров ротора. Камерадробления у дробилок ДРК образуется ротором и двумя отражательными плитами, у дробилок ДРС и ДРМ - ротором и тремя плитами. Конструкция роторнойдробилки для крупного дробления показана на рис. 1.15. Корпус дробилки - сварной,
1.3. Машины для помола материалов
1.3.1. Барабанные мельницы
Барабанные мельницы относятся к машинам ударно-истирающего действия и по способу возбуждения движения мелющих тел делятся на мельницы с вращающимся барабаном, вибрационные и центробежные. Этот класс машин используется для грубого, среднего, тонкого и сверхтонкого помола горнохимического сырья, руд, известняка, клинкера, пигментов, солей, шлаков и других материалов.
Среди барабанныхмельниц наиболее распространены вращающиеся Барабанные мельницы, которые представляют собой пустотелый цилиндрический (реже цилиндро-конический) барабан, выложенный изнутри броней и закрытый торцевыми крышками, заполненный определенным количеством измельчающих тел и вращающийся вокруг горизонтальной оси.
В непрерывно работающих мельницах измельчаемый материал подается через центральное отверстие в одной из крышек внутрь барабана и, продвигаясь вдоль него, разрушается измельчающими телами посредством удара, истирания и раздавливания. Выгрузка измельченного материала производится либо через центральное отверстие в разгрузочной крышке, либо через решетку со щелевидными или круглыми отверстиями, либо через отверстия на конце цилиндрической части барабана.
В мельницах периодического действия материал загружается и выгружается через люк в цилиндрической части барабана или в одной из торцевых крышек.
У коротких мельниц отношение длины и диаметрабарабана LID < 1, длинных - 1 < LID < 3, у трубных - LID > 3. Длинные барабаны позволяют увеличить время пребывания в них материала и получить более тонкий помол за один проход, а также уменьшить диаметрбарабана у мельниц большой производительности.
В зависимости от вида измельчающей среды различают мельницы шаровые (стальные или чугунные шары одного или нескольких размеровдиаметром 30... 120 мм, фарфоровые или другие неметаллические шары), стержневые (стальные стержни длиной, близкой к внутренней длине барабана, одного или нескольких диаметров в интервале 40... 125 мм), самоизмельчения или полусамоизмельчения (соответственно куски самого материала или смесь с крупными стальными шарами).
Конструктивно вращающиеся Барабанныемельницы имеют одну или две и более камеры, причем, в камерах, разделенных перфорированными перегородками, материал измельчается последовательно по мере его продвижения от места загрузки к месту выгрузки. Увеличение числа камер повышает эффективность измельчения, но усложняет мельницу.
Однокамерные Барабанныемельницы непрерывного действия по способу разгрузки измельченного материала различаются на три типа: мельницы с центральной разгрузкой, мельницы с разгрузкой через торцевую решетку, мельницы с разгрузкой через решетку на разгрузочном конце барабана.
На рис. 1.20 показана схемапроцессаизмельченияматериала в барабанной мельнице. При вращении полого барабана смесь измельчаемого материала и мелющих тел (шаров, стержней) сначала движется по круговой траектории вместе с барабаном, а затем, отрываясь от стенок, падает по параболической траектории. Часть смеси, расположенная ближе к оси вращения, скатывается вниз по слоям смеси. измельчениематериала происходит в результате истирания при относительном движении мелющих тел и частиц материала, а также вследствие удара.
Достоинствами барабанныхмельниц являются простота конструкции и удобство в эксплуатации. К их основным недостаткам относятся: невысокие скоростидвижения мелющих тел и материала, в измельчении участвует только часть мелющих тел, рабочий объембарабана используется только на 35...40%.
1.3.2. Вибрационные мельницы
В вибрационных мельницах за счет высокочастотного воздействия удара и истирания на измельчаемый материал можно получать продукт с размерами частиц 1...5 мкм. В качестве мелющих тел используют шары, которые изготовляют из стали, твердых сплавов или фарфора.
Различают вибрационные измельчители периодического и непрерывного действия. В зависимости от способа возбуждения вибрации их делят на Машины гирационного и инерционного типов.
Вибрационный измельчитель гирационного типа (рис. 1.23, а) состоит из электродвигателя 7, соединенного через муфту 2 с коленчатым валом 3, на котором эксцентрично на подшипниках закреплен корпус 4 измельчителя. Корпус установлен на пружинах 7 и заполнен шарами 5; коэффициент заполнения ф = 0,8...0,9. При вращении вала с частотой 1500...3000 об/мин корпус совершает гирационное движение. От корпуса колебания передаются шарам, которые начинают с соударениями медленно циркулировать в сторону, противоположную вращению вала. При колебаниях шаров происходят их отрывы от корпуса. Для уравновешивания центробежных сил корпуса служат противовесы 6.
Наиболее широко распространены вибрационные измельчители инерционного типа (рис. 1.23, о). В них для создания вибраций используется вибровозбудитель, представляющий собой вал с дебалансной массой 8. В измельчителях инерционного типа частота вращения вала и характер движения шаров обеспечиваются такими же, как и в измельчителях гирацион-ного типа.
Вибрационная инерционная мельница (рис. 1.24) состоит из рамы 1, установленной на резиновых опорах на основании. От электродвигателя 9 через муфту 8 получает вращение дебалансный вал 4, установленный на роликоподшипниках 3 в гильзе 7 корпуса 5. На валу закреплены дополнительные небалансы 2, вынесенные за пределы корпуса. Гильза имеет рубашку 6, в которую подается вода для охлаждения. Все внутренние поверхности корпуса гуммированы. Корпус опирается на пружины 10, установленные на раме. В процессеработы корпус мельницы, мелющие тела и измельчаемый материал вибрируют с высокой частотой колебаний (1500...3000 мин-1). Вследствие этого мелющие тела (шары, стержни) интенсивно воздействуют на материал и измельчают его.
При измельченииматериала в этих мельницах выделяется большое количество тепла, что может вызвать нагрев корпуса до 300 °С. Для снижения температуры нагрева корпус мельниц изготовляется с рубашкой для охлаждения водой.
Вибрационные мельницы сухого помола, как правило, работают в замкнутом цикле с воздушным сепаратором.
Вибрационные измельчители имеют амплитуду вибраций 3...20 мм, производительность 1... 15 т/ч, мощность электродвигателя 10.. .420 кВт.