Башкирцев Алексей Александрович
Значение процесса тонкого измельчения материалов возрастает и в связи с проблемой переработки и утилизации промышленных отходов и создания безотходных производств. С увеличением дисперсности конечных продуктов производительность процесса тонкого измельчения материалов быстро снижается при одновременном резком повышении энергозатрат, а начиная с некоторой предельной для данного материала дисперсности дальнейшее измельчение становится невозможным. Применяемые в настоящее время в промышленности мельницы для тонкого измельчения порошков имеют ряд недостатков. Основные из них большая энергоемкость процесса помола, низкая удельная производительность, быстрый износ мелющих тел, засорение продукта материалами футеровок и измельчающих тел и т.д. Совершенствование помольного оборудования, применение более эффективных и экономичных способов измельчения является актуальной научной и народнохозяйственной проблемой. Цель данной работы - это повышение эффективности эксплуатации и снижение энергоемкости оборудования для тонкого измельчения материалов до продуктов крупностью 5-10 мкм на основе реализации волнового способа измельчения.
Процесс измельчения заключается в разрушении твердых тел последовательной серией механических воздействий. При этом на эффективность процесса измельчения влияют различные факторы связанные со свойствами разрушаемого материала параметрами применяемого измельчителя и др. В настоящее время научная теория не позволяет на основе опытов с одной стороны и статистических данных с другой; точно определять характеристики промышленных мельниц для тонкого измельчения материалов способных измельчать исходный продукт до частиц требуемой дисперсности. Накопленный за много лет опыт позволяет находить правильные решения конкретных задач; однако создание каждого нового типа измельчителя требует повторения всего пути от модели до промышленного агрегата. Большой вклад в разработку теории разрушения материалов и создание отечественной помольной строительной техники внесли советские ученые и конструкторы: П.А.Ребиндер, В.В.Кафаров, С.Е.Андреев; В.А.Бауман; И.И.Блехман, В.И.Блиничев, В.С.Богданов; И.Ф.Гончаревич, Н.Г.Картавый; Л.Б.Левенсон, А.Д.Лесин, Л.М.Моргулис, А.М.Механиков, В.М.Осецкий, В.Л.Перов, В.В.Товаров, Г.С.Ходаков, С.Ф.Шинкоренко, В.И.Акунов, Л.П.Бушуев, И Л Глемб, Л.П. Зарогатский, В.У.Климович и др. Из зарубежных исследований наиболее известны работы Ф.Бонда, Р.Гийо, А.Линча, Е.Раммлера, Г.Румпфа, Г.Роуза, И.Рича, П.Розина, М.Пападакиса, У.Чарльза, Г.Уайта и др. В настоящее время, несмотря на определенные успехи, достигнутые в понимании механизма разрушения твердых тел, еще не разработана теория, которая бы объясняла процесс измельчения в полном объеме и основывалась бы на достаточно точных математических зависимостях для расчета энергии; потребной на измельчение.
Основными факторами, влияющими на уровень потребления энергии в процессе тонкого измельчения материалов, являются: крупность зерен (масштабный фактор); проявление пластических деформаций; трение тонких частиц материала; образование и разрушение агрегатов. Из-за этих факторов уровень затрат энергии практически не может быть постоянным и нарастает по мере снижения крупности измельчаемых частиц, а скорость процесса измельчения при этом уменьшается. При сверхтонком помоле нарушается прямая пропорциональная зависимость между увеличением удельной поверхности размалываемого материала и удельной энергией, затрачиваемой на измельчение, которая вытекает из закона Риттингера. На определенной стадии помола увеличение удельной поверхности прекращается, а в некоторых случаях наблюдается даже ее уменьшение. Это явление объясняется возникновением агрегирования частиц. Работа на образование и разрушение агрегатов зависит от дисперсности порошка. В процессе тонкого измельчения значительная доля энергии затрачивается на пластическое деформирование разрушаемых частиц. С уменьшением размера зерен пластические свойства материала проявляются все сильнее и в ряде случаев начинают преобладать над хрупкими. Поэтому часто при измельчении не удается по-лучить зерна размеров ниже определенной величины. Измельчение тонкодисперсных частиц целесообразно осуществлять истирающе-раздавливающими воздействиями. Установлено, что энергия, расходуемая на пластические деформации, в первом приближении пропорциональна поверхности частиц. Большое значение имеют идеи и экспериментальные исследования академика П.А.Ребиндера, показавшего, что процесс упругой деформации тела характеризуется наведением в толще указанного тела новой поверхности (трещины); развивающейся из макродефектов. Эти трещины обладают способностью само заживления при съеме деформирующего усилия. Процесс аннигиляции трещин, наведенных в толще твердого тела при его упругой деформации, в реальных условиях несовершенен. Молекулы внешней среды, проникая в такие трещины, экранируют молекулярные силы, пытающиеся вновь сомкнуть образовавшуюся трещину. В результате чего она смыкается не полностью и при следующем деформировании с неизменной величиной и энергией деформирующего усилия длина и вновь образованная поверхность трещины возрастают, и при достаточном числе циклов переменной нагрузки тело разрушается, хотя величина напряжений значительно ниже предела упругих напряжений.
Явление усталости твердых тел, то есть понижение их обычной (статической) прочности под влиянием периодических нагружений и разгружений с довольно большой частотой, имеет большое практическое значение. Периодические воздействия как бы "утомляют" материал, приводя к расшатыванию по наиболее слабым местам - опасным дефектам, и к преждевременному хрупкому разрыву даже в пластичных материалах, так как остаточные деформации не успевают развиться. Поэтому тонкое измельчение материалов, наиболее эффективно осуществляется вибрационными методами на частотах тем более высоких, чем мельче частицы, подвергаемые разрушению. Характерным для прочности реальных твердых тел является масштабный фактор, то есть зависимость прочности от размеров тела: увеличение прочности с уменьшением размера в области малых размеров зерен, начиная с долей миллиметра и до микрона. Это объясняется меньшей вероятностью встречи опасных дефектов. Масштабный фактор объясняет резкое, повышение трудности измельчения материалов при переходе к более тонким фракциям. Проведенный анализ информации в области создания, исследования и эксплуатации оборудования для тонкого измельчения материалов показал, что при получении порошков с крупностью частиц 5-10 мкмк наибольшее применение имеют трубные шаровые мельницы; которые характеризуются при этом низкой эффективностью их работы и высокими энергетическими затратами, превышающими 150 кВт.ч/т, при времени помола в десятки часов. При тонком и сверхтонком помоле материалов наиболее эффективными являются планетарные, вибрационные и бисерные мельницы. Однако, процесс тонкого измельчения материалов до указанной дисперсности в этих измельчителях является достаточно энергоемким и превышает 100 кВт.ч/т. Проведенный анализ информации в области исследования процессов транспортирования сыпучих материалов показал, что процесс волнового движения порошкообразного материала сопровождается его измельчением. Интенсивность процесса измельчения порошков при их волновой транспортировании тем выше, чем больше, частота и амплитуда относительного сдвига частиц и чем выше их плотность. Установлено, что при обработке материала в смеси с мелющими телами процесс волнового измельчения можно существенно интенсифицировать. С другой стороны, использование эффекта повышения “эффективного веса” мелющих тел в поле центробежных сил позволяет применять мелющие тела предельно малого размера и создавать высокие удельные давления при разрушении зерен материала, что также позволяет интенсифицировать процесс волнового измельчения и проводить его, при выборе соответствующих условий, в режиме самоизмельчения обрабатываемого продукта. На основании проведенного анализа известных способов и конструкций мельниц дня помола материалов, результатов теоретических и экспериментальных исследований в области измельчения и транспортирования порошков было сформулировано основное направление интенсификации процесса тонкого измельчения, заключающееся в организации волнового движения обрабатываемого материала в смеси с мелющими телами в поле центробежных сил.
|
