ТСМ I

Рисунок 21 –Гидроциклон

В циркуляционных сепараторах (рис.22) - пылевоздушная смесь образуется непосредственно в самом аппарате. По патрубку (1) исходный классифицируемый материал попадает на вращающейся диск расположенный на валу (2). Крупные частицы под действием силы тяжести падают вниз или же под действием центробежных сил отбрасываются на стенки внутреннего корпуса (6). В обоих случаях они через воронку (11) попадают в выгрузочный патрубок (9). Вращающиеся вместе с диском вентилятор (13) и крыльчатка (4), засасывают воздух из нижней зоны, который поднимаясь вверх, подхватывает более мелкие частицы и поступает в пространство между внутренним (6) и внешним (8) корпусами, двигаясь по спирали вниз. Центробежная сила отбрасывает мелкие частицы к стенкам, где они, теряя скорость, выпадают из потока и стекают в патрубок (10). Через жалюзи (7) воздух снова поступает во внутренний корпус, где процесс повторяется. Граница разделения регулируется изменением угла установки жалюзей и радиуса расположения лопастей крыльчатки.

Циркуляционные аппараты по сравнению с проходными более компактны и экономичны, т.к. в одном аппарате объединяются вентилятор и осадительные устройства.

61

Рисунок 22 –Циркуляционный сепаратор

62

РАЗДЕЛ №5. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ В ТНиСМ

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	Средний размер кусков			Степень
	ов			зёрен,	частиц	до	измельчен
	до	измельчения D,		льчения d, мм
							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
льчение	10	– 2		2 – 0,075			50 – 100
Сверхтонкое
льчение	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;

63

- 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.

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.
									64

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;
Wnработа 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.

65

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):

известняк – 55-85;

мел и глина – 30-50;

гранулированный доменный шлак – 100-110;

Поэтому для снижения энергоемкости измельчения особое значение приобретает:

Выбор схемы измельчения;

Выбор способа измельчения (конкретного вида измельчения);

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.

66

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:

карбонатное сырье – 100-1000 мм;

глинистое – 50-500 мм;

гипсового – до 500 мм;

Типы дробилок:

Щековые дробилки. 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

67

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.

Для первичного дробления:

-щёковые дробилки (производительность до 500 т/ч);

-конусные дробилки (производительность до 1000 т/ч).

Вторичное дробление: - молотковые дробилки (производительность до

500 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).

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

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:

1)Изменение дисперсности систем (рост удельной поверхности S , выражаемой в см2/г или м2/г

2)Изменение упорядоченности структуры (рост дефектности)

3)Дотацию эндотермических процессов (реакции, происходящие непосредственно при измельчении, т.е механохимические процессы).

68

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: 1. Шаровая мельница

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.

69

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.

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

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.

Роликовые (валковые мельницы):

Материал в мельницу загружают через шлюзовой затвор. Он поступает

вцентр измельчающей тарелки (1) и измельчается за счёт попадания воздуха

всепаратор (3), где крупные частицы материала отделяются и вновь падают на измельчающую чашу.

Достоинства:

1.Расходуют меньше электроэнергии, чем шаровые.

2.У них ниже уровень шума и меньше габариты.

3.Они поддаются автоматизации.

70