Современные способы измельчения

Известные в настоящее время способы измельчения реализуются в воздушной или водной измельчительных средах. В качестве воздушной среды используется в основном воздух, в частности — инертные газы. Водная среда представляет собой воду или любую другую нерастворяющую и незагрязняющую измельчаемый материал жидкость: спирт, жидкий азот, толуол, ксилол и т. д.
Мокрое измельчение имеет ряд преимуществ по сравнению с сухим: более равномерное распределение частиц в рабочем объеме; повышение производительности на 10...15 %; отсутствие агрегирования, пылевыделения, самовозгорания и взрыва. Однако применение воды и органических веществ с последующей очисткой снижают технико-экономические показатели процесса, а в ряде случаев и полностью исключают его реализацию.
Сухое измельчение значительно упрощает отделение измельченного продукта от воздуха или газа, позволяет совмещать в одном аппарате процессы измельчения с процессами классификации и сушки. Достаточно отметить, что в настоящее время более 35 иностранных фирм, таких как «Флюид Энеджи Процессии энд Эквигшент К°» (США), «Альпине» (ФРГ), «Бютнер-Верке» (ФРГ), «Дональдсон» (Бельгия), «Сейсин» (Япония), «Бюлер» (Швейцария), «Окрим», «Ронкаглия», «Голфетто», «Берда Импланти» (Италия), «Робинзон» (Великобритания) и др. занимаются разработкой сухих способов измельчения.
Сухие и мокрые способы в свою очередь подразделяются на механические и немеханические. К немеханическим способам измельчения относят: электрогидравлический, электроимпульсный, ультразвуковой, взрыво-струйный, оксидный, солевой, со-осаждения, сжигания распыленных растворов в высокотемпературном потоке, криогенный, шенитный, криохимический, плазмохимический и др.
Электрогидравлический способ измельчения не нашел широкого практического применения вследствие трудности создания конденсаторов большой мощности. Перспективность применения этого способа объясняется лучшим раскрытием измельчаемых компонентов. К аналогичному выводу пришли И. И. Коляцкий, В. И. Курец, Г. А. Финкелынтейн и В. А. Цукерман при исследованиях электроимпульсного измельчения. При этом существенного увеличения затрат на измельчение не отмечается.
Применение ультразвукового способа измельчения в практике не известно. Этот метод носит научный характер.
Взрыво-струйный способ реализуется в методе Снайдера. В зарубежной практике измельчения этот метод доведен до практического применения фирмой “Jone Star”. Экономическая эффективность процесса на 20...40 % выше, чем у традиционных методов. В США запатентован воздухо-струйный метод для измельчения зерна. Измельчение осуществляется в канале направленной струей воздуха.
Оксидный, солевой методы и соосаждения получили широкое распространение в производстве материалов для радиоэлектронной промышленности.
Метод сжигания растворов в настоящее время не получил широкого промышленного использования ввиду неэкономичности, обусловленной отсутствием технологии нейтрализации и утилизации выделяющихся окислов азота.
Криогенный способ измельчения нашел наибольшее применение для измельчения материалов, обладающих высокой вязкостью. Сущность этого способа заключается в предварительном охлаждении продукта в жидком азоте с целью повышения его хрупкости, Ведущей фирмой в криогенном измельчении является фирма “Air Products and Chemicals’’.
Плазмохимический, криохимический, шенитный методы носят научный и лабораторный уровень применения и для промышленного нуждаются в доработке.
Способ взрывной дезинтеграции был разработан для извлечения из горной породы драгоценных камней, в особенности изумрудов. При таком способе разрушения достигается высокая избирательность измельчения. Разрушение горной породы осуществляется по плоскостям спаянности, что позволяет выделять драгоценные камни в натуральных размерах. Впоследствии этот способ нашел широкое применение при производстве кукурузных хлопьев. При резком сбрасывании давления перегретая вода, превращаясь в пар, изнутри разрывает зерно.
Способ измельчения взрывом. Наиболее эффективен при многократных взрывах малых зарядов BB во взрывных камерах. Рекомендуется применять для материалов с высокой твердостью, которые в процессе измельчения нельзя засорять продуктами износа рабочих органов машин. Экономическая целесообразность данного способа предполагает его промышленное применение. Взрывное измельчение применяется в США в технологии измельчения кофе как разупрочняющее, с последующим разрушением до требуемой дисперсности механическими способами.
В отличие от рассмотренных способов, механические способы разрушения наиболее многочисленны и широко используются в технологиях, получивших практическое применение. Необходимо отметить, что история развития измельчения началась с механических способов. Приоритет в своем развитии они удерживают и до настоящего времени. Несмотря на постоянное совершенствование и усложнение, в основе механических способов остались традиционные виды воздействия рабочих органов машин на измельчаемый материал: удар, истирание, сжатие, сдвиг.
Способ разрушения посредством удара. В соответствии с принятым подходом этот способ необходимо различать по виду удара: прямой, скользящий, свободный, стесненный. Прямой и свободный удар реализуется в молотковых дробилках и струйных мельницах. Скользящий удар — в дезинтеграторах, дисмембраторах, шаровых мельницах при водопадном режиме, энтолейторах. Стесненный удар — в шаровых мельницах при водопадном режиме. При прямом ударе разрушаемому материалу передается максимальное количество энергии, при скользящем — минимальное ввиду его скольжения по поверхности рабочего органа. Поэтому в молотковых дробилках и струйных мельницах достигается высокая степень измельчения и минимальное засорение продуктов размола. Скользящий удар дает обратный эффект. Условия стесненного удара позволяют достигать более высокой степени измельчения и измельчать более твердые и прочные материалы.
Способ разрушения посредством сжатия. Этот вид деформации может создаваться силами, действующими по одной, двум и трем осям или по всей поверхности, — объемное сжатие. Деформации сжатия сопровождаются сдвигом, если направление действия сил отлично от нормального.
Одноосное сжатие реализуется в гладковалковых дробилках и вальцовых станках при равной скорости вращения вальцов. Этот способ широко применяется для дробления горных пород средней и ниже крепости, а также для разупрочнения и плющения зернобобовых культур при их измельчении. Напряжение сжатия создается жесткой системой кинематически связанных вальцов и достигает несколько сотен МПа. Измельчение осуществляется практически в монослое. Гранулометрический состав измельченных продуктов не однороден. В нем превалируют крупные классы частиц. Особый интерес, с точки зрения перспектив развития этого способа, представляет собой измельчение материала в полислое, где напряжения сжатия и сдвига создаются инерционными силами, т. е. нежесткой механической системой. Напряжение сжатия здесь также достигают сотен МПа. Измельчение осуществляется путем разрушения материала между цилиндрическими поверхностями в процессе качения и внутрислойного самоизмельчения. При внутрислойном измельчении материал уже подвергается объемному сжатию. По заключению ведущей в области разработок и внедрения фирмы «Нордберг» (США), процесс принудительного внутрислойного самоизмельчения материалов относится к наиболее перспективным. Наиболее полно этот процесс реализуется в роликово-маятниковых мельницах Выксунского завода (Н. Новгородская обл., Россия), инерционных дробилках КИД «Механобра» (Санкт-Петербург, Россия), Гиродиск фирмы «Рекенорд» (США). Отличительной особенностью процесса является высокая избирательность измельчения, снижение расхода электроэнергии в 1,5 раза, рост вновь образованной поверхности в 2 раза, достижение высокой дисперсности помола по сравнению с традиционными способами.
Одноосное сжатие со сдвигом является одним из основных способов разрушения в зерноперерабатывающей промышленности. Оно реализуется в вальцовых станках с различной геометрией рабочей поверхности при разных окружных скоростях вальцов, в жерновах, в мельницах с помольной камерой в виде конусообразной чаши, в корундовых измельчителях между горизонтально расположенными подвижными и неподвижными дисками, в измельчителях роторного тина между продольными выемками в роторе и рифлениями на поверхности корпуса, маятниковом измельчителе в сужающемся зазоре между молотком и корпусом и др. Усилия сжатия и сдвига между рабочими органами машин создаются посредством жесткой кинематической связи, при которой развиваются большие усилия, необходимые для измельчения материалов высокой прочности. При измельчении пищевых продуктов это приводит к неоправданным энергетическим затратам. Способ одноосного сжатия со сдвигом на сегодняшний день в технологии производства муки является наиболее избирательным. Подтверждением этому служит тог факт, что ведущие фирмы мира по разработке технологических процессов и оборудования для мукомольных производств продолжают создавать и производить измельчители, реализующие этот способ. К таким фирмам относятся: “Buhler” (Швейцария), “Ocrim”, “Roncaglia”, “Golfetto”, “Berda ImpIanty Cereali Sp. A” (Италия), “Robinsons Milling Systems Ltd” (Великобритания), “Skania Inventor AB” (Швеция), “Baucrmeister” и др.
Объемное сжатие реализуется в измельчителях, принцип действия которых основан на измельчении материала в слое измельчающих тел. В качестве последних в современных процессах измельчения используются шары, цильбепсы, стержни и куски измельчаемого материала большей крупности, чем измельчаемый материал (самоизмельчение). Необходимым условием реализации такого измельчения является высокий удельный и объемный вес измельчающих тел и неотрывное перекатывание слоя измельчающих тел в рабочем объеме измельчителя. В технологии обогащения такой режим определен как каскадный и частично смешанный. Наиболее широко этот способ осуществляется в шаровых, стержневых, центробежных и мельницах самоизмельчения. В центробежных мельницах, в отличие от других, измельчающие тела находятся в центробежном поле сил и их кажущийся объемный вес увеличивается за счет центробежной силы. В этом случае для реализации объемного сжатия можно использовать измельчающие тела меньшей плотности, чем плотность металла. Измельчающие тела изготавливаются из марганцовистых сталей, материалов высокой твердости искусственного и природного происхождения: оксидов циркония, алюминия модификации а (синтетический корунд), стекла, кварца, агата, нитрида бора и др. Разрушение происходит при напряжении объемного сжатия в слое измельчающих тел, превышающим прочность измельчаемого материала. При недостаточном напряжении разрушение материала происходит путем истирания частичек друг о друга и о рабочие органы машин. В этом случае реализуется процесс истирания при двух-, трехосном и объемном сжатии. Широкий класс машин, реализующих эти способы разрушения, будет рассмотрен далее.
Необходимым условием истирания является относительное движение тел, контактирующих по точкам или поверхностям. При этом эффект истирания усиливается с повышением площади контакта, взаимного давления, относительной скорости, перемещения и времени контакта. Поэтому наибольшего эффекта процесс истирания достигается при объемном сжатии в непрерывно перемещающемся слое. Классической реализацией этого процесса является истирание материала в бисерных и шаровых мельницах при каскадном режиме обработки. В меньшей мере — в дезинтеграторах, дисмембраторах, энтолейторах и молотковых дробилках, без разгрузочных сеток, а также при скользящем ударе вследствие незначительного времени удара, составляющего доли секунды. В молотковых дробилках с разгрузкой материала через сетку эффект истирания резко усиливается с уменьшением радиального зазора между сеткой и рабочей поверхностью молотков. При определенном выполнении сетки (наличие граней перпендикулярно направлению движения молотков) происходит разрушение скалыванием и ограничено срезом.
Следует отметить, что разрушение скалыванием не является самостоятельным процессом, так как скалывание граней и углов сопровождает практически любой другой способ приложения разрушающих усилий.