Современное оборудование измельчения материалов и области его применения

01.11.2014

Рассмотренные ранее способы измельчения показывают, что наибольшее распространение в практике получили механические способы измельчения. Большинство немеханических способов применяются для предварительного разупрочнения материалов, т. е. образования и развития трещин, пор и других нарушений сплошности. Поэтому содержание данного подраздела ограничивается рассмотрением оборудования, реализующего механические способы измельчения, в порядке изложения способов ранее.
Измельчители, принцип действия которых основан на приложении ударных усилий к измельчаемому материалу.
Молотковые дробилки. В подавляющем большинстве имеют цилиндрический корпус с горизонтально установленным в нем ротором. На роторе шарнирно закреплены измельчающие молотки различной формы и конфигурации. Внутри корпуса по его образующей установлены шарнирно или жестко отражательные плиты. Рабочая зона дробилки в нижней разгрузочной части может быть разомкнутой или замкнутой цилиндрической просеивающей поверхностью. Просеивающая поверхность может иметь режущие грани различного исполнения, установленные перпендикулярно направлению движения молотков. В этом случае разрушение материала в нижней части дробилки осуществляется срезом. При отсутствии режущих граней материал истирается в зазоре между молотками и просеивающей поверхностью с интенсивностью, пропорциональной уменьшению зазора. Известно выполнение просеивающей поверхности с выступами, расположенными по взаимно пересекающимся спиралям под углом 50-180°. Угол наклона выступов обеспечивает превышение результирующей силы от воздействия молотков над силами трения. Наличие выступов увеличивает на 30 % выход проходовой фракции. Интенсификация процесса достигается и за счет выполнения на рабочей поверхности деки корпуса макрорельефа в виде выступов различной конфигурации. Наиболее предпочтительной формой выступов является усеченный шаровый сегмент или конус.
Наличие ситовой поверхности, замыкающей рабочую зону, снижает надежность дробилок. Этот недостаток устранен в бесситовых дробилках с двумя соосно расположенными роторами, представляющими собой диски с молотками. Дальнейшее рассмотрение известных в молотковых дробилках конструктивных решений нецелесообразно ввиду их многочисленности, подчиненности основным решениям и специфичности, определяемой областью использования.
Применение молотковых дробилок широко известно в различных отраслях народного хозяйства: горной, строительной, химической, энергетической, пищевой, в сельском хозяйстве, в комбикормовой промышленности и т. д. Простота конструкции, надежность g работе, широкий спектр производительности, компактность, универсальность, малые габариты и металлоемкость, высокая степень измельчения делают их незаменимыми в комбикормовой и зерноперерабатывающей промышленностях.
В комбикормовой промышленности бесситовая дробилка A1-ДДШ применяется для измельчения солей, микроэлементов, пленчатых культур. ДДК — для измельчения микроэлементов, антибиотиков, витаминов. Производительность 80...100 кг/ч, скорость молотков 75 м/с, установленная мощность 7 кВт, масса 325 кг. Молотковая микромельница А2-ШИМ имеет аналогичное применение, ее производительность до 100 кг/ч, крупность измельчения до 600 мкм, установленная мощность 4,5 кВт, число оборотов ротора 5800 мин, масса 394 кг, габариты LxBxH = 1400 х 590 х 2840 мм. Молотковая дробилка А1-ДМ2Р-110 (160) наиболее распространена для измельчения зерна, злаковых, пленчатых, бобовых культур, кукурузы, зерносмесей, мелкокускового жмыха и др. Ее производительность при измельчении зерновых культур составляет от 6 до 14 т/ч, окружная скорость 90 м/с, установленная мощность 160 кВт, габариты LxBxH = 2070 х 1400 х 21640 мм, масса около 2000 кг. Молотковая дробилка А1-ВДК создана для измельчения картофеля в технологии производства спирта взамен менее надежных и более энергоемких молотковых дробилок из горнорудной промышленности. Она успешно внедрена с более высокими технико-экономическими показателями на Бережецком спиртовом заводе. В Воронежском сельхозинституте создана молотковая дробилка для измельчения зерна. Особенность конструкции состоит в прерывистости цилиндрической деки вокруг ротора в 1 и 4 квадрантах и наличии просеивающих камер, соединенных с измельчительной отверстиями. Сечение отверстий регулируемо и позволяет изменять время измельчения. К основным типам (видам, моделям) молотковых дробилок, работающих в комбикормовой промышленности, относятся: ДДК, МД-400У, ДДМ, А1-БД-2, А1-ДДП, А1-ДДР, А1-ДРМ, ДМИ др.
Последние исследования по применению молотковых дробилок в технологии переработки зерна в муку были проведены С. Д. Хусидом в 1947 г. и, как было указано, не привели к широкому распространению этих измельчителей в технологии производства муки.
К основным недостаткам молотковых дробилок следует отнести: неоднородность по крупности измельченного материала; измельчение материала твердостью менее 5 единиц по шкале Мооса; тщательность балансировки ротора как при изготовлении, так и в процессе работы вследствие неравномерности износа молотков; быстрый износ сита; низкая дисперсность измельченного материала.
Недостатки молотковых дробилок частично устранены в измельчителях другого типа, к которым относятся штифтовые измельчители. Согласно классификации А. А. Петренко их можно разделить на три группы: с двумя встречно вращающимися и одним неподвижным, одним штифтовым ротором и декой. Это соответственно дезинтеграторы, дисмембраторы и энтолейторы. К этому типу измельчителей следует отнести и игольчатодисковые мельницы фирмы «КЕК».
Дезинтеграторы и дисмембраторы разработаны СКТБ «Дезинтегратор» (Таллин, Эстония) различного типоразмера и соответственно производительности: 5, 10, 30 и 60 т/ч. Они более компактны и более энергонасыщены, чем молотковые дробилки, обладают более высокой степенью измельчения, при более однородной характеристике крупности измельченного продукта, но требуют тщательной балансировки роторов и рекомендуются для измельчения материала, твердостью не более 5 единиц по шкале Мооса. Отличительной особенностью дезинтеграторов и дисмембраторов, по мнению авторов разработки, является механическая активация вновь образованной поверхности.
Область применения штифтовых дробилок достаточно разнообразна. При ржаном помоле применение дисмембратора «Рекорд-Д» (производства ГДР) позволило повысить производительность системы (0,5 вальцового станка и дисмембратор) до 4,0 т/ч при увеличенной на 78 % степени измельчения. Применение дисмембраторов широко известно в технологии производства муки, особенно сортовой, для обеззараживания зерна, муки и до-измельчения продуктов размола 1, 2 и 3-й размольных систем, что повышает извлечение муки на 10-15 % и в значительной мере стабилизирует технологический процесс.
В комбикормовой промышленности штифтовые измельчители широко применяются для высокодисперсного измельчения солей, микроэлементов, витаминов, антибиотиков и т. п. Примером является А1-ДДЛ с производительностью 0,75...0,8 т/ч, дисперсностью помола менее 100 мкм, установленной мощностью 45 кВт, частотой вращения ротора 2930 мин-1, габаритами LxBx H - 1800 х 1400 х 1600 мм, массой — 2000 кг.
Конструктивные особенности и организация процесса измельчения в молотковых дробилках максимально способствуют реализации прямого центрального удара молотков по измельчаемому материалу, что сводит к минимуму скольжение продукта по поверхности молотка и, соответственно, процесс истирания. В штифтовых измельчителях реализуется скользящий, многократно повторяющийся удар, процесс истирания значительно активизирован, но не является определяющим.
Высокая дисперсность измельчения достигается в струйных мельницах. Частицы измельчаемого материала струей воздуха разгоняются до нескольких сотен метров в секунду и, ударяясь об отбойную плиту, измельчаются. При этом исключено прессование частиц, а избыток воздуха не допускает нагрева измельчаемого материала. Продукты измельчения струйных мельниц отличаются узким диапазоном гранулометрического состава, т. е. высокой однородностью. Загрязнение измельченного материала продуктами износа рабочих органов, по сравнению с другими видами измельчителей, незначительно.
Струйные мельницы обладают низкой металлоемкостью и гибкостью в выборе режимов работы. Они надежны в работе и не требуют высокой квалификации в обслуживании. Ограничений по твердости и крепости измельчаемого материала не имеют. Диапазон достигаемых производительностей достаточно широк. Основными недостатками струйного измельчения являются высокая энергоемкость процесса, невозможность реализации мокрого измельчения и необходимость тщательной очистки сжатого воздуха перед подачей в камеру измельчения. По данным, энергозатраты струйного измельчения в 1,5-2 раза превышают таковые при шаровом измельчении.
К машинам, в которых разрушение материала осуществляется ударом с последующим истиранием, относятся деташеры и бичевые вымольные машины. Современными представителями этих машин являются деташеры А1-БДГ и вымольные машины A1-БВГ. Основными элементами конструкции являются ротор с бичами и охватывающий их перфорированный цилиндр, установленные в корпусе. Исходный продукт подвергается интенсивному скользящему удару, отбрасывается на внутреннюю поверхность перфорированного цилиндра и вовлекается в движение по окружности с осевым перемещением следующим рядом бичей. Процесс разрушения истиранием происходит в радиальном зазоре между бичами и перфорированной — просеивающей поверхностью. Машины отличаются простотой конструкции, компактностью. При массе в 70 кг А1-БДГ имеет производительность 0,3...0,6 т/ч, А1-БВГ соответственно 600 кг и 900...1600 кг/ч, установленная мощность 1,5 и 5,5 кВт. Недостатком машин является наличие ситовой поверхности, снижающей ее ресурс на отказ. Применение машин широко известно при сортовом помоле муки. А1-БДГ применяют после вальцовых станков 1-й, 2-й шлифовочных систем и 4-10 размольных. А1-БВГ — для отделения частиц эндосперма от оболочек сходовых фракций драных систем. Изготовителями-разработчиками машин являются фирмы «Бюлер» (Швейцария) и «Окрим» (Италия).
Принцип действия измельчителей основан на приложении истирающих усилий к измельчаемому материалу. Это прежде всего шаровые, стержневые мельницы, жернова и др.
Шаровой мельнице в 1991 г. исполнилось 100 лет. Базовой моделью шаровой мельницы является барабанная мельница. Она представляет собой цилиндрический или цилиндроконический барабан, заполненный на 30...45 % объема измельчающими телами: шарами, цильбепсами, более крупными кусками измельчаемого материала. Барабанные мельницы отличаются многообразием конструктивных решений, которые в основном отражают специфику расположения различных, дополнительно интенсифицирующих устройств в рабочей зоне, Это мельницы с роторным интенсификатором, гладким катком, маятником, наклонными дисками, электромагнитным вращающимся якорем и т. д. Аттритеры являются разновидностью шаровых мельниц. Вертикальное исполнение их рабочих органов обеспечивает принудительное перемешивание шаров в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Фирма “Blue Cirele” (США) широко использует аттритеры для тонкого помола угля, при четырех рядах молотков и частоте вращения вала 1700 мин-1. При этом содержание класса менее 74 мкм достигает 80 %. Шаровые барабанные мельницы имеют значительные габариты, массу, шумны в работе, малоэффективны при тонком измельчении и засоряют измельчаемый продукт. Несмотря на недостатки, они получили широкое применение во всех отраслях промышленности, в том числе и для измельчения широкой гаммы пищевых продуктов ввиду ряда своих преимуществ: простоты и надежности конструкции, однородности крупности измельченного материала, не требуют квалифицированного обслуживания и др. Этими достоинствами и объясняется многочисленность научных разработок, направленных на совершенствование шаровых мельниц. Результаты таких работ легли в основу создания более энергонасыщенных и эффективных шаровых мельниц: вибрационных, ротационных, центробежных, планетарных, трубных, электромагнитных и их модификаций. Процесс измельчения в этих конструкциях осуществляется преимущественно истиранием, что позволяет достигать более тонкого измельчения. Конструкции вибрационных мельниц являются перспективными, о чем свидетельствует большое количество (более 200) поданных за последние 15 лет заявок. Виброизмельчение позволяет получать тонкодисперсный помол при высокой удельной производительности.
Центробежно-планетарные мельницы относятся к разновидностям барабанных мельниц, Конструкция этих мельниц, имеющих две оси вращения, рассматривается как перспективная вследствие снижения металлоемкости в 10-20 раз и возможности регулирования измельчающего усилия посредством изменения скорости вращения приводного вала.
Ротационные шаровые мельницы незаменимы при сверхтонком измельчении. В мельнице с кольцевым зазором системы Welte (МКЗ) крупность измельчения может быть достигнута до 10 мкм. Плотность энергии в рабочем кольцевом зазоре в 35 раз превышает соответствующую в гравитационной шаровой мельнице и в 6 раз — в мельнице с мешалкой. Измельчаемый материал практически не засоряется продуктами износа рабочих органов, так как ротор и корпус футеруются полиуретаном или каучуком, а шары применяются из сверхтвердого материала: оксидов алюминия, циркона, нитрида или карбида кремния, вольфрама и т, д. Их крупность изменяется в диапазоне 4,0...0,5 мм.
Шаровая многотрубная мельница реализует сухой и мокрый помол. Материал в мельнице проходит более долгий путь, за счет чего повышается тонкость, равномерность помола и его тщательное перемешивание. Удельная энергоемкость процесса снижена по сравнению с обычной шаровой мельницей в 2 раза за счет снижения вращающего момента вследствие уравновешенности системы периферийными барабанами.
Шаровые электромагнитные мельницы двойного действия по технико-экономическим показателям превосходят гравитационные и вибрационные, имеют меньшие габариты и удельные затраты электроэнергии.
Принцип действия вихревых мельниц или микронайзеров основан на взаимном истирании при соударении движущихся с различной угловой скоростью частиц в вихревом потоке. Ввиду малой массы частиц и невысокой скорости соударения разрушение последних происходит в основном за счет истирания при многочисленных взаимных контактах. Наиболее эффективными в этом виде измельчения являются аппараты АВС-100 (150). Вихревой поток в рабочей камере аппаратов создается ферромагнитными частицами, равномерно распределенными по всему объему и вращающимися с переменной угловой скоростью. Такая организация процесса исключает проскок неизмельченного материала при его непрерывном движении через аппарат. Аппараты ABC позволяют получать высокодисперсные продукты и рекомендуются для сухого измельчения материалов твердостью до 5 единиц по шкале Мооса.
Шаровые мельницы фирмы “FRYMA AG” (Швейцария) нашли применение в кондитерской промышленности для тонкого измельчения шоколадной глазури, начинки, смесей мороженого, какао-ликера, ореховой массы, шоколадных отходов до крупности 20 мкм. Шаровые мельницы практически незаменимы в технологиях с высокой производительностью по измельчению не менее 800 кг/ч. Шаровая мельница типа Coball-Muhle фирмы “FRYMA AG” используется для приготовления кремов. Крупность шаров от 0,5 до 3,0 мм, заполнение ими объема корпуса от 70...80 %, дисперсность измельчения 1...50 мкм, производительность до 4000 л/ч.
Измельчители истирающего действия при измельчении любых видов сырья не обладают избирательностью измельчения. Поэтому в зерноперерабатывающей промышленности при сортовом помоле пшеницы и ржи их применение неизвестно.
В. А. Маринченко и Л. В. Кислой были проведены многочисленные исследования на измельчителях истирающего действия с целью получения высокодисперсных зерновых продуктов для спиртового производства. В результате исследований установлено, что наиболее эффективными являются ABC-150 и шаровая электромагнитная, которые при небольшой стоимости имеют минимальные удельные затраты, соответственно 12,5 и 14,0 кВт*ч/т. Дисперсность помола на шаровой электромагнитной мельнице составляет 62...65 % менее 80 мкм. Такую дисперсность помола можно достигнуть и на других шаровых мельницах, однако при значительно больших энергозатратах.
Измельчители, принцип действия которых основан на приложении сжимающих и сдвигающих усилий. Процесс разрушения при одноосном сжатии реализуется в валковых измельчителях с диаметром валков от 0,2 до 1,2 м. Подвижной валок прижимается к неподвижному с усилием в несколько сотен MПa, окружная скорость валков составляет 0,5...2,0 м/с. При сжимающих усилиях такого порядка в большинстве твердых материалов начинается процесс разрушения. Валковые измельчители применяются преимущественно для измельчения природных и синтетических сверхтвердых материалов, т. к. не допускают переизмельчения. В зерноперерабатывающей промышленности по такому принципу работают плющильные вальцовые станки для предварительного разупрочнения ячменя, овса, пшеницы, гороха и др. Диаметр вальцов равен 500 мм, длина не более 500, отношение скоростей 1,0...1,05. Предварительное разупрочнение способствует более эффективному последующему измельчению. Следует отметить, что разрушение материалов в этом виде измельчителей происходит в монослое.
Роликово-маятниковая мельница реализует процесс разрушения раздавливанием материала в кольце в результате качения по нему роликов, находящихся в поле центробежных сил. Давление, развиваемое роликом, составляет 130-190 МПа. Мельница изготовляется совместно с сепаратором СМ-493 Выксунским заводом дробильно-размольного оборудования (Россия) и широко применяется для измельчения известняка, кокса, удобрений и др.
К большому классу современных машин, реализующих одноосное сжатие, относятся инерционные конусные дробилки. Разработанная А. К. Рундквиетом и И. И. Блехманом теория этих машин позволила создать типоразмерный ряд от КИД-60 до достаточно крупной дробилки КИД-2200. Преимущества этих дробилок по сравнению с традиционными (эксцентриковыми конусными) состоят в снижении удельных затрат электроэнергии в 1,5 раза при приросте удельной поверхности, равной 200 %. Достижение высоких показателей реализации процесса объясняется следующим. В традиционных измельчителях для создания максимального усилия применяют рабочие органы с жесткой кинематической схемой (валковые дробилки, вальцовые станки и др.). Разрушение материала осуществляется за один проход, поэтому во избежание проскока неизмельченного материала, его деформацию доводят до уровня, обеспечивающего разрушение самых мелких частиц. При этом более крупные частицы, разрушаясь значительно раньше, подвергаются прессованию и заполняют пустоты между частицами, что препятствует дальнейшему развитию деформации. Разрушение происходит неизбирательно и с большими энергозатратами. В КИД реализуется принципиально иная схема элементарного акта разрушения. Последний происходит в слое. Частицы материала взаимодействуют друг с другом, и более прочный кусок разрушает менее прочный. Пустоты между частицами заполняются мелочью, сопротивление слоя увеличивается и препятствует дальнейшей деформации. Жесткая кинематическая связь между измельчающими органами отсутствует. Измельчающее усилие определяется сопротивлением слоя разрушения и согласуется с пределом прочности межкристаллических связей. Импульсный характер приложения усилий к слою способствует переориентации частиц относительно друг друга и свободному выходу из него измельченных частиц, не допуская переизмельчения и прессования. Применение динамического привода позволило повысить частоту воздействия рабочих органов на материал как минимум вдвое по сравнению с традиционными.
В США конусные инерционные дробилки типа Гиродиск разработаны и выпускаются фирмой «Рекенорд». Измельчение материала происходит в слое за счет одноосного сжатия. Усовершенствование дробилок Гиродиск привело к созданию КИД с изменяющейся нагрузкой на слой материала в широких пределах, что позволило оптимизировать режимы работы.
Одноосное сжатие и сдвиг реализуются в жерновах различной конструкции и вальцовых станках с отношением окружных скоростей более 1. Современным представителем жерновов является корундовый измельчитель. Его ресурс работы увеличен до 1500 ч, за счет повышения твердости жерновов изготовленных из синтетического корунда твердостью 9 единиц по шкале Мооса. Достигнутая измельчителем дисперсность помола составляет 5-350 мкм при производительности 2...3 т/ч, установленной мощности 55 кВт, диаметре абразивного круга 900 мм и массе 920 кг. Он нашел применение в биотехнологических производствах и в спиртовой промышленности для измельчения зерна. При измельчении зерна от крупности 60...70 % прохода через сито 1000 мкм до крупности 60...70 % прохода через сито 250 мкм расход электроэнергии составляет 11...13 кВт ч на 1 т.
Совершенствованию конструкции вальцового станка исторически уделялось особое внимание, однако эволюция его конструктивных элементов совершенно не отразилась на принципе действия. Одноосное сжатие и сдвиг в межвальцовом зазоре являются самыми распространенными в зерноперерабатывающей промышленности способами избирательного измельчения. Изготавливаются вальцовые станки известными зарубежными фирмами “Buhler” (Швейцария), “Ocrim”, “Roncaglia”, “Golfetto” (Италия) и др., “Robinsons Milling Systems Ltd” (Великобритания) и др. Станки выпускаются с вальцами длиной 800, 1000 и 1250 мм, диаметром 250, 300 мм. Современные вальцовые станки фирмы “Buhler”, четырехвальцовый MDDK и восьмивальцовый MDDL — оснащены компьютерным управлением, которое позволяет выдерживать режимы измельчения для каждой помольной партии. Область применения вальцовых станков в пищевой промышленности наиболее широкая. Достаточно отметить, что в технологии производства муки вальцовый станок является основной машиной, реализующей процесс измельчения. Отечественная мукомольная промышленность в настоящее время укомплектована преимущественно вальцовыми станками А1-БЗН, А1-БЗ-2Н, A1-БЗ-ЗН, Р6-БЗ-5Н и Р6-БЗ-6Н собственного производства. Вальцовые станки также широко примененяются в схемах измельчения зерновых культур в спиртовой промышленности. В Великобритании разработан способ измельчения зерна кукурузы на вальцовой мельнице. Зерно замачивают до влажности 23-40 % и измельчают в вальцовом станке без предварительной механической обработки. В результате получают высококачественную муку. Известно применение вальцовых станков и в технологии измельчения сахарного тростника. Это трехвальцовые мельницы типа Fulton и их модернизированный вариант 4-вальцовая мельница фирмы “Atlantic Sugar Association” (США). В результате модернизации снижена скорость вращения вальцов на 20 % при неизменной производительности. Трехвальцовый станок для измельчения зерна пшеницы разработан на базе 4-вальцового станка в университете фундаментальных исследований США. Третий валец расположен под двумя в центре и вращается с правым вальцом в одном направлении. В станке реализуются два этапа измельчения при экономии одного вальца.
В ФРГ разработан вальцовой станок для измельчения какао-бобов. Измельчение осуществляется в зазоре между двумя горизонтально расположенными вальцами. Величина зазора устанавливается и регулируется в зависимости от емкости макроконденсатора, представляющего собой полярные пластины в виде вальцов и разделяющего их диэлектрика из слоя измельчаемого материала. Непрерывная регулировка зазора обеспечивает высокую эффективность измельчения.
Широкая область применения вальцовых станков в различных отраслях народного хозяйства указывает на их универсальность, высокие технико-экономические показатели работы. Однако вальцовые станки имеют ряд существенных недостатков: достаточно сложны конструктивно; необходимость равномерной подачи исходного материала по всей ширине вальцов; точность исполнения геометрических форм вальцов и их поверхностей; высокая чистота обработки рабочей поверхности; недопустимость биения поверхности бочки и шейки; высокий класс точности подшипников; значительное снижение извлечения при незначительном износе рабочей поверхности; необходимость установки и периодической регулировки межвальцового зазора; необходимость отвода медленно вращающегося вальца при прекращении подачи зернопродуктов; низкая избирательность извлечения, не позволяющая повышать степень измельчения; значительный рост затрат электроэнергии при повышении степени измельчения; присутствие эффекта скольжения зерна относительно рабочей поверхности вальцов, способствующего истиранию оболочечных продуктов; наличие граней на рифлях вызывает эффект резания оболочек при сжимающих и сдвиговых усилиях; вальцы имеют жесткую кинематическую связь, что способствует избыточному подводу энергии к измельчаемому продукту и как следствие — к ее перерасходу и нежелательному прессованию продукта; относительно высокие материало- и энергоемкость.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: