Влияние микрогеометрии поверхности валков на процесс тонкого измельчения

30.10.2014

Как указывалось, для тонкого измельчения различных продуктов, например крупок, применяют не рифленые поверхности, а шероховатые, создаваемые в результате шлифования абразивами рабочих поверхностей валков или путем их обработки электроискровым способом по методу проф. Б. Р. Лазаренко. Механизм измельчения на валках с нарезными поверхностями освещен в литературе с достаточной полнотой. Что же касается механизма тонкого измельчения крупок на валках с шероховатыми поверхностями, то по данному вопросу в литературе имеются скудные сведения.
Измельчение на валках с шероховатыми поверхностями характеризуется некоторыми существенными, еще мало изученными особенностями.
При измельчении крупок нарезными валками, особенно при расположении граней рифлей валков «острие по острию», имеет место в основном хрупкое разрушение. При измельчении же на валках с шероховатыми поверхностями часть крупок может подвергаться хрупкому разрушению, а другая часть —вязкому. Преобладание того или иного вида разрушения обусловлено различными факторами.
При измельчении частиц нарезными валками, когда их рабочие поверхности находятся в удовлетворительном состоянии, соприкосновение (контакт) поверхностей с измельчаемыми частицами относительно велико. Это не достигается при измельчении частиц на валках с шероховатыми поверхностями, так как они соприкасаются с частицами лишь отдельными микронеровностями. Количество последних может быть значительным, а соприкасание их с частицами — чрезмерно малым. Следовательно, в отличие от нарезных поверхностей, процесс измельчения на валках с шероховатыми поверхностями сводится к сумме элементарных процессов, воздействию на измельчаемые частицы большого количества отдельных микронеровностей различных форм и размеров.
Исследуя процесс тонкого измельчения на валках с различными рабочими поверхностями, мы пришли к выводу, что механизм тонкого измельчения на валках с шероховатыми поверхностями в принципе подобен процессу шлифования. Поэтому в данном случае характер разрушения частиц будет отличаться от разрушения частиц валками с нарезными поверхностями и зависеть главным образом (при прочих равных условиях) от многообразия форм микронеровностей рабочих поверхностей валков. Если эти неровности будут острыми, то механизм измельчения уподобится механизму царапания или резания. Если же микронеровности окажутся тупыми, частицы разрушатся в результате образования вмятин на их поверхности, появления трещин и откалывания частиц различной формы.
Формы микронеровностей обусловливают различные виды деформации частиц. Особенно важное значение в связи с этим приобретает температура частиц и рабочей поверхности валков.
При постоянных показателях качества измельчаемых частиц скалывающее напряжение с повышением температуры от трения может достигать предела текучести, вследствие чего частицы зерна расплющатся, и в процессе измельчения получатся тонкие крупные хлопья — чешуйки. Следовательно, при измельчении частиц на валках с шероховатыми поверхностями основное значение при деформировании имеют силы трения. Совершенно иначе происходит измельчение на рифленых валках; здесь решающую роль играют профиль поперечного сечения и число рифлей на единицу окружности валков, а не силы трения.
С уменьшением рабочего зазора степень измельчения частиц на валках с нарезными поверхностями, как правило, повышается. Иную закономерность мы устанавливаем при тонком измельчении частиц на валках с шероховатыми поверхностями. При одинаковых нагрузках и кинематических параметрах валков с уменьшением рабочего зазора степень измельчения крупок сначала возрастает. Дальнейшее уменьшение зазора приводит к резкому снижению ее и существенному повышению расхода энергии. Это явление было отмечено Ф. А. Меджем. А. Р. Демидовтакже установил, что при постоянной нагрузке (118 кг/см*сутки) и величине зазора меньше 0,05 мм степень измельчения частиц резко падает. То же наблюдается при постоянном значении зазора и увеличении нагрузки на валки (рис. 41). А. Р. Демидов утверждает, что снижение степени измельчения частиц вызывается явлением прессования, Однако такое утверждение неправильно, так как при различных окружных скоростях валков прессование продукта исключается. Здесь имеют место реологические явления. С уменьшением зазора повышается давление; следовательно, увеличиваются силы трения, напряжение сдвига достигает предела текучести, и получаются тончайшие хлопья, которые А. Р. Демидов называет «пластинками». Явлением текучести объясняется также налипание слоя измельчаемого материала на рабочие поверхности валков, .что в свою очередь приводит не только к дальнейшему снижению степени измельчения, но и к резкому повышению расхода энергии.

С увеличением отношения окружных скоростей рифленых валков степень измельчения частиц, как правило, возрастает. Этого мы не устанавливаем при измельчении на валках с шероховатыми поверхностями. В данном случае имеется оптимальная величина отношения окружных скоростей валков К. Достаточно превысить эту величину, как степень измельчения сразу снижается и возникают явления, описанные выше.
Как установлено практикой работы ряда предприятий Главного управления мукомольной промышленности, нередко рабочие поверхности дал ков размольных систем покрываются тестообразной массой, образующейся в результате текучести продуктов измельчения зерна.
Это явление, механизм которого длительное время не был уяснен, отрицательно сказывалось на работе мельниц.
Большие трудности возникали на отдельных предприятиях, перерабатывавших рожь в обойную муку; особенно сильно налипала тестообразная масса на валки II и III драных систем.
Известен факт обращения одного американского мукомола ко всем мукомолам США с просьбой помочь ему в установлении причин налипания продукта на поверхности валков драных систем при измельчении пшеницы.
Между тем явление текучести легко устранимо, если правильно установить отношение окружных скоростей валков.
Оптимальная величина отношения окружных скоростей К зависит главным образом от микрогеометрии рабочих поверхностей валков, которую в России принято называть чистотой поверхности. Критериями оценки чистоты служат: величина среднего квадратического отклонения высот неровностей поверхности от средней линии профиля Hск и высоты неровностей Hср.
Как это будет показано в дальнейшем, K0 тем больше, чем больше Нск, т. е. чем грубее обработана поверхность, тем большее отношение окружных скоростей валков можно устанавливать в процессе тонкого измельчения.

Исследования влияния Hск на процесс измельчения обогащенных крупок проводили на валках со следующими показателями чистоты поверхности валков.:
— чугунные, абразивно-шлифованные поверхности с Hск = 1,5—1μ (7-й класс чистоты ΔΔΔ);
— керамиковые — Нск = 3—2 μ (6-й класс чистоты ΔΔ);
— керамиковые — Hск = 6—5 μ (5-й класс чистоты ΔΔ);
— чугунные, обработанные электроискровым способом, с Hск = 12—10 μ (4-й класс чистоты ΔΔ).
Чистоту поверхности валков определяли по ГОСТ 2789-45 при помощи двойного микроскопа Линника.
Для электроискровой обработки валков использовали станок электроискрового действия, сконструированный во ВНИИЗ кандидатом технических наук А. Р. Демидовым и старшим научным сотрудником Б. М. Горбуновым.
Измельчали крупную крупку одинакового качества и одинаковой дисперсности, полученную на экспериментальной мельнице ВНИИЗ при переработке смеси пшеницы Херсонской и Сталинской областей со стекловидностью 60—63%, влажностью на I драной системе 15,4% и зольностью 1,53%.
Опыты проводили на валках диаметром 300 мм и длиной 500 мм; окружная скорость быстровращающихся валков составляла 6,4 м/сек, отношение окружных скоростей валков K = 1,5—1,6 и нагрузки на валки — 150—160 кг/см*сутки. Величина рабочего зазора между валками была одинакова (0,15 мм).
В табл. 48 приведены результаты исследований процесса измельчения крупок на валках с различной шероховатостью Нск.

Из таблицы видно, что наилучшие результаты достигались на валках с Нск = 6—5 μ. Так, извлечение муки составляло 46,6% против 31,9 и 36% при измельчении крупок на валках с Hск = 12—10 μ и 1,5—1 μ.
Мука, полученная в результате измельчения крупок на валках с Hск = 6—5 μ, характеризовалась наилучшими показателями цвета и зольности. Наиболее высокую оценку получил хлеб, выпеченный из этой муки, хотя объем и отношение высоты подового хлеба к его диаметру h/d были несколько меньше по сравнению с хлебом из муки, полученной при измельчении крупок на валках с Нск = 12—10 μ. Наихудшие показатели качества муки и хлеба были получены при измельчении крупок на валках с Нск = 1,5—1 μ. Наименьшее количество энергии на образование единицы поверхности и получение 1 кг муки было затрачено при измельчении крупок на валках с Hск = 12—10 μ.
Сравнительные данные, относящиеся к процессу измельчения крупок на валках с различными шероховатыми поверхностями, показывают, что их микрогеометрия влияет на все показатели процесса тонкого измельчения —степень измельчения продукта, качество муки и хлеба, расход энергии и т. п. Вопрос о выборе оптимальных рабочих поверхностей для тонкого измельчения может быть решен лишь после рассмотрения материалов сравнительных исследований процесса измельчения крупок на валках с нарезными и шероховатыми поверхностями при различных кинематических параметрах этих валков. Результаты исследований излагаются в разделе четвертом.