Пятый мелющий элемент

Автор: 
Шлегель И.Ф. - канд. техн. наук, доктор, профессор, член-корреспондент РАЕН, генеральный директор ООО «ИНТА-СТРОЙ», г.Омск

Современное развитие промышленности уделяет большое внимание крупности применяемых материалов и их эффективному измельчению, как средству для оптимизации технологических процессов. Если несколько десятков лет назад мы говорили о суперизмельчении, коллоидах, активации [1,2], высококонцентрированных вяжущих суспензиях (ВКВС) [3], то появление термина «нанотехнологии» и соответствующего министерства свело эти технологии под единую «крышу». 
  
Наличие финансирования по этой проблеме и большое количество грантов привело к бурному росту этого научного направления. Нанотехнологии находят широкое практическое применение в различных отраслях химического производства, изготовлении строительных материалов, обогащении руд, добыче золота. 
  
Нанотехнологии предполагают работу с материалами, частицы которых имеют размеры меньше микрона и обладают иными свойствами, чем исходные материалы. Однако, исходя из некоторых современных публикаций, можно сказать, что всякое измельчение – это нанотехнология, т.к. при любом разделении материала появляется определённый процент (или доли процента) наноразмерных частиц. Глина – тоже наноматериал так как содержит порой до 10 % наночастиц, ну а технология керамики – это сплошное нано. Но не всё же то нано и золото, что блестит или тонко помолото! 
  
Такая подгонка под «крышу» нанотехнологий процессов измельчения с научной точки зрения не всегда правомерна, однако способствует финансированию и продвижению новых разработок в производство. 
  
Доктор Эрлих Г. [4] пишет: «Это сейчас отечественные ученые вставляют «нано» куда ни попадя, зачастую из конъюктурных соображений – под неё дают гранты, за границей же мода на приставку «нано» в заголовке статьи идет на спад». 
  
Мы же, не претендуя на гранты по нанотехнологиям, будем говорить о тонком измельчении материалов и разработанных в нашем институте мельницах, не касаясь в рамках данной статьи технологических аспектов применения таких машин. 
  
Что же заставило нас 15 лет назад взяться за разработку мельниц? 
  
Во-первых, отсутствие высокопроизводительных и эффективных мельниц тонкого помола для непрерывных технологических процессов. 
Во-вторых, ситуация, когда в производстве применяется техника, разработанная не менее 100 лет назад и её технические характеристики, весьма далеки от оптимальных показателей. 
  
В-третьих, это опять же несоответствие лабораторных результатов и результатов, полученных в реальной технологии. То есть в лабораторных экспериментах получаются отличные образцы и по прочности и по внешнему виду, а в промышленном производстве получаемые изделия гораздо хуже по качеству. 
  
Широко используемые в различных отраслях шаровые мельницы не позволяют получать быстро особо тонкий помол и имеют низкую эффективность по затратам эл.энергии на тонну продукции. 
  
В последнее время для непрерывных техпроцессов получили распространение виброцентробежные мельницы разных изготовителей, но мало чем отличающиеся друг от друга. Эти мельницы позволяют получить более тонкий помол. Так , марка цемента после шаровой мельницы может быть до Д 500, а домол на виброцентробежной мельнице повышает марку до 700 [5]. Однако, как сообщает автор в своих статьях « особое внимание следует уделить вопросу правильной установки мельницы с гашением высокочастотных и низкочастотных вибраций. Она должна стоять на собственном фундаменте, превышающем по массе её металлическую часть в 2,5 раза». Также должны быть установлены специальные виброгасители. 
  
Наш опыт по разработке мельниц начался с экспериментов на планетарной мельницей проходного типа [6]. Толчком к этой разработке послужил удачный опыт работы планетарных стационарных мельниц. 
  
Но планетарная мельница проходного типа имела низкую надежность, связанную с невозможностью уплотнения подшипниковых опор барабанов, движущихся по планетарной траектории. 
  
Полученный практический опыт лег в основу разработанной вибропланетарной мельницы «Пурга» (рис.1), движение шаров в которой аналогично их траектории в планетарной мельнице, однако барабаны не вращаются, а приводятся в движение эксцентриковым валом.

Мельница «ПУРГА» (рис.2) состоит из: рамы (1), двух подшипниковых опор (2), эксцентрикового вала (3), двух пар водил (4), представляющих собой трехлучевую звезду с расположенными на концах лучей ложементами для крепления шести помольных барабанов. Барабаны (5) одной группы находятся в просвете барабанов другой – оппозитной группы барабанов, взаимно уравновешивая друг друга. Загрузочные и отводящие патрубки играют роль гибких связей, не позволяющих барабанам закрутиться вместе с валом, а заставляют их совершать движения по траектории, близкой к круговой и с амплитудой равной удвоенному эксцентриситету вала. Мелющие тела, движущиеся внутри барабана, осуществляют измельчение. Установка корпуса мельницы под наклоном к горизонту способствует лучшему прохождению измельчаемого материала через барабаны.

Проведенные испытания подтвердили правильность выбранной схемы. Мельница работает мягко, не требует прецизионной балансировки, массивного фундамента. Конструктивные особенности мельницы «Пурга» обеспечивают движение мелющих тел в барабанах по различным траекториям в зависимости от частоты вращения эксцентрикового вала. При движении шаров по окружности измельчение происходит в результате истирания, что наиболее выгодно для проведения сверхтонкого (меньше 40 мкм) помола. При движении шаров в барабанах по эллиптическим орбитам будет реализовываться концепция измельчения с использованием в основном стесненного удара, что энергетически выгоднее при проведении среднего (500-100 мкм) и тонкого (100-40 мкм) помола. Таким образом, на «ПУРГЕ», изменяя частоту вращения эксцентрикового вала, можно реализовать различные схемы измельчения под многообразный круг задач, что делает ее более универсальной. Вторым способом варьирования дисперсности продукта является подбор оптимального диаметра мелющих шаров. 
С учетом опыта, полученного при испытании мельницы «ПУРГА» спроектирована мельница такой же производительности «ПУРГА-3» и лабораторная мельница «ПУРГА-1», на очереди линейка мельниц повышенной производительности. Технические характеристики мельницы «ПУРГА-1» и «ПУРГА-3» приведены в таблице 1. 
 

Мельница «Пурга» по качеству помола сопоставима с виброцентробежными мельницами различных конструкций, однако по производительности превосходит их в 3 раза, так как имеет 6 мелющих барабанов вместо двух. Но самое главное преимущество мельницы «Пурга» в том, что она является самосбалансированной машиной, не требующей фундамента. В нашем испытательном цехе она установлена на бетонном полу без фундаментных болтов. Эксперименты по загрузке даже одного из шести барабанов не приводили к сколько-нибудь заметным вибрациям. 

Этот эффект полной самосбалансировки мельницы позволяет наращивать мощность и производительность «Пурги» практически безгранично, так как нет ограничений по фундаментам, как например, в виброцентробежных мельницах. 

Единственным недостатком мельницы «Пурга» является некоторая сложность конструкции. В целях дальнейшей оптимизации мельниц нами были опробованы ряд вариантов и проведены эксперименты с четырьмя различными мелющими элементами: шарами, дисками, цильбепсами, стержнями. 

В результате за основу следующей мельницы был выбран пятый мелющий элемент – пружина. Несмотря на то, что нам неизвестно о применении пружин в реальных конструкциях мельниц, наш выбор основывался на том, что, при прижатии пружины за счет центробежных сил к цилиндрической обечайке возникают вибрации витков пружины вдоль её оси, что должно способствовать помолу и перетиранию материала. 

Также возникают вибрации витков на скручивание, причем эти вибрации находятся в ультразвуковом диапазоне, что также будет влиять на диспергирование материала. 

На основании исследований была сконструирована и изготовлена мельница «Вьюга» (рис.3).

Мельница весьма проста по конструкции и состоит из горизонтально расположенного цилиндрического корпуса, в котором смонтирован ротор с мелющими пружинами. Привод ротора осуществляется электродвигателем. 

При вращении вала мельницы пружины, увлекаемые во вращение ведущими осями, обкатываются по внутренней поверхности корпуса, измельчая и одновременно продвигая материал от загрузки к выгрузке. Наши надежды на эффективность мельницы с пружинами в качестве мелющих тел оправдались. Генерация мощных колебаний широкого спектра, в частности, в ультразвуковом диапазоне способствует хорошему помолу материала. 

На рис.4 представлены результаты анализа фракционного состава кварцевого песка после размола. Анализы проводятся на приборе «Микросайзер-201А».

Использование «Вьюги» при подготовке минеральных добавок, вводимых в состав шихты при производстве кирпича, позволило применять гранулированный доменный шлак не только в качестве отощающей добавки, но и получить керамические изделия светлых тонов.

Значительным преимуществом данных мельниц является возможность их использования не только для размола сухих материалов, но и для активации суспензий, например, глиняного шликера (рис.5).

Данный факт делает мельницы серии «Вьюга» незаменимыми при механической активации смесей, что в значительной степени ускоряет химические реакции в материале. Примером применения мельницы как активатора может служить её использование при подготовке зольноизвестковой массы для производства золосиликатного кирпича [6]. Результатом механической активации является значительное сокращение времени «созревания» шихты, повышение физико-механических показателей изделий. 
Существенным недостатком мельницы является повышенная шумность, выходящая за допустимые нормы, поэтому рекомендуется устанавливать её в отдельной шумоизолированной кабине.

Спроектирована лабораторная пружинная мельница «ВЬЮГА-1» и промышленные установки «Вьюга-3» и «Вьюга-5» технические характеристики которых представлены в таблице 2. Перед коллективом разработчиков стоит задача расширения типоряда мельниц «Вьюга» более производительными машинами.
 

При сравнении двух мельниц «Пурга» и «Вьюга» (рис. 4,5) видно, что мельница «Пурга» обладает более высоким качеством помола, однако «Вьюга» более проста по конструкции, а в некоторых случаях, где требуется УЗВ – диспергирование просто незаменима (например при роспуске глиняных суспензий). 

Таким образом, институтом разработаны и поставлены на серийное производство два типоразмерных ряда мельниц, каждая из которых займет своё место в непрерывных технологических процессах. 

Список литературы: 

1.    Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск: Наука.1986 г. 
2.    Молчанов В.И., Селезнев О.Г., Жирнов Е.Н. Активация минералов при измельчении. М.: Недра.1998 г. 
3.    Пивинский Ю.Е. ВКВС и керамобетоны в XXI веке - проблемы и перспективы применения технологий в области силикатного материаловедения//Новые огнеупоры 2011 г. №3 стр.120-130, №4 стр.39-50. 
4.    Эрлих Г. Нанонауки: итоги пятилетки «Химия и жизнь» 2012, №3, с.2-8. 
5.    Кузьмина В.П. Механоактивация материалов для строительства. Цемент//Строительные материалы 2007 г., №6, стр.74-75 
6.    Шлегель И.Ф., Гришин П.Г. Мельница планетарная ШЛ-312//Строительные материалы 2002 г., №5,
7.    Шлегель И.Ф. и др. Повышение качества силикатных материалов с использованием активатора «Вьюга»//Строительные материалы 2011 г., №9,