Измельчение
ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ, разрушение твердых тел до требуемых размеров. По размеру (крупности) измельченного продукта различают: грубое (300-100 мм), среднее (100-25 мм) и мелкое (25-1 мм) дробление; грубый (1000-500 мкм), средний (500-100 мкм), тонкий (100-40 мкм) и сверхтонкий ( < 40 мкм) помол. Цель дробления - получение кускового продукта необходимой крупности и гранулометрического, или фракционного, состава, подготовка к помолу. Цель помола - увеличение дисперсности твердого материала, придание ему определенных гранулометрич. состава и формы частиц (остроугольные, скатанные, чешуйчатые и т. п.), дезагрегирование. Измельчение способствует: улучшению однородности смесей (напр., произ-во СК); ускорению и повышению глубины протекания гетерог. хим. р-ций (в произ-ве минер. удобрений, ультрамарина и др.); повышению интенсивности сочетаемых с ним др. технол. процессов (перемешивание, сушка, обжиг, хим. р-ции); снижению применяемых т-р и давлений (напр., при варке стекла); улучшению физ.-мех. св-в и структуры материалов и изделий (твердые сплавы, бетон, керамика, огнеупоры и т. п.); повышению красящей способности пигментов и красителей, активности адсорбентов и катализаторов; переработке полимерных композиций, включающих высокодисперсные наполнители (напр., сажу, слюду, хим. и иные волокна), отходов произ-ва, бракованных и изношенных изделий (резиновые шины, термо- и реактопласты и др.) и т. д. Осн. характеристики процесса: изменение дисперсности; степень измельчения - отношение среднего размера кусков (зерен) исходного материала к среднему размеру кусков (зерен, частиц) измельченного продукта; уд. энергетич. затраты (в кВт.ч на 1 т продукта). Главные характеристики продукта измельчения - гранулометрич. состав (в %) и уд. пов-сть (в см2/г). Измельчение может быть сухим (как правило, при грубом и среднем дроблении) и мокрым (часто при мелком дроблении и помоле). Сухое измельчение проводят в воздушной среде или в инертных газах (при переработке окисляющихся, пожаро- и взрывоопасных, а также токсичных материалов). Мокрое измельчение (исходный материал смешивают с жидкостью, преим. с водой) применяют при обогащении руд методом флотации, при послед. обработке измельченного материала в виде суспензии (напр., в произ-ве ТiO2), при повыш. влажности материала и наличии в нем комкующих примесей, при необходимости исключить пылеобразование. Измельчение может осуществляться периодически либо непрерывно. Периодич. процесс применяют при небольших масштабах произ-ва, т. к. он сравнительно малоэкономичен, сопровождается сильными нагреванием (измельчение происходит в замкнутом объеме) и агрегированием обрабатываемого материала и дает возможность получать продукт только широкого гранулометрич. состава, содержащий значит. кол-ва мелких и крупных фракций. Непрерывный процесс осуществляют по двум осн. схемам. При работе в открытом цикле, используемом чаще всего для грубого и среднего измельчения, материал проходит через измельчитель только один раз, не возвращаясь в него, и также характеризуется широким гранулометрич. составом. Наилучшие показатели по качеству продукта, производительности измельчителя и энергетич. затратам достигаются в случае измельчения в замкнутом цикле с непрерывным отбором тонкой фракции. Тонкое дробление (или помол) производят, как правило, в замкнутом цикле "измельчение - классификация". В нем материал с размерами кусков больше допустимого предела многократно возвращается в машину на доизмельчение, а целевая фракция отбирается в результате послед. классификации с помощью: 1) грохотов (см. Грохочение) при дроблении, 2) гидравлических (см. Классификация гидравлическая) либо воздушных (см. Сепарация воздушная) сепараторов соотв. при сухом и мокром помоле. При содержании в исходном материале не менее 30-40% требуемого тонкого продукта измельчение в открытом или замкнутом цикле проводят с предварит. классификацией сырья. При высокой степени измельчения резко возрастает расход энергии. С целью его снижения процесс осуществляют в неск. стадий (обычно в две, реже в три), направляя материал в установленные последовательно дробилки или мельницы для грубого, среднего и тонкого измельчения. Для измельчения используют разл. способы. В пром. измельчителях чаще всего применяют след. виды мех. воздействий: свободный удар, раздавливание, истирание, а также их комбинации.
Рис. 1. Основные типы дробилок: а - щековая (1,2 - соотв. неподвижная и подвижная щеки); б - конусная (1,2 - соотв. неподвижный и качающийся конусы, 3 - вал); в - валковая; г - роторная (1 - ротор с молотками либо билами, 2 - статор, 3 - колосники).
В конусных, или гирационных, дробилках (рис. 1, б) предназначенных для среднего и мелкого дробления, материал подвергается раздавливанию (и частично излому) между неподвижным наружным конусом и внутренним, вращающимся в нем эксцентрично; зазор между конусами уменьшается книзу (по ходу материала). Осн. достоинства: надежность работы, высокая степень измельчения; недостатки: сложность конструкции и обслуживания. Эти дробилки применяют, напр., в произ-ве фосфоритов; степень измельчения 3-6.
Валковые дробилки (рис. 1, в), используемые для мелкого дробления, напр., в произ-ве кам.-уг. пека, состоят из одной или двух пар горизонтальных зубчатых валков, к-рые, вращаясь навстречу друг другу, захватывают и раздавливают куски материала; при разной частоте вращения валков происходит также истирание материала. Осн. достоинства: простота конструкции, равномерность измельчения материала; недостатки: малая производительность и непригодность для дробления высокотвердых материалов, неравномерный износ валков; степень измельчения 2-4.
Для дробления всех видов служат роторные, или молотковые, дробилки (рис. 1, г), где материал измельчается ударами вращающихся шарнирно подвешенных молотков
либо жестко закрепленных на роторе бил, а также при ударах кусков материала друг о друга и о пов-сть статора или отбойных плит. Осн. достоинства: компактность конструкции, высокие производительность и степень измельчения (10-120), низкие энергозатраты; недостаток - повыш. абразивный износ. Эти машины используют, напр., для дробления доломитов и известняков.
Помол осуществляют с помощью мельниц со свободными и закрепленными мелющими телами и без них (рис. 2). К машинам со своб. мелющими телами (металлич., керамич. и др. шары, стержни, скатанная кремневая галька и т. п.) относятся: тихоходные вращающиеся барабанные мельницы - шаровые, стержневые, галечные (для грубого, среднего и тонкого помола); быстроходные мельницы - центробежно-шаровые, вибрационные, планетарные, магнитные, бисерные и др. (для тонкого и сверхтонкого помола).
Барабанные шаровые мельницы (рис. 2,а) загружены мелющими телами обычно на 35-40% объема, в межшаровом пространстве находится материал, к-рый измельчается в результате совместного действия шаров и крупных кусков, а также взаимного истирания частиц.
Рис. 2. Основные типы мельниц: а - барабанная шаровая (1 - корпус, 2 - мелющие тела, 3 - футеровочные плиты, 4 - привод); б - барабанная бесшаровая (1 - корпус, 2 - привод, 3 - диафрагма); в - центробежно-шаровая (1,12 - привод, 2 - корпус, 3 - чаша, 4 - отбойная пов-сть статора, 5 - отражательная решетка, 6 - воздушный сепаратор, 7 - воздухопровод, 8 - вентилятор, 9 - шары, 10, 11 - штуцеры для подачи соотв. исходного материала и воздуха); г - вибрационная шаровая(1 - корпус, 2 - дебалансы, 3 - электродвигатель); д - планетарная(1 - привод, 2 - зубчатое колесо, 3 - малая шестерня, 4 - барабан, 5 - водило).
Осн. достоинства: возможность применения в многотоннажных произ-вах, простота конструкции; недостатки: большая металлоемкость, значительный износ мелющих тел, сильный шум, производимый при работе. Эти измельчители используют для помола разл. материалов, напр., в произ-вах барита и фосфоритной муки; степень измельчения 20-100.
Барабанные бесшаровые мельницы, или машины самоизмельчения (рис. 2,б), применяемые, напр., в произ-ве асбеста, при переработке горнохим. сырья и т. п., по принципу действия аналогичны шаровым измельчителям; мелющие тела - крупные куски материала. Осн. достоинство -возможность получения высокочистых измельченных продуктов; недостатки: большие габариты, возможность накапливания фракций средних размеров, к-рые приходится возвращать на доизмельчение; степень измельчения 180-300.
В центробежно-шаровых мельницах (рис.2,в), используемых для помола талька, мела и др., шары из вращающейся чаши отбрасываются центробежными силами к отбойной пов-сти статора, измельчая материал действием стесненного удара, а затем снова падают в чашу. Материал увлекается воздушным потоком, создаваемым вентилятором, при этом в чашу на доизмельчение падают наиб. крупные куски и зерна, отраженные соотв. решеткой и сепаратором. Осн. достоинство - высокая уд. производительность; недостатки: сильный износ рабочих органов, высокий уровень шума; степень измельчения 5-100.
Вибрационные мельницы (рис. 2,г) заполнены шарами на 80-90% объема; под действием вращающихся дебалансов корпус, опирающийся на пружины, совершает частые круговые колебания, и шарам сообщаются импульсы, в результате они движутся по сложным траекториям, интенсивно измельчая и перемешивая материал, находящийся в межшаровом пространстве. Осн. достоинства: возможность получения высокодисперсных продуктов (степень измельчения 20-200), малая продолжительность помола, компактность; недостатки: ограниченная производительность, высокий уровень шума. В этих машинах измельчают, напр., гидрокарбонат Na, сурик, охру, пигменты, кварц, графит.
В планетарных мельницах (рис. 2,д) неск. барабанов смонтировано на общем водиле. На оси каждого барабана насажена малая шестерня, к-рая находится в зацеплении с неподвижным центральным зубчатым колесом. При вращении водила малые шестерни обкатываются вокруг колеса, и барабаны одновременно вращаются вокруг своих осей и центр. вала; в результате мелющие тела приобретают сложное движение при больших ускорениях, что обусловливает весьма интенсивное измельчение материала. Осн. достоинство - высокая эффективность измельчения; недостатки: малая производительность, периодичность процесса, возможность использования, как правило, в малотоннажных произ-вах, сильный разогрев продуктов вследствие значит. выделения теплоты. Эти мельницы применяют, напр., в горнохим. пром-сти (при переработке руд РЗЭ и титановых), а также в качестве быстродействующих лаб. устройств (подготовка проб для экспресс-анализов); степень измельчения 20-300.
Бисерные мельницы (рис. 2,е), широко применяемые в произ-вах красок, эмалей, грунтовок и др., примерно на 2/3 или 3/4 объема заполнены спец. кварцевым бисером (диаметр 1-2 мм) или износостойким песком. Предварительно подготовленная суспензия, напр., из пигмента и связующего, подается насосом (на рис. не показан) в цилиндр. поднимается вверх, проходит через слой бисера (песка), подвергаемый действию вращающегося дискового ротора, интенсивно измельчается, перетирается, фильтруется через сито и выводится из ниж. части мельницы. Осн. достоинство - высокая гомогенность продуктов; недостатки: ограниченные габариты и производительность, необходимость частой замены мелющих тел; степень измельчения 200-300.
К машинам с закрепленными мелющими телами (ролики, катки, вальцы и т. п.) относятся: среднеходовые мельницы - бегуны (для грубого и среднего помола), кольцевые, жернова, краскотерки и др. (для среднего и тонкого помола); быстроходные центробежные мельницы - ножевые, штифтовые, дисмембраторы, дезинтеграторы и т. п. (для грубого, среднего и тонкого помола).
В бегунах (рис. 2,ж), служащих в осн. для измельчения вязких материалов (часто в сочетании с перемешиванием), напр., в горнохим. и коксохим. отраслях пром-сти (угольные шихты и др.), при вращении вала катки, к-рые свободно сидят на
полуосях, катятся ("бегут") по дну чаши, раздавливая и истирая находящийся в ней материал. Под действием центробежных сил его куски перемещаются к наружному борту чаши, откуда возвращаются на катки с помощью спец. скребков. Осн. достоинство - простота конструкции; недостатки: низкая производительность, ограниченная степень измельчения (10-40).
Рис. 2. Основные типы мельниц: е - бисерная (1 - корпус, 2 - цилиндр, 3 - кожух, 4 - вал, 5 - диски, 6 - мелющие тела, 7 - сито, 8 - приемник переработанной суспензии, 9 - дисковый ротор, 10 - электродвигатель, 11 - станина, 12 -кран); ж - бегуны (1 - каток, 2 - полуось катка, 3 - водило, 4 - центральный вал, 5 - чаша, 6 - привод); з - ролико - кольцевая маятниковая (1 -размолыюе кольцо, 2 - ролик или каток, 3 - крестовина, 4 - маятник, 5 - вал, 6 - привод. 7 - скребок); и - жернова (1 - загрузочная воронка, 2 - пружина, 3, 4 - соотв. верхний и нижний каменные круги, 5 - патрубок для выгрузки готового продукта); к - краскотерка (1 - корпус, 2 - валок, 3 - загрузочная воронка, 4 - разгрузочный лоток); л - ножевая (1 - корпус-статор, 2 - ротор, 3, 4 - соотв. вращающийся и неподвижный ножи, 5 - перфорир. решетка); м -дсзинтегратор (1, 2 - роторы с рабочими пальцами, 3 - станина с подшипниками, 4 - привод).
Ролико-кольцевые маятниковые мельницы (рис. 2, з) предназначены для измельчения мягких, хрупких и нелипких материалов (напр., каолина, белых пигментов, ильменита,
цементного клинкера). В них катки или ролики катятся, прижимаясь центробежными силами к внутр. пов-сти размольного кольца и измельчая материал в зазоре между мелющими телами и кольцом. Измельченный материал увлекается воздушным потоком в сепаратор, где разделяется на готовый продукт и грубую фракцию, возвращаемую на доизмельчение. В зону измельчения исходный материал перемещается посредством скребков. Осн. достоинство - возможность изменения степени измельчения в широких пределах (5-100); недостатки: интенсивный износ рабочих органов, сложность конструкции.
В жерновах (рис. 2, и), применяемых гл. обр. в произ-вах красителей, а также бумаги и картона, материал через загрузочную воронку поступает внутрь верхнего (неподвижного) корундового круга-жернова, к-рый своей тяжестью и пружинами прижимается к ниж. вращающемуся кругу. Под воздействием центробежных сил и благодаря направляющим насечкам на рабочих пов-стях кругов материал втягивается в кожух и выгружается через спец. патрубок. Осн. достоинство - высокая степень помола; недостатки: низкая производительность, необходимость частой замены рабочих органов; степень измельчения 5-100.
Краскотерки (рис. 2,к) позволяют диспергировать или перетирать материал (в произ-вах красок, полимерных паст и др.) в регулируемом узком зазоре между параллельно установленными валками, вращающимися навстречу друг другу с разной скоростью. Готовый продукт удаляется через лоток, снабженный скребковым устройством. Осн. достоинство - удобство регулирования степени измельчения (20-300); недостатки: ограниченная производительность, неравномерный износ валков.
В ножевых мельницах (рис. 2,л) материал подвергается рубящему и режущему действию ножей ротора и статора. Измельченный продукт выгружается из мельницы через перфорир. решетку. Осн. достоинство - возможность эффективной переработки эластичных отходов (линолеума, резины) без глубокого охлаждения в отличие от др. мельниц; степень измельчения 10-50.
Дезинтеграторы (рис. 2,м) служат преим. для сухого помола хрупких, мягких материалов с малой абразивной способностью (напр., каолин, мел, литопон). Исходный материал через загрузочную воронку поступает в центр. часть одного из роторов, вращающихся в противоположных направлениях, и попадает между их пальцами. Под действием центробежных сил куски (зерна) материала продвигаются от центра к периферии роторов, многократно ускоряются, ударяясь о пальцы и сталкиваясь. Измельченный продукт отбрасывается из роторов в кожух и ссыпается через спец. патрубок. Осн. достоинства: простота устройства, высокий смешивающий эффект; недостатки: интенсивный износ пальцев, большое пылеобразование, значит. расход энергии; степень измельчения 5-10.
К машинам без мелющих тел относятся: барабанные мельницы самоизмельчения (для грубого, среднего и тонкого помола); воздухо-, паро- и газоструйные (для тонкого и сверхтонкого помола); пневматические (для среднего и тонкого помола); кавитационные (для переработки суспензий); коллоидные, ультразвуковые, электрогидравлические и др. (преим. для тонкого и сверхтонкого помола).
В струйных противоточных мельницах (рис. 2,н) измельчение происходит за счет энергии потока компримированного газа, напр., воздуха, или перегретого пара. Два встречных потока, несущих с большой скоростью исходный материал в виде мелких кусков, пройдя сопла, к-рые установлены в разгонных трубах, соударяются, и частицы измельчаются. Восходящие потоки увлекают материал в зону предварит. сепарации грубых фракций и далее в сепаратор, где отделяется тонкая готовая фракция, улавливаемая сначала в циклоне и окончательно в фильтре. Грубые фракции непрерывно возвращаются из сепаратора в размольную камеру. Осн. достоинство - возможность диспергирования термолабильных материалов [кубовых красителей, (NH4)2SO4 и т. п.]; недостаток - необходимость установки дополнит.
оборудования (компрессора, газогенератора, мощной пылеулавливающей системы). Такие машины предназначены для измельчения кокса, слюды, известняка, пластмасс, инсектицидов и др.; степень измельчения 20-120.
Кавитационные мельницы (рис. 2,о) работают в системе с напорными баками, что обеспечивает многократную циркуляцию и высокую степень диспергирования материала.
Рис. 2. Основные типы мельниц: н - струйная противоточная (1 - сопло, 2 - разгонная труба, 3 - размольная камера, 4 - воздушный сепаратор); о - кавитационная (1 - ротор, 2 - статор).
Действуя как насос, мельница прокачивает диспергируемую суспензию через кольцевой зазор между ротором и статором, причем благодаря наличию на их пов-стях продольных канавок сечение прохода то возрастает, то уменьшается, что вызывает значит. колебания давления и, как следствие, кавитационный эффект. В результате суспензия интенсивно измельчается и по окончании цикла переработки отводится через спец. кран в ниж. части машины. Осн. достоинство - высокая гомогенность получаемых суспензий; недостатки: интенсивный износ рабочих органов, малая производительность. Эти измельчители применяют для приготовления резиновых смесей, в лакокрасочных и др. произ-вах; степень измельчения 5-40.
В т. наз. коллоидных мельницах материал измельчается (до частиц размером неск. мкм и менее), многократно проходя через малый зазор между быстро вращающимся конич. диском (ротором) и неподвижным кольцом (статором) либо через зазор между пальцами ротора и корпусом машины. Из-за высокого износа рабочих пов-стей и малой производительности эти мельницы применяют в осн. в лаб. практике для помола небольших порций материала. В ультразвуковых мельницах помол происходит под действием высокочастотных звуковых колебаний (более 20 тыс. в 1 с). Сравнительно небольшая мощность совр. генераторов ультразвука и высокий уровень шума ограничивают область использования таких мельниц; их применяют преим. для получения высокодисперсных (средний размер частиц - мкм и доли мкм) и однородных суспензий, напр., в произ-вах красителей и лек. ср-в. В электрогидравлич. измельчителях твердое тело подвергается высокоинтенсивному воздействию импульсных давлений, возникающих при высоковольтном разряде в жидкости; эти машины м. б. использованы как для тонкого помола, так и для дробления.
Выбор способа и технол. схемы измельчения, типоразмеров, материалов рабочих органов и режима работы измельчителей зависит от прочности, твердости, упругости, липкости, термостойкости, хим. активности, токсичности, склонности к загоранию и взрыву измельчаемых материалов, а также от гранулометрич. состава, необходимой формы частиц, чистоты, белизны, насыпной массы, текучести и т. д. продукта измельчения.
Процессы измельчения связаны со значит. расходом энергии. Для выражения зависимости между затратами энергии и результатами измельчения, т. е. размерами кусков (зерен) продукта, предложен ряд теорий, гипотез и эмпирич. соотношений, к-рые м. б. использованы, однако, лишь с целью качеств. сопоставления измельчающих машин. Практически для выбора типов и размеров машин, а также расчета их производительности, продолжительности процесса и дисперсности продуктов
экспериментально изучают в равных условиях кинетику измельчения исследуемого и эталонного материалов и определяют т. наз. коэф. измельчаемости, к-рый характеризует сопротивляемость материала измельчению в конкретной машине. Далее выбирают тип измельчителя и с использованием соответствующих таблиц - параметры и режим его работы.
Повышению эффективности измельчения, наряду с совмещением его с классификацией и проведением процесса в неск. стадий, способствует рациональный выбор уд. энергетич. затрат, мех. усилий и частот их воздействия на материал, соотношений твердое: жидкое при мокром помоле и др. Для получения высокодисперсных продуктов из материалов, склонных к агрегированию, их подвергают сначала сухому, а затем мокрому помолу с добавками ПАВ. Последние препятствуют агрегированию мелких частиц и позволяют получать тонкие порошки с модифицированной (гидрофобизированной или гидрофилизированной) пов-стью. Одновременно ПАВ облегчают возникновение и развитие в измельчаемом материале пластич. сдвигов и трещин, что снижает его сопротивляемость измельчению Перспективен также метод т. наз. упругодеформационного измельчения, заключающийся в совместном воздействии на материал т-ры, давления и деформации сдвига. С помощью этого метода на модифицированных экструзионных и вальцевальных машинах получают сверхтонкие порошки из вторичных полимерных материалов, напр., изношенных резин (размер частиц до 60 мкм) или полиэтиленовой пленки (до 10 мкм).
Для поддержания заданных характеристик продуктов измельчения необходимо контролировать и корректировать параметры процесса (влажность, крупность, измельчаемость, др. св-ва исходных материалов, производительность машин). Для этого мощные дробильные и помольные установки оснащают системами автоматич. регулирования. С целью уменьшения износа оборудования при измельчении абразивных материалов ограничивают скорость движения рабочих органов, применяют быстросъемные узлы и детали, подвергаемые легкому изнашиванию, футеруют рабочие пов-сти; в ряде случаев осуществляют совместную обработку абразивного и мягкого компонентов композиции, при к-рой первый способствует измельчению второго, а мягкий полирует твердый, снижая его абразивность. Для уменьшения износа машин при мокром измельчении в жидкость вводят ингибиторы коррозии.
При измельчении пожаро- и взрывоопасных материалов необходимо соблюдать правила техники безопасности. Установки и помещения для измельчения необходимо проектировать и эксплуатировать с учетом ниж. концентрац. пределов и т-р воспламенения, а также способности исходных материалов к электризации и т. п. Должны быть обеспечены прочность и герметичность корпусов измельчителей и коммуникаций, установлены разрывные предохранит. мембраны. Для изготовления мелющих тел и корпусов измельчителей необходимо использовать материалы, исключающие возможность искрообразования при соударениях. Установки для измельчения следует заземлять и оснащать защитой от атм. и статич. электричества, вместо пневматич. транспорта применять механический с изготовлением его деталей (напр., ковшей элеватора) из цветных металлов. Электрооборудование должно быть во взрывобезопасном исполнении, а категория помещений выбрана в соответствии с санитарными нормами и правилами. Пылеулавливающие устройства (циклоны, фильтры) следует монтировать в отдельном помещении; анализ пылесодержания воздушной среды и мокрую очистку трактов, оборудования и помещений от осевшей пыли необходимо проводить строго по графику. Эффективны также замена сухого измельчения на мокрое, измельчение в среде азота, оснащение установок системами автоматич. дистанц. контроля, управления и сигнализации.
===
Исп. литература для статьи «ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ»: Сиденко П. М , Измельчение в химической промышленности, 2 изд., М., 1977; Андреев С. Е., Перов В. А , Зверевич В. В., Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых, 3 изд., М., 1980; Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы, 2 изд., М., 1982.
М. Л. Моргулис.
Страница «ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.