Измельчение твердых материалов

 

Под измельчением твердых материалов понимается направленный процесс деления твердых тел на части, при котором за счет приложения внешних сил преодолеваются силы молекулярного притяжения в измельчаемом твердом теле и образуются новые поверхности.

Увеличение поверхности контакта измельчаемого твердого материала необходимо для осуществления ряда химических, физических и физико-химических процессов, в которых поверхность межфазового контакта определяет интенсивность процесса в целом (каталитические и некаталитические гетерогенные процессы). Кроме этого измельчение необходимо для применения твердых материалов в последующих технологических процессах, в которых твердые материалы могут использоваться только в тонкоизмельченном состоянии (например, приготовления композиций), выделения целевых компонентов, содержащихся в смеси твердых пород (углеобогащение, полимерные технологии).

Основными способами измельчения являются: удар, раздавливание, истирание, резание, разламывание (рис. 9.1). В каждой измельчающей машине реализуются, как правило, все способы измельчения, но главную роль играет тот, для которого она создана.

 

 

Рис. 9.1. Способы измельчения материалов:

а) раздавливание; б) раскалывание; в) удар; г) истирание

 

Выбор того или иного метода измельчения зависит от крупности и прочности измельчаемых материалов. В зависимости от механической прочности (предела прочности при сжатии ) все материалы делят на три группы:
материалы с низкой механической прочностью <10 МПа (каменный уголь, торф, комкующиеся соли); материалы со средней механической прочностью >10–50 МПа (сланцы, известняки, песчаники); материалы с высокой механической прочностью > 50 МПа (мрамор, гранит, кварц, фосфориты).

В зависимости от физико-механических свойств материалов обычно выбирают следующие методы измельчения:

 

Материал Методы измельчения

Прочный и хрупкий Раздавливание, удар

Прочный и вязкий Раздавливание

Хрупкий, средней прочности Удар, раскалывание, истирание

Вязкий, средней прочности Истирание, удар, раскалывание

 

На выбор метода измельчения большое влияние оказывает склонность материала к комкованию, его влажность и другие свойства.

На существующих в настоящее время машинах проводят процессы измельчения твердых тел – от глыб материала объемом 2 м³ до коллоидного измельчения, позволяющего получать продукт с частицами размером до 0,1 мкм.

Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения – отношением среднего размера куска материала до измельчения к среднему размеру куска после измельчения:

.

Характерным линейным размером куска шарообразной формы является диаметр, куска кубической формы – длина ребра. Характерный линейный размер кусков неправильной геометрической формы может быть найден как средняя геометрическая величина всех трех размеров: длины, ширины, высоты:

 

.

 

Для расчета среднего характерного размера кусков материал разделяют с помощью набора сит на несколько фракций. В каждой фракции находят средний характерный размер как полусумму характерных размеров максимального и минимального кусков:

 

.

 

Практически размер максимальных кусков материала определяется размером отверстий сита, через которое проходит весь материал данной фракции, а размер минимальных кусков – размером отверстий сита, на котором данная фракция материала остается.

Средний характерный размер куска в смеси вычисляется при известных средних размерах кусков и массовой доли каждой фракции по уравнению

.

Найденные таким образом средние характерные размеры кусков исходного и измельченного материала используются для расчета степени измельчения по вышеприведенной формуле. Однако следует отметить, что способы дробления крупнокусковых материалов и размеры дробильного оборудования зависят от размеров самых крупных кусков исходного и дробленого материала. Поэтому степень дробления часто определяется отношением характерного размера наиболее крупных кусков до измельчения к характерному их размеру после измельчения.

В промышленности в большинстве случаев требуются высокие степени измельчения. Часто размеры кусков исходного материала достигают 1500 мм, тогда как в технологических процессах иногда используется материал, размеры частиц которого составляют доли микрона. Такие степени измельчения достигаются в несколько стадий, поскольку за один прием (на одной машине) не удается получить продукт заданной конечной крупности.

Оптимальные условия работы измельчающих машин в зависимости от их конструкции обеспечиваются при определенной степени измельчения, которая для машин крупного измельчения составляет 3–6, а для машин мелкого и тонкого измельчения 100 и более.

В зависимости от крупности исходного и измельченного материала различают дробление и измельчение. Под дроблением понимается процесс уменьшения крупности, в результате которого максимальный размер куска в измельченном материале равен или больше 5 мм. Соответственно, под измельчением понимается процесс уменьшения крупности, в результате которого максимальный размер зерна в измельченном целевом продукте менее 5 мм.

В свою очередь, процесс дробления можно подразделить на три стадии: крупное, среднее и мелкое, а процесс измельчения – на четыре: крупное, среднее, тонкое и сверхтонкое (табл. 9.1).

 

Таблица 9.1

 

Стадии дробления и измельчения

Стадии	Размер кусков до измельчения, мм	Размер кусков после измельчения, мм
Дробление: крупное среднее мелкое Измельчение: крупное среднее тонкое сверхтонкое	>500 100-500 50-100   20-100 5-50 1.0-10 0,1-1,0	100-400 20-100 4-20   1,0-4,0 0,1-1,0 0,01-0,1 <0,01

 

 

В измельчающих машинах получают смесь кусков твердого материала разных размеров, даже при достаточно однородном по крупности исходном материале. Для получения высоких степеней измельчения процесс проводят в несколько стадий на последовательно включенных машинах. Схема дробления определяется физико-механическими свойствами материала, производительностью технологической линии и конечной крупностью дробленого продукта.

Основной принцип работы измельчающих машин – измельчать твердый материал только до требуемых размеров, не затрачивая энергию на излишнее измельчение. Исходя из этого принципа, формулируется большинство требований к измельчающим машинам: получение измельченного твердого материала заданного гранулометрического состава; возможность регулирования степени измельчения; минимум пылеобразования; быстрое удаление из рабочей зоны зерен, достигнувших заданного размера, т. е. недопустимость их последующего измельчения.

И еще одно очевидное требование, относящееся к большинству технологических машин и аппаратов, – минимальные затраты энергии при заданной производительности или максимальная производительность при заданных затратах энергии.

С учетом перечисленных требований разработаны типовые схемы установок, предназначенных для измельчения твердого материала до заданного размера зерен, частиц, кусков, которые представлены на рис. 9.2.

При измельчении в открытых циклах (рис. 9.2 а) материал проходит через измельчающую машину один раз. При наличии мелких кусков в исходном материале его предварительно классифицируют и в дробилку подают более крупные куски. В замкнутых циклах (рис. 9.2 б) материал неоднократно проходит через измельчитель.

 

Рис. 9.2. Схемы циклов измельчения:

а) открытые; б) замкнутые

Измельченный продукт поступает в классификатор, где из него выделяются куски, больше допустимого размера, которые возвращаются в ту же дробилку. Зачастую такую поверочную классификацию совмещают с предварительной классификацией исходного продукта.

Работа по замкнутому циклу широко применяется при тонком измельчении. При этом благодаря предварительной и поверочной классификации в измельчитель практически не поступает «ничего лишнего». При осуществлении многостадийного размола измельчающая машина последней стадии обычно работает в замкнутом цикле.

Типовая схема для умеренных степеней измельчения твердого материала такова. В установку непрерывного действия подается исходный материал в количестве , который не может быть весь измельчен за один проход до заданного размера . Измельчается лишь только некоторая его доля .

Полученная в измельчающей машине смесь кусков разных размеров направляется на сортировку в классификатор, где целевой продукт , содержащий измельченные зерна, отделяется от потока с более крупными зернами. Поток – рецикл – возвращается на вход установки, где присоединяется к исходному потоку (рис. 9.2б). При этом полная производительность измельчающей машины составляет

.

Взаимосвязь потоков твердого материала определяется из материального баланса классификатора. При доле целевого продукта от общей производительности измельчающей установки доля рецикла составляет . Тогда два равноценных балансовых соотношения имеют вид

 

и .

 

Используя любое из этих соотношений, можно установить соответствующие связи:

 

и .

 

В связи с тем, что в одной измельчающей машине, как правило, невозможно получить целевой продукт требуемого размера, используются более сложные технологические схемы для высоких степеней измельчения. Эти схемы включают в себя несколько последовательно расположенных измельчающих машин со своими рециклами неизмельченного материала.