Размольно-дробильные машины

 

Размольные машины подразделяются на дробилки и мельницы. Дробилки предназначены для крупного, среднего и мелкого измельчения. Соответственно, мельницыиспользуются для измельчения твердых материалов с размерами зерен от 5 мм и ниже. Такое разделение в какой-то мере является условным, т. к. отдельные типы дробилок и мельниц используются для проведения смежных видов измельчения.

Особенности конструкций дробильно-размольного оборудования обусловлены видом энергии, используемой для измельчения. Соответственно с этим различают четыре основных типа машин: механические дробилки; механические мельницы (с мелющими телами); взрывные, пневматические, электрогидравлические, электроимпульсные, электротермические размольно-дробиль-ные аппараты; аэродинамические и пневмомеханические мельницы (струйные аппараты без мелющих тел).

В настоящее время в химической промышленности находят применение исключительно механические дробилки и мельницы. Область применения тех или иных типов машин определяется прочностью разламываемого материала, производительностью и гранулометрическим составом измельченного материала. Рассмотрим основные типы размольно-дробильных машин.

Щековые дробилки предназначены для грубого дробления твердых пород с преобладанием измельчения способами разламывания, раскалывания и раздавливания. Чаще всего щековые дробилки используются при крупном и среднем дроблении.

В щековой дробилке материал (рис. 9.3) измельчается между неподвижной 1 и подвижной 2 щеками. Подвижная щека 2 приближается (рабочий ход) или отходит (холостой ход) от неподвижной щеки 1 при вращении эксцентрикового вала 5. Во время рабочего хода происходит дробление, а во время холостого – выгрузка под действием собственного веса дробленого материала. Щеке 2 движение передается шатуном 6, подвижно закрепленным с эксцентриковым валом 5, и двумя шарнирно закрепленными распорными плитами – передней 7 и задней. Тяга 8 и пружина 9 создают в движущейся системе натяжение и способствуют холостому ходу подвижной щеки. Путем взаимного перемещения клина 10 регулируется ширина выпускного отверстия и, следовательно, степень измельчения.

На рис. 9.4 приведена конструкция щековой дробилки простого действия (ЩДП). Пространство между щеками, с торцов закрытое гладкими плитами, называется пастью.

 

 

Рис. 9.3. Схема щековой дробилки с верхним подвесом щеки:

1 – неподвижная щека; 2, 3 – подвижная щека; 4 – шарнир;

5 – эксцентриковый вал; 6 – шатун; 7 – передняя распорная плита;

8 – тяга; 9 – пружина; 10 – регулировочный клин; 11 – маховик

 

 

Рис. 9.4. Щековая дробилка ЩДП:

1, 2 – защитные щеки неподвижной и подвижной плит, соответственно;

3 – маховое колесо; 4 – шатун; 5 – распорные плиты; 6 – клинья; 7 – пружина

 

Поверхность плит может быть гладкой, рифленой или зубчатой (работа на изгиб и раскалывание твердого материала).

При работе дробилки возможно случайное попадание в рабочий объем очень прочного куска твердого постороннего материала. Чтобы избежать поломки дорогостоящих узлов и деталей щековой дробилки, для этих целей преднамеренно предусмотрена поломка какой-нибудь наиболее дешевой и легко сменяемой детали. Чаще всего эту роль выполняет ослабленная правая распорная плита 5. При ее поломке она легко может заменяться новой.

Диапазон размеров измельчаемого материала щековой дробилки достаточно широк: от лабораторных с размером в зеве 150–100 мм до полупромышленных и промышленных с размером в зеве 2000–3000 мм.

Достоинства щековых дробилок: простота, надежность, легкость обслуживания, компактность.

Недостатки: периодичность цикла работы и, как следствие, неравномерность нагрузки на рабочий орган в процессе измельчения, шум, поломки и необходимость замены распорной плиты.

В химической промышленности применяются щековые дробилки с загрузочным отверстием размерами от 160–250 мм до 1500–2100 мм.

К числу основных расчетных параметров, характеризующих работу щековой дробилки, относятся: угол захвата α; между щеками; частоту вращения вала; производительность; расход энергии.

От величины угла захвата (рис. 9.5) зависит степень измельчения, возрастающая с его увеличением. Если угол захвата велик, то куски материала могут выталкиваться из рабочего пространства дробилки.

 

Рис. 9.5. К расчету угла захвата и производительности дробилки

 

На кусок материала, раздавливаемого щеками, действуют дробящее усилие подвижной щеки, равная ей реакция , неподвижной щеки и силы трения и с коэффициентом трения скольжения дробимого материала по металлу щек.

Кусок материала не выталкивается вверх при условии . Так как коэффициент трения скольжения равен тангенсу угла трения (), то , откуда . Если принять 0,3, что соответствует углу трения порядка 16º, то угол захвата составит 32º. Обычно угол захвата принимают в пределах 15–25º.

Производительность щековой дробилки зависит от числа оборотов вала или числа качаний подвижной щеки.

Принимая, что подвижная щека совершает не качательное, а поступательное движение, что за каждый оборот вала из дробилки под действием своего веса выпадает материал в объеме призмы (заштрихованной на рисунке), можно определить наиболее рациональное число оборотов вала. Высота призмы может быть выражена через ход щеки и угол захвата следующим образом:

.

При частоте вращения вала время разгрузки материала составит:

.

Путь свободного падения материала за время равен высоте трапеции:

или

.

Откуда определяется максимально допустимая частота вращения вала в минуту:

.

На практике число оборотов рассчитывают по формуле

.

Теоретическая производительность дробилки рассчитывается из условия, что объем раздробленного материала, выпавшего за один ход щеки равен объему призмы:

,

где – длина загрузочного отверстия; – площадь трапеции, ; – минимальная ширина выпускной щеки дробилки.

Производительность дробилки составит

,

где – коэффициент разрыхления материала на выходе из дробилки, принимается равным 0,3–0,65.

В связи с тем, что уравнение получено только исходя из геометрических представлений, оно не учитывает влияния на производительность физических свойств дробимого материала.

Потребляемая мощность щековой дробилки для вычисления мощности электродвигателя определяется по эмпирической формуле

,

где А,В – длина и ширина загрузочного отверстия; с – коэффициент для дробилок небольших размеров с = 160, для дробилок с размерами загрузочного отверстия 900 1200 мм и более с = 80.

Конусные дробилки предназначены для дробления твердых материалов
той же категории, что и щековые. Рабочим органом конусных дробилок является дробящая головка 4, вращающаяся эксцентрично внутри неподвижного конуса 3 (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Схема конусной дробилки с подвешенным валом

и крутым конусом: 1 – стакан-эксцентрик; 2 – броневые плиты; 3 – корпус;

4 – дробящая головка; 5 – вал; 6 – опора

 

Когда дробящая головка приближается к одной стороне корпуса, измельченный материал выпадает с противоположной стороны через расширяющуюся в это время часть кольцевой щели между корпусом и головкой.

Известны конусные дробилки двух основных типов: с подвешенным валом и головкой в виде крутого конуса – для крупного и среднего измельчения; с консольным валом и головкой в виде пологого конуса (грибовидные дробилки) – для среднего и мелкого измельчения.

В дробилке с подвешенным валом и крутым конусом (рис. 9.6) находится дробящая головка 4 в виде крутого конуса, закрепленная на валу 5. Вал подвешен на шаровой опоре 6, жестко скрепленной с корпусом 3. Поднимая или опуская вал с помощью гайки, можно регулировать ширину выпускной щели дробилки. Нижний конец вала свободно входит в стакан-эксцентрик 1, приводимый во вращение посредством конической зубчатой передачи.

При холостом ходе вал с дробящей головкой не вращается вокруг оси, а совершает круговое вращение вокруг оси эксцентрика, описывая коническую поверхность с углом при вершине 8–12°. При измельчении вследствие трения о материал вал и головка вращаются в направлении, противоположном вращению эксцентрика, с меньшей скоростью. При этом происходит непрерывное обкатывание дробящей головкой материала, который заполняет пространство между головкой 4 и броневыми плитами 2, покрывающими внутреннюю поверхность корпуса 3.

В дробилках с крутым конусом достигается степень измельчения 5–6. Промышленные дробилки для крупного дробления имеют размер загрузочной щели до 2200 мм.

Дробилки с консольным валом и головкой в виде пологого конуса (рис. 9.7) отличаются от конусной дробилки, описанной выше, формой головки и кор-пуса.

 

Рис. 9.7. Схема грибовидной дробилки:

1 – тарелка; 2 – корпус; 3 – дробящая головка; 4 – пружина; 5 – станина;

6 – шаровой подпятник

 

Корпус 2 представляет собой конус, расширяющийся в ту же сторону, что и пологий конус дробящей головки 3, причем их стенки на определенной длине параллельны и образуют узкую щель (зону параллельности). Корпус 2 связан со станиной 5 рядом пружин 4, расположенных по его периметру.

Основной вал дробилки установлен консольно и опирается на шаровой подпятник 6. На верхнем конце вала установлена тарелка 1, с которой куски материала равномерно сбрасываются в дробилку при качаниях вала. Степень измельчения регулируется подъемом или опусканием корпуса.

В грибовидных дробилках достигается большая производительность и высокая степень измельчения ( 10–30) вследствие большого периметра и малой ширины разгрузочной щели. Благодаря укорочению вала значительно повышается жесткость и надежность конструкции дробилки.

Для более мелкого измельчения применяют короткоконусные дробилки с большей зоной параллельности и большим углом наклона конуса. Конусные дробилки по сравнению со щековыми отличаются высокой производительностью (вследствие непрерывного воздействия дробящего усилия на материал), уравновешенной работой (нет необходимости в установке маховика), высокой степенью измельчения (для пологоконусных дробилок).

Недостатками конусных дробилок (в сопоставлении со щековыми) являются более сложные конструкция и обслуживание.

Угол захвата и число оборотов. Угол захвата в данном случае равен сумме углов обоих конусов (рис. 9.8), т. е.

.

По аналогии со щековой дробилкой:

, (9.9)

где – угол трения дробимого материала о дробящие поверхности.

 

 

Рис. 9.8. К расчету конусной дробилки с крутым конусом:

1 – корпус; 2 – дробящая головка

 

Величина хода дробящего (подвижного) конуса у разгрузочного отверстия равна двум эксцентриситетам качаний конуса в том же сечении: . Путь свободного падения раздробленного материала в крутоконусной дробилке, разгружаемого под действием силы тяжести, по той же аналогии выразится формулой

.

Согласно которой наивыгоднейшее число оборотов эксцентрика, или число качаний дробящего конуса составит (в )

 

. (9.10)

 

В формуле и подставляются в метрах.

Производительность. Для крутоконусной дробилкипроизводительность ориентировочно можно определить по формуле

, м/ч (9.11)

где – коэффициент разрыхления раздробленного материала (0,3–0,5);
– число оборотов эксцентрика, 1/мин; – наружный диаметр разгрузочной щели, м; – эксцентриситет, м; – средний размер кусков дробленого материала, м; , – углы наклона подвижного и неподвижного конусов, град.

Для нормальной работы грибовидных дробилок минимальное число оборотов эксцентрика должно соответствовать условию:

, (9.12)

где – диаметр дробящего конуса, м.

Формула (9.12) получена для угла наклона образующей дробящей головки 41°, коэффициента трения 0,3 и длины зоны параллельности
9 (рис. 9.9).

Теоретическую производительность грибовидной дробилки можно определить по формуле:

, т/ч

 

 

Рис. 9.9. К расчету грибовидной дробилки

 

Валковые дробилки разделяются на дробилки с гладкими и зубчатыми валками. Первые работают по принципу раздавливания при затягивании материала в щель между валками, вращающимися навстречу. Наиболее употребительны двухвалко­вые дробилки, один валок которых установлен в неподвижных подшипниках, а дру­гой - в подвижных (рис. 9.10).

 

Рис. 9.10. Валковая дробилка: 1,2 – валки, 3 – пружина

 

Валки обычно изготавливаются из чугуна и футеруются по внешней поверхности бандажами из углеродистой или износостойкой марганцовистой стали. Их окружная скорость составляет 2–4 м/с (не более 7 м/с). Обычно приводной механизм валковой дробилки состоит из двух ременных передач – на шкив каждого валка от отдельного двигателя.

В промышленности используются валковые дробилки, отличающиеся по числу валков (одно-, двух- и четырехвалковые), форме и скорости вращения валков, роду привода. Для дробления солей и других материалов средней твердости применяют зубчатые валки, измельчающие материал в основном раскалыванием; для усиления истирающего действия при дроблении вязких, например глинистых, материалов используют дифференциальные валки с большой (до 20 %) разностью скоростей вращения и т. д. В некоторых тихоходных дробилках (окружная скорость 2–3 м/с) вращение с помощью ременной передачи сообщается ведущему валку и передается ведомому через зубчатую передачу.

Валковые дробилки компактны и надежны в работе; вследствие однократного сжатия материал не измельчается повторно и содержит мало мелочи. Эти дробилки наиболее эффективны для измельчения материалов умеренной твердости (степень измельчения =10–15); для твердых материалов 3–4.

Угол захвата. Наибольший размер кусков измельчаемого в валковой дробилке материала зависит от диаметра валков и зазора между ними. Угол захвата, образованный касательными к поверхности валков в точках соприкосновения с куском дробимого материала, не должен превышать 30º. Соответственно диаметр гладких валков должен быть приблизительно в 20 раз больше диаметра максимального куска дробимого материала. Зубчатые же валки могут захватывать куски материала размером 1/2 и даже 2/3 диаметра валков.

Производительность. Объем продукта, выходящего из дробилки за один оборот валков, соответствует объему параллелепипеда с основанием, равным площади щели, и высотой, равной длине окружности валка:

,

где – диаметр и длина валка; – ширина зазора между валками.

При оборотах валков в минуту производительность дробилки составит:

,

где – коэффициент разрыхления материала, выходящего из дробилки
(0,3–0,3).

Дробилки ударного действия. К дробилкам ударного действия относятся молотковые, роторные дробилки, дезинтеграторы и дисмембраторы, которые применяются в основном для среднего и мелкого дробления. Дробилки с шарнирно подвешенными на вращающемся роторе размольными органами – молотками, или билами – называются молотковыми, а с жестко закрепленными молотками – роторными.

Молотковые дробилки могут быть раз­делены на две группы: одно- и двухроторные. Последние изготав­ливаются в двух вариантах: с последовательным и параллельным дроблением.

Наиболее распространены однороторные молотковые дро­билки, среди которых различают односторонние (нереверсивные) и реверсивные, а также с колосниковыми решетками и без них.

Ротор молотковой дробилки состоит из вала, насажанных на него дисков, разделяемых шайбами, и шарнирно укрепленных на дисках молотков. Съемные колос­никовые решетки снабжаются приспособлениями для регулиро­вания зазора между ними и молотками.

Молотковая дробилка (рис. 9.11) состоит из корпуса 1, футерованного стальными плитами 3, на вращающемся горизонтальном валу 2 насажены диски 4, между которыми шарнирно подвешены молотки 5, материал дробится под действием ударов быстровращающихся (с окружной скоростью 30 м/с) молотков. Дробление происходит также при ударах кусков материала, отбрасываемых молотками, о плиты 3. Наконец, материал дополнительно измельчается путем удара, раздавливания и некоторого истирания на колосниковой решетке 6, через которую измельченный материал разгружается, падая вниз. Степень измельчения 10-15. Молотки, плиты и решетка изготавливаются из углеродистой стали (с твердосплавными наплавками) или из марганцовистой стали.

Кроме однороторных молотковых дробилок применяются двухроторные
(с двумя валами), для которых степень измельчения достигает 30–40. Выпускаются также дробилки с жестко закрепленными молотками, а также с несколькими параллельными рядами молотков (многорядные дробилки).

Молотковые дробилки используются и для крупного дробления. Они отличаются высокой производительностью (на единицу веса машины), пониженным расходом энергии на дробление и высокой степенью измельчения по сравнению со щековыми и конусными дробилками. Недостатками молотковых дробилок являются значительный износ молотков и плит, сложность монтажа (балансировки ротора).

Молотковые дробилки широко применяются для дробления хрупких, волокнистых и других материалов, а также материалов умеренной твердости и малой абразивности (уголь, гипс, известняк и др.), при измельчении глинистых и вязких материалов в молотковых дробилках отсутствует колосниковая решетка, что способствует некоторому недоизмельчению материала.

 

Рис. 9.11. Молотковая дробилка: 1 – корпус; 2 – вал; 3 – плиты; 4 – диск;

5 – молоток; 6 – колосниковая решетка

 

Производительность. Для молотковой однороторной дробилки производительность приближенно определяется по уравнению:

, т/ч

где – диаметр и длина ротора; – число оборотов ротора, 1/мин; – эмпирический коэффициент, равный 4–6,2.

Потребляемая мощность. Для этих дробилок мощность может быть ориентировочно рассчитана по эмпирическому уравнению:

, кВт.

Роторные дробилки, как и молотковые, бывают одно- и двухроторными, с колосниковыми решетками и без них, с нереверсивными и реверсивными роторами. Их выпускают для крупного и среднего дробления. Окружная скорость ротора составляет и =20–40 м/с. Производительность дробилки:

,

где , – диаметр и длина ротора, соответственно.

Максимальный раз­мер куска в питании (0,5–0,6) D – для дробилок крупного дробления, (0,25...0,3) D – для дроби­лок среднего дробления. Степень измельчения в однороторных 10–15, в двухроторных до 30–40.

Дезинтеграторы и дисмембраторы. На рис. 9.12 изображен дезинтегратор, представляющий собой дробилку ударного действия, рабочим органом которой являются два вращающихся в разные стороны ротора.

 

 

Рис. 9.12. Дезинтегратор: 1, 2 – кольцевые диски; 3,7 – валы роторов;

4,6 – шкивы; 5 – выгрузное окно; 8 – загрузочная воронка; 9 – пальцы

 

Каждый ротор состоит из дисков 1, соединенных с кольцевыми дисками 2 стальными цилиндрическими пальцами 9, и закреплен с помощью ступиц на отдельных валах 3, 7. Валы роторов приводятся во вращение от индивидуальных электродвигателей через шкивы 4 и 6. Пальцы на дисках роторов размещены по концентрическим окружностям так, что каждый ряд пальцев одного ротора входит между двумя рядами другого. Окружная скорость пальцев, расположенных по внешней окружности, составляет 22–37 м/с.

Дробимый материал подается через загрузочную воронку 8 к центру ротора. Пальцы, расположенные по внутренней окружности, дробят материал и отбрасывают его куски к следующему концентрическому ряду, вращающемуся в противоположном направлении. Таким путем материал последовательно и многократно дробится пальцами ротора. Расстояние между пальцами последнего (наружного) ряда определяет максимальный размер кусков раздробленного продукта. Одновременно с дроблением в дезинтеграторе происходит хорошее перемешивание компонентов дробимого материала. Выгрузка измельченного материала производится через выгрузное окно 5.

Степень измельчения в дезинтеграторе обычно не превышает 10 и регулируется скоростью вращения роторов. С увеличением степени дробления, иногда до = 40, снижается производительность дезинтегратора.

В отличие от дезинтеграторов дисмембраторы имеют один ротор. Внутренняя стенка корпуса является статором и выполняет роль второго (неподвижного) диска. Пальцам дисмембратора, установленным на статоре и роторе, часто придают форму ножей для измельчения материала срезом и разрывом. Число оборотов ротора дисмембратора примерно вдвое превышает число оборотов дисков дезинтегратора.

Отражательные дробилки. Материал поступает на ротор, вращающийся с окружной скоростью в зависимости от требуемой степени измельчения
12–70 м/с. Лопатками ротора куски материала отбрасываются на шарнирно подвешенные отражательные щитки. Измельчение осуществляется ударами лопаток и при ударах кусков о щитки. Кроме того, отраженные от щитков куски на большой скорости сталкиваются с кусками материала, отброшенными ротором, при этом происходит дополнительное самоизмельчение материала. Поэтому отражательные дробилки близки по принципу действия к мельницам без мелющих тел (см. ниже) и могут использоваться для тонкого измельчения.

Вследствие различия действующих на куски материала центробежных инерционных сил, возникающих при вращении ротора, куски большого размера дробятся уже в пространстве перед первым щитком. Доизмельчение мелочи происходит в объемах, ограниченных последующими по ходу материала отражательными щитками.

В отражательных дробилках, благодаря многостадийному измельчению в пространствах между щитками и ротором, получается однородный продукт, а достигаемая степень измельчения =40–50.

Все описанные ударно-центробежные измельчители имеют достаточно большую производительность, позволяют получать высокую степень измельчения и используются в широком диапазоне степеней измельчения. Повышенный износ дробящих тел, значительное пылеобразование, необходимость точной балансировки роторов являются недостатками этих машин.

Бегуны имеют два или (реже) три цилиндрических жернова (катка) 4
(рис. 9.13) и чашу 2, в которую загружается измельчаемый материал. Жернова совершают сложное движение. Они вращаются вокруг вертикальной оси вместе с вертикальным валом 1 и одновременно вокруг горизонтальных осей 3.

 

 

 

Рис. 9.13. Бегуны: 1 – вертикальный вал; 2 – чаша; 3 – горизонтальная ось; 4 – жернов; 5 – кривошип

 

Вал 1 приводится во вращение от электродвигателя через коническую зубчатую передачу. Вращение жерновов вокруг горизонтальных осей происходит из-за трения между цилиндрической поверхностью жерновов и материалом, помещенным в чаше. Измельчение материала осуществляется раздавливанием и истиранием при набегании на него жерновов. Истирание происходит при скольжении цилиндрической поверхности жернова по поверхности материала. Все точки цилиндрической поверхности жернова в относительном движении вокруг своей оси имеют одинаковую окружную скорость, а в относительном движении вокруг вертикальной оси различную – пропорциональную радиусу вращения.
В средних (по ширине) точках цилиндрической поверхности жернова проскальзывания нет, а в остальных точках наблюдается проскальзывание, скорость которого равна разности окружных скоростей двух отмеченных относительных движений. Максимальная скорость проскальзывания возникает у краев цилиндрической поверхности жернова. При набегании на большие куски очень прочного материала жернова могут приподниматься при помощи кривошипов 5, отчего предотвращается поломка машин.

Чаще всего бегуны применяют для одновременного измельчения и смешения материалов, как сухим, так и мокрым способом.

Барабанные мельницы относятся к машинам ударно-истирающего действия и по способу возбуждения движения ме­лющих тел делятся на мельницы с вращающимся барабаном, виб­рационные и центробежные. Этот наиболее многочисленный и широко применяемый класс машин используется для грубого, среднего, тонкого и сверхтонкого измельчения химического сырья, руд, известняка, клинкера, пигментов, солей, шлаков и других материалов. Пластичные материалы типа резины, кожи, ткани в таких мельницах измельчаются плохо.

Шаровой диафрагменный измельчитель представляет собой барабан, частично заполненный измельчающими телами – металлическими или кварцевыми шарами. При вращении барабана шары увлекаются трением о его стенки на некоторую высоту, а затем свободно падают, измельчая материал ударами и истиранием.

Шаровой диафрагмовый измельчитель имеет короткий цилиндрический барабан 3 (рис. 9.14), вращающийся на полых цапфах 9 с литыми торцевыми крышками 1 и 7. Возле одной из крышек барабан по всему поперечному сечению перекрыт решеткой-диафрагмой 6, задерживающей шары и крупные куски материала. Через щели диафрагмы проходит измельченный материал, который подхватывается радиальными ребрами 8, а затем ссыпается на направляющий конус 10 и удаляется из мельницы через полую цапфу. Такие измельчители обычно работают по замкнутому циклу.

 

Рис. 9.14. Схема шарового диафрагменного измельчителя:

1,7 – крышки; 2 – броневые плиты; 3 – корпус барабана; 4 – люк;

5 – приводная шестерня; 6 – решетка-диафрагма; 8 – радиальные ребра;

9 – полые цапфы; 10 – направляющий конус