Производство абразивных материалов. Измельчительные аппараты. Их характеристики.

В зависимости от конструкции измельчителей оптимальная степень дисперсности исходного и конечного продуктов помола различны. Ориентировочно зоны дисперсности измельчения делят на крупную, среднюю, мелкую, тонкую и сверхтонкую.

Ниже приведены основные характеристики помольных агрегатов, которые разделены на группы по принципу механического действия на измельчаемый материал.

I. Измельчители с самоустанавливающимися или жесткозакрепленными непосредственно соприкасающимися мелющими телами применяются главным образом для дробления, т. е. весьма грубого измельчения. Измельчение производится раздавливанием и истиранием с малыми скоростями движений мелющих тел. Такие измельчители применяются для измельчения и перемешивания вязких смесей с твердыми компонентами. Крупность продукта измельчения колеблется от 0,2 до 5 мм. Производительность меняется в зависимости от сухого (0,3-10 т/ч) или мокрого (до 30 т/ч) измельчения. Удельный расход энергии — от 1 до 5 кВт ч/т. К этому классу относятся измельчители грубого помола: бегуны, щековые, конические и валковые дробилки с регулируемым зазором между измельчающими поверхностями.

2. Измельчители с незакрепленными мелющими телами, перемещающимися в помольной камере под действием сил тяжести или центробежных сил применяются для среднего и тонкого измельчения. Чем выше скорость движения мелющих тел, тем меньше размер измельченных частиц и тем выше удельный расход энергии. К этому типу измельчителей относятся шаровые, стержневые, трубные, триконические и гравитационные мельницы. Оптимальный размер продуктов измельчения 0,05-0,5 мм. Производительность 0,1-10 т/ч. Удельный расход энергии 3-7 кВт ч/т.

3. Измельчители с жестко или шарнирно закрепленными мелющими телами, между которыми может быть регулируемый зазор, характеризуются высокими скоростями движения мелющих тел. Измельчение производится ударом или раздавливанием. В зависимости от конструкции они могут применяться для грубого и тонкого измельчения на очень твердых материалах. К таким типам измельчителей относятся: среднеходовые шаровые и роликовые мельницы, отражательные дробилки, а также вращающиеся отражательные мельницы, молотковые дробилки и дезинтеграторы.

4. Вибрационные измельчители, применяемые только для тонкого и сверхтонкого измельчения очень твердых материалов. Измельчение происходит в основном при усталостном разрушении измельчаемого материала. Оптимальный размер продуктов измельчения 0,5-60 мкм. Удельный расход энергии 10- 70 кВт ч/т. Производительность 10-5— 10-2 т/ч.

5. Измельчители с одним неподвижным мелющим телом -пневматические отражательные мельницы, мельницы взрывного действия — применяются для тонкого измельчения мягких материалов. Измельчение производится путем удара частиц, движущихся с большой скоростью (200-250 м/с), о жёсткое препятствие.

6. Измельчители мокрого помола без мелющих тел, применяемые для сверхтонкого измельчения. Измельчение происходит при виброкавитационном воздействии на частицы, находящиеся в жидкости. К таким измельчителям относятся виброколлоидные мельницы, в которых при помощи вращающихся дисков, валков, зубчатых колес и других механических приспособлений, движущихся в жидкости, возбуждаются виброкавитационные гидравлические удары. Эти высокочастотные колебания (1 — 103 Гц) давлений приводят к разрушению измельчаемых материалов. Такие измельчители отличаются низкой производительностью и небольшой энергонапряженностью. В настоящее время созданы экспериментальные измельчители, в которых высокочастотные колебания давления вызываются электрическим разрядом в жидкости, вследствие чего производительность установок резко возросла. Наиболее эффективно их применение при помоле крупных брикетов, например, после их синтеза до размеров частиц 0,1-5 мм.

7. Измельчители сухого помола без мелющих тел, применяемые для сверхтонкого измельчения, т. е. когда продукты измельчения имеют размеры не более 60мкм, как правило, менее 5 мкм. В производстве абразивов они могут использоваться для измельчения отдельных неокисляющихся компонентов, например оксидов. Измельчение происходит в процессе ударного разрушения измельчаемых частиц друг о друга. К этому типу измельчителей относятся струйные мельницы, в которых через тангенциально расположенные сопла вводится измельчаемый материал вместе с газом или воздухом под давлением 0,6- 1,0 МПа.

8. Измельчители, работающие по принципу распыления измельчаемого материала в жидком состоянии. Для этой цели используются пламя горелок и форсунок, плазменные и электродуговые горелки. В процессе измельчения материал расплавляется и разбрызгивается либо центробежной силой, либо давлением горячей газовой струи, скорость которой часто превышает звуковую, либо испаряется и конденсируется на холодной поверхности.

9. Электроэрозионные измельчители, принцип действия которых основан на использовании теплового воздействия искрового разряда, испаряющего на микроучастках материал, осаждающийся на дно сосуда. Измельчение производится в непроводящих ток жидкостях.

10. Ультразвуковые измельчители и смесители применяются в основном для измельчения и перемешивания сравнительно небольших количеств материалов в лабораторных условиях. Измельчение и перемешивание производятся при генерировании в жидкости импульсных ультразвуковых вибраций.

В производстве абразивов одновременно используются два-три типа из-мельчителей, например: для грубого измельчения (дробления) — валковые или щековые дробилки с регулируемым зазором, для тонкого — шаровая (или стержневая) барабанная мельница и для сверхтонкого — вибрационная мельница.

При изготовлении абразивов приходится иметь дело с весьма твердыми материалами часто повышенной чистоты, поэтому рабочие поверхности валков или щековых дробилок футеруют твердыми сплавами типа ВК или ТК, а вибрационных и шаровых мельниц — резиной. Измельчающие тела изготовляют из твердого сплава, который помимо высокой твердости обладает большой плотностью и, следовательно, большей измельчающей способностью, поскольку при увеличении энергии каждого удара значение Sm в уравнении (4.6) увеличивается и, соответственно, увеличивается S при данном х. Производственные испытания показали, что сверхтонкий размол вольфрама, карбида вольфрама, оксидов алюминия и циркония протекает значительно интенсивнее в вибромельнице, чем в шаровой. Так, например, в шаровой мельнице в одном из частных случаев удельная поверхность вольфрама после 3 ч помола увеличилась с 0,1 до 0,12 м²/г, а в вибрационной за это же время — с 0,1 до 0,42 м2/г, т. е. более чем в три раза. В то же время для тонкого измельчения шаровые мельницы экономически оказываются более эффективными. Это можно проиллюстрировать сравнением зависимости стоимости помола одного и того же материала от степени дисперсности продукта измельчения. На рис. 3 показано, что в случае использования как шаровой, так и вибрационной мельниц стоимость единицы массы продукта повышается с увеличением его дисперсности, однако до степени дисперсности S' эффективней применять шаровую мельницу. Для сверхтонкого помола, имеющего наиболее
важное значение при получении однородных смесей и интенсификации процессов спекания, наиболее перспективны вибрационные мельницы, поэтому целесообразно установить оптимальные условия их использования.

Эффектность применения вибрационных мельниц определяется соответствием между диаметрами барабана и мелющих тел, амплитудой колебаний и крупностью исходного материала. Практика показала, что увеличение степени дисперсности продуктов измельчения в вибрационных мельницах снижается при увеличении размеров частиц исходного материала. Поэтому в этом случае размер частиц исходного материала не должен превышать 0,1—1 мм. Прирост удельной поверхности измельчаемых материалов линейно увеличивается с увеличением частоты колебаний (до 1300—1400 колебаний в минуту) и логарифма амплитуды колебаний S= аn + b, м2/г, где а и b — постоянные коэффициенты, n — частота колебаний, или S = С*lgВ + d, м²/г, где С и d— также
постоянные коэффициенты, В— амплитуда колебаний. Следовательно, при больших частотах и меньших амплитудах интенсивность измельчения выше, чем при больших амплитудах и малых частотах. Это связано с тем, что измельчение в вибромельницах происходит за счет усталостного разрушения измельчаемого материала. Чем меньше промежуток времени между воздействием измельчающих тел на материал, тем меньше возможность релаксации напряжений в нем. Таким образом, частота колебаний имеет первостепенное значение для получения сверхтонких порошков.

Что увеличение амплитуды колебаний A выше 1-2 мм мало оказывается на приросте удельной поверхности, в то время как увеличение частоты колебаний приводит к существенному ее увеличению. Путем систематических исследований М.А. Моргулис показал, что наиболее подходящей формой мелющих тел является шаровая мельница. Применяются шары диаметром 8-20 мм, набор которых загружается в вибромельницу до 0,3-0,4 м³ объема; 0,4—0,5 объема мельницы занимает материал с дисперсионной средой, так что общий объем загрузки вибромельницы составляет 0,75-0,8. Отношение масс шаров, материала и дисперсионной среды составляет (5 - 7): 1:1. Если необходимо иметь средний размер продукт измельчения более 10—15мкм, то следует применяемый помол, так как в этом случае производительность вибромельниц выше, чем при мокром измельчении. В случае более тонкого измельчения средний размер продуктов измельчения 1—0,1 мкм можно получить только применяя жидкие дисперсионные среды. Это можно объяснить тем, что применение поверхностно-активных жидких сред особенно эффективно лишь при сравнительно высоких значениях удельной поверхности измельчаемого материала, поскольку, как это было показано в работах ПА. Ребиндера, при сухом помоле может происходить значительная агрегация мелких частиц. Мокрый помол применяют также для предохранения тонкоизмельченных материалов (металлов, карбидов, боридов, нитридов и силицидов) от окисления.

В качестве поверхностно-активных добавок в каждом отдельном случае необходимо выбирать такую, которая хорошо смачивает измельчаемый материал и способствует стабилизации суспензии измельчаемого материала в дисперсионной среде. К таким добавкам относятся: сульфитно - спиртовая барда, лейконол, олеиновая кислота, а также натриевые соли органических и фосфорной кислот.

Поверхностно-активные вещества добавляют в очень ограниченных количествах, массовая доля которых составляет 0,1—0,5%, но не более 2%; при этом лучше добавлять их по частям, например по одной трети общего количества в начале, в середине и в конце помола.

Снижение температуры помола путем охлаждения корпуса мельницы жидким азотом или сухим льдом (С0₂) в смеси с ацетоном способствует увеличению интенсивности размола и возможности одновременного измельчения и перемешивания материала с замороженными термопластичными связками. В большинстве случаев к охлаждению корпуса не прибегают, так как выделяющаяся при измельчении теплота в достаточной мере отводится потоком воздуха.