ШАРОВАЯ МЕЛЬНИЦА Российский патент 1996 года по МПК B02C15/08 

Изобретение относится к устройствам для тонкого измельчения и механической активации твердых материалов и может быть использовано в химической, горнодобывающей, строительной и других отраслях промышленности.

Известна центробежная мельница, содержащая корпус, питатель, сепаратор с шарами и отверстиями в боковой стенке, размер которых соответствует диаметру шара, отражатель, установленный внутри сепаратор с возможностью относительного вращения вокруг его продольной оси [1]
Наиболее близким к предлагаемому устройству является центробежная мельница, содержащая корпус, питатель, сепаратор с шарами и прорезями на боковой поверхности, отражатель, установленный внутри сепаратора с возможностью вращения относительно продольной оси, при этом прорези выполнены сквозными через нижнюю торцовую поверхность сепаратора, а под сепаратором неподвижно с зазором установлена шайба, верхняя рабочая торцовая поверхность которой выполнена в виде кулачка [2]
Недостатком описанного устройства является частичное заклинивание шаров в зазоре в момент пуска. Это приводит к значительному увеличению пускового момента, а в отдельных случаях к невозможности пуска мельницы. Недостаток в основном проявляется при работе с материалами, увлажняющимися в процессе интенсивного измельчения за счет выделения химически связанной воды. В таком состоянии обрабатываемый материал, в частности Al(OH)₃, обладая сильной адгезией к поверхностям шаров, корпуса, сепаратора и отражателя, участвующим в работе, налипает на них тонким слоем и обуславливает значительное увеличение коэффициента трения. Вследствие этого в момент пуска проскальзывание шаров относительно друг друга, а также относительно корпуса, сепаратора и отражателя затрудняется, что приводит к возрастанию пускового момента. В то же время указанные обстоятельства не препятствуют устойчивой, без заклиниваний, работе устройства после пуска.

Другим недостатком этого устройства является неравномерный износ корпуса, сепаратора и отражателя по высоте. Наибольший износ в виде кольцевых канавок на корпусе и отражателе в виде лунок на сепараторе наблюдается в их средней части. Периодическое ударное воздействие кулачка шайбы на шары в пазу сепаратора приводит к их колебаниям в осевом направлении. При этом наиболее интенсивно колеблются только крайние шары, в то же время средние шары, участвуя в передаче энергии от крайних шаров, практически не смещаются в осевом направлении.

Цель изобретения обеспечение такого выполнения и взаимного расположения деталей мельницы и их элементов, а также шаров, при котором в момент пуска и во время работы устройства отсутствует заклинивание шаров и обеспечивается равномерный износ деталей по высоте.

Цель достигается тем, что шаровая мельница, содержащая вертикальный корпус, концентрично с зазором установленный в ней ротор в виде закрепленной на валу втулки, шары, расположенные в зазоре ребра, снабжена установленной под втулкой чашкой, полость которой обращена вверх и сообщена с зазором, ребра выполнены на боковой поверхности втулки с наклоном к образующим этой поверхности под углом больше -90^о, но меньше 90^о, при этом боковая поверхность втулки в окружном направлении представлена по меньшей мере двумя участками и на каждом уровне по высоте втулки смежные участки отличаются друг от друга величиной угла наклона ребер к образующим боковой поверхности, при этом максимальный зазор между втулкой и корпусом больше диаметра шара, но меньше 1,7 диаметра шара, а грань каждого ребра, обращенная в направлении вращения, имеет по меньшей мере один участок, на котором угол между нормалью и радиусом, проведенными через точку поверхности участка в поперечном сечении ребра, возрастает в направлении его вершины.

Чашка может быть выполнена со сквозными продольными отверстиями в боковой стенке, ширина которых меньше диаметра шара.

Втулка может быть выполнена из эластичного материала, а ее внутренняя полость заполнена газом под давлением.

Одно из преимуществ предлагаемой мельницы заключается в том, что благодаря наличию чашки, установленной под втулкой и имеющей полость, обращенную вверх и сообщающуюся с зазором между втулкой и корпусом, шары после остановки мельницы перемещаются из зазора между втулкой и корпусом под действием силы тяжести в полость чашки и размещаются в ней. В процессе пуска мельницы угловая скорость ротора возрастает и шары под действием центробежных сил постепенно заполняют зазор между втулкой и корпусом. Таким образом, предотвращается заклинивание шаров в зазоре между втулкой и корпусом в момент пуска и обеспечивается уменьшение пускового момента, величина которого определяется только моментом инерции ротора с шарами и скоростной характеристикой привода.

Другое преимущество предлагаемой мельницы заключается в следующем. На установившемся режиме работы каждый шар совершает колебания в радиальном направлении и перемещается в окружном и осевом направлениях. Перемещение в осевом направлении вверх или вниз, а также величина перемещения шара зависят от угла наклона ребер к образующим боковой поверхности втулки на данной ее высоте. При выполнении ребер на боковой поверхности втулки с наклоном к образующим этой поверхности, когда боковая поверхность втулки в окружном направлении представлена по меньшей мере двумя участками и на каждом уровне по высоте втулки смежные участки отличаются друг от друга величиной угла наклона ребер к образующим боковой поверхности, каждый шар, находящийся на данном уровне по высоте втулки, при его соударениях с ребрами разных участков периодически смещается вверх или вниз от своего устойчивого положения, определяемого соседними шарами. При периодических осевых перемещениях всех шаров достигается равномерный износ как корпуса, так и втулки по их высоте.

Величина наклона ребер на данной высоте втулки, необходимая для обеспечения направленного перемещения шаров вверх или вниз, определяется рядом факторов: продольной кривизной втулки и корпуса на данной высоте, диаметром корпуса, угловой скоростью ротора и др.

Ограничение угла наклона ребер к образующим боковой поверхности втулки величиной больше -90^о, но меньше 90^о обусловлено тем, что при указанных предельных значениях углов ребра вырождаются в кольцевые выступы и теряют свое функциональное назначение, так как не обеспечивают возбуждение виброударного режима движения шаров и их перемещения в осевом направлении.

Ограничение максимального зазора между втулкой и корпусом величиной больше диаметра шара обеспечивает свободное перемещение шаров в зазоре, а ограничение указанного зазора величиной меньше 1,7 диаметра шара устраняет возможность выдвижения шаров во второй ряд в радиальном направлении и предотвращает заклинивание шаров в зазоре.

При двухрядной укладке шаров в радиальном направлении величина зазора S определяется следующим образом (фиг.7):
S BD + (d/2)+ (d/2); где d диаметр шара.

Из треугольника АВD следует:
BD AB · cos45^o, причем AB d;
тогда S d · cos45^o + d 1,707d.

Выполнение каждой грани ребра, обращенной в направлении вращения, с одним участком, на котором угол между нормалью и радиусом, проведенными через точку поверхности участка в поперечном сечении ребра, возрастает в направлении его вершины, формирует такой виброударный режим движения шаров, когда каждый цикл колебания шара сопровождается одним соударением шара с указанной гранью ребра. При этом каждый акт нагружения материала при ударе шара в корпус характеризуется постоянными по величине и направлению ударными импульсами, что обеспечивает наиболее эффективный режим измельчения и активации отдельных материалов. Величина и направление ударного импульса в основном зависят от угловой скорости вала и угла между нормалью и радиусом, проведенными через середину участка грани. При постоянной угловой скорости вала увеличение указанного угла способствует возрастанию тангенциального импульса при ударе шара в корпус, что при соответствующем подборе параметров работы устройства обеспечивает наиболее эффективный процесс измельчения и активации слоистых материалов, например Al(OH)₃. В то же время увеличение указанного угла между нормалью и радиусом сопровождается уменьшением смещения шара в окружном направлении относительно втулки и возрастанием числа ребер, что может быть неприемлемо из конструктивных соображений.

Выполнение каждой грани ребра, обращенной в направлении вращения, с более чем одним участком, на каждом из которых угол между нормалью и радиусом, проведенными через точку поверхности участка в поперечном сечении ребра, возрастает в направлении его вершины, причем на соседних участках угол между нормалью и радиусом, проведенными через середину участка, уменьшается в направлении вершины ребра, формирует такой виброударный режим движения шаров, когда несколько последовательно осуществляющихся соударений шара с втулкой в одном цикле колебания шара происходят с участием одного и того же ребра на участках его грани, обращенной в направлении вращения. При этом уменьшение смещения шара относительно втулки в окружном направлении, вызываемое увеличением угла между нормалью и радиусом, проведенными через середину наиболее удаленного от вершины ребра участка, компенсируется увеличением указанного смещения после соударения шара с этой гранью ребра на следующих участках, расположенных ближе к вершине ребра, так как на каждом следующем участке в направлении к вершине ребра угол между нормалью и радиусом, проведенным через середину участка, уменьшается. Таким образом, в рамках одного цикла колебания шара, включающего несколько соударений с гранью одного и того же ребра, происходит постепенное увеличение смещения шара относительно втулки в окружном направлении, что позволяет увеличить шаг и объем ребер, уменьшить их число на втулке и, наряду с повышением эффективности процесса измельчения и активации, увеличить срок службы ребер.

Наличие отверстий в боковой стенке чашки обеспечивает в необходимых случаях уменьшение степени дросселирования газа-носителя на выходе в мельницу при использовании ее в цикле с сепаратором. В открытом цикле измельчения отверстия в боковой стенке чашки обеспечивают удаление части измельченного материала при большой производительности.

Выполнение втулки из эластичного материала, например из термостойкой резины, способствует уменьшению износа (Гаркунов Д.Н. Триботехника. М. Машиностроение, 1985, с. 159). Заполнение внутренней полости втулки газом под давлением способствует уменьшению потерь энергии при ударе шара во втулку и уменьшению массы втулки.

На фиг.1 показана шаровая мельница, продольный разрез, стрелкой показано направление газа-носителя, буквой S обозначен зазор между корпусом и втулкой; на фиг.2 фрагмент развертки боковой поверхности втулки; на фиг.3 ребро, когда его грань, обращенная в направлении вращения, имеет один участок, поперечное сечение, стрелкой показано направление угловой скорости ω ротора; на фиг. 4 ребро, когда его грань, обращенная в направлении вращения, имеет два участка, поперечное сечение, стрелкой показано направление угловой скорости ω ротора; на фиг.5 схема перемещения шара (шар не показан) в зазоре между корпусом и втулкой, когда ребро выполнено с одним участком на грани, обращенной в направлении вращения, стрелкой показано направление угловой скорости ω ротора; на фиг.6 схема перемещений шара в зазоре между корпусом и втулкой, когда ребро выполнено с двумя участками на грани, обращенной в направлении вращения, стрелкой показано направление угловой скорости ω ротора; на фиг.7 показаны шары, расположенные в зазоре между корпусом и втулкой в два слоя в радиальном направлении.

Шаровая мельница содержит вертикальный корпус 1 (фиг.1), концентрично с зазором 2 установленный в нем ротор 3 в виде закрепленной на валу 4 втулки 5, шары 6, расположенные в зазоре 2 ребра 7. Под втулкой 5 установлена чашка 8, полость 9 которой обращена вверх и сообщена с зазором 2. Ребра 7 выполнены на боковой поверхности 10 втулки 5 с наклоном к образующим 11 этой поверхности (фиг. 2) под углом α больше -90^о, но меньше 90^о, при этом боковая поверхность 10 втулки 5 в окружном направлении представлена по меньшей мере двумя участками 12 и 13 и на каждом уровне 14 по высоте втулки 5 смежные участки 12 и 13 отличаются друг от друга величиной угла α наклона ребер 7 к образующим боковой поверхности 10. При этом максимальная величина S зазора 2 больше диаметра d шара 6, но меньше 1,7 диаметра d шара 6 (фиг.7). Грань 15 каждого ребра 7, обращенная в направлении вращения (фиг.3), имеет по меньшей мере один участок 16, на котором угол β между нормалью 17 и радиусом 18, проведенными через данную точку поверхности участка 16, в поперечном сечении ребра 7 возрастает в направлении его вершины, т.е. для участка 16 АВ грани 15 угол β_В больше угла β_А (фиг.3). Грань 15 каждого ребра 7, обращенная в направлении вращения, может иметь два участка 16 (фиг.4), на которых угол β между нормалью 17 и радиусом 18, проведенными через данную точку поверхности каждого из участков 16, в поперечном сечении ребра 7 возрастает в направлении его вершины, т. е. для участка 16 АВ угол β_В больше угла β_А, а для участка 16 CD угол β_D больше угла β_С (фиг.4).

Корпус 1 имеет патрубок 19 для подвода газа и загрузочное отверстие 20, сопряженное с сепаратором 21, выполненным с центральным загрузочным патрубком 22.

Чашка 8 может быть выполнена со сквозными продольными отверстиями 23 в боковой стенке.

Втулка 5 может быть выполнена из эластичного материала, а ее внутренняя полость 24 заполнена газом под давлением.

Мельница работает следующим образом.

В период пуска мельницы шары 6, размещенные во внутренней полости 9 чашки 8, последовательно перемещаются под действием центробежных сил в зазор 2 между втулкой 5 и корпусом 1. При этом предотвращается заклинивание шаров 6 в зазоре 2, как следствие, уменьшается величина пускового момента. На установившемся режиме работы каждый шар 6 совершает колебания в радиальном направлении, перемещается в окружном и осевом направлениях. Перемещение шара 6 в осевом направлении вверх или вниз, а также величина перемещения зависят от угла наклона ребер 7 к образующим 11 боковой поверхности 10 втулки 5 на данном уровне 14 по высоте втулки 5. При выполнении ребер 7 на втулке 5, когда ее оребренная боковая поверхность 10 представлена в окружном направлении по меньшей мере двумя участками 12 и 13 и на каждом уровне 14 по высоте втулки 5 смежные участки 12 и 13 отличаются друг от друга величиной угла наклона ребер 7 к образующим 11, каждый шар 6, находящийся на данном уровне 14 по высоте втулки 5 при его соударениях с ребрами 7 разных участков 12 и 13, периодически смещается вверх или вниз от своего устойчивого положения, определяемого соседними шарами 6. Таким образом, при периодических осевых перемещениях шаров 6 достигается равномерный износ как корпуса 1, так и втулки 5 по высоте.

Величина угла α наклона ребер 7 к образующим 11 на данном уровне 14 по высоте втулки 5, необходимая для обеспечения направленного перемещения шаров 6 вверх или вниз, определяется рядом факторов: продольной кривизной втулки 5 и корпуса 1 на данном уровне 14 по высоте, диаметром корпуса, величиной зазора 2, угловой скоростью ω ротора 3 и др. Ограничение угла α величиной больше -90^о, но меньше 90^о обусловлено тем, что при указанных предельных значениях углов ребра 7 вырождаются в кольцевые выступы и теряют свое функциональное назначение, так как не обеспечивают возбуждение виброударного режима движения шаров 6 и их перемещение в осевом направлении.

При стационарном режиме движения шара 6 (шар 6 не показан) в зазоре 2 траектория его относительного движения может быть представлена ломаной линией ABCDEF. (фиг.5). В случае нарушения стационарного режима (воздействия соседних шаров 6, несовершенство геометрических форм, неравномерность подачи материала и т.д.) параметры движения шара 6 изменяются и в начале очередного цикла колебания A₁B₁C₁ он смещается в точку А₁, где угол β меньше, чем в точке А. В таком случае после соударения шара 6 с ребром 7 в точке А₁ радиальная составляющая скорости шара 6 уменьшается и в указанном цикле колебания А₁В₁С₁ шар 6 сместится на расстояние большее, чем в стационарном цикле АВС, и в начале нового цикла С₁D₁E₁ величина смещения СС₁ будет меньше начального смещения АА₁. Вследствие того, что в точке С₁ угол β меньше, чем в точке С, шар 6 в цикле С₁D₁E₁ вновь смещается на расстояние большее, чем в стационарном цикле CDE, и в начале следующего цикла колебания величина смещения EE₁ будет меньше, чем смещение СС₁. В случае, когда в начале очередного цикла колебания в результате действия возмущения шар 6 займет положение в точке А₂, где угол β больше, чем в точке А, то после соударения в точке А₂ радиальная составляющая скорости шара 6 возрастет и в цикле А₂В₂С₂ шар сместится на величину меньшую, чем в стационарном цикле АВС, и в начале следующего цикла C₂D₂E₂ величина смещения СС₂ будет меньше начального смещения АА₂. Вследствие того, что угол β в точке С₂ больше угла β в точке С, шар 6 в этом цикле C₂D₂E₂ вновь сместится на расстояние меньшее, чем в стационарном цикле CDE, и в начале следующего цикла колебания величина смещения ЕЕ₂ будет меньше, чем смещение СС₂. Таким образом, в любом случае в последующих колебаниях шара 8, когда на участке 16 грани 15 ребра 7 угол β возрастает в направлении к вершине ребра 7, возмущение будет стремиться к нулю, а траектория движения шара 6 будет стремиться к стационарному состоянию, т.е. при работе устройства будет обеспечиваться устойчивость стационарного режима движения шаров 6 и стабильность параметров, характеризующих напряженное состояние в обрабатываемом материале при ударе шара 6.

Для случая, когда каждая грань 15, обращенная в направлении вращения, выполнена с более чем одним участком 16, например с двумя участками 16 (фиг. 4), причем на соседних участках 16 угол β между нормалью 17 и радиусом 18, проведенными через середину участков 16 (на чертеже не показано), уменьшается в направлении к вершине ребра 7, траектория относительного движения шара 6 при стационарном режиме, может быть представлена ломаной линией GHLKG₁H₁L₁K₁. (фиг.6). При этом в каждом цикле колебания шара 6, например в цикле GHLK, шар 6 дважды соударяется с поверхностью грани 15 одного ребра 7 на различных ее участках 16. Увеличение угла β между нормалью 17 и радиусом 18, проведенными через середину наиболее удаленного от вершины ребра 7 участка 16, обеспечивает увеличение тангенциальной составляющей скорости шара 6 и, как следствие, уменьшение смещения шара 6 в относительном движении после удара в точке G (смещение GL). Уменьшение смещения в этой части цикла колебания GHL компенсируется возрастанием смещения во второй части цикла LKG₁ после соударения шара 6 с гранью того же ребра 7 на следующем в направлении вершины ребра 7 участке 16 в точке L (смещение LG₁), так как на этом участке 16 угол β между нормалью 17 и радиусом 18, проведенными через середину участка 16, меньше, чем соответствующий угол на предыдущем участке 16. Таким образом, в рамках одного цикла колебания шара 6 происходит увеличение смещения шара 6 относительно втулки 5 в окружном направлении, что позволяет при неизменной частоте ударов в корпус 1 увеличить шаг и соответственно объем ребер, а следовательно, и срок службы ребер 7.

Ограничение максимального зазора 2 между втулкой 5 и корпусом 1 величиной S больше диаметра d шара 6 обеспечивает свободное перемещение шаров 6 в зазоре 2, а ограничение зазора 2 величиной меньше 1,7 диаметра d шара 6 устраняет возможность выдвижения шаров 6 во второй ряд в радиальном направлении и предотвращает заклинивание шаров 6 в зазоре 2.

При использовании мельницы в цикле измельчения с сепаратором 21 (фиг.1) исходный материал, поступающий через патрубок 22, а также крупные фракции, возвращаемые на домол из сепаратора 21, попадают через отверстие 20 внутрь мельницы и измельчаются под воздействием шаров 6, колеблющихся в зазоре 2 с высокой частотой. Газ-носитель, например воздух, под действием разрежения, создаваемого в сепараторе, проходит через патрубок 19 в пространство под чашкой 8, а затем через зазор между чашкой 8 и корпусом 1 в зазор 2 между втулкой 5 и корпусом 1. Протекая в зазоре 2, газ увлекает тонкоизмельченные частицы и уносит их в сепаратор 21.

Для уменьшения степени дросселирования газового потока на входе в мельницу чашка 8 может быть выполнена со сквозными отверстиями 23 в ее боковой стенке.

При использовании мельницы в открытом цикле измельчения (на чертежах не показано) исходный материал поступает через загрузочное отверстие 20 внутрь мельницы, измельчается под воздействием шаров 6, колеблющихся в зазоре 2, под действием силы тяжести опускается вниз и выгружается через зазор между чашкой 8 и корпусом 1 в приемный бункер. При большой производительности мельницы измельченный материал может выгружаться дополнительным потоком через отверстия 23, которые могут быть выполнены в боковой стенке чашки 8.

Работа мельницы с втулкой, выполненной из эластичного материала, например из термостойкой резины, не отличается от работы мельницы с жесткой втулкой.

Наилучшим образом настоящее устройство может быть использовано для тонкого измельчения и механической активации твердых материалов в сухом виде или в пульпе.

Использование: тонкое измельчение и механическая активация твердых материалов. Сущность изобретения: шаровая мельница содержит вертикальный корпус, концентрично с зазором, установленный в нем ротор в виде закрепленной на валу втулки, шары, расположенные в зазоре ребра. Под втулкой установлена чашка, полость которой обращена вверх и сообщена с зазором. Ребра выполнены на боковой поверхности втулки с наклоном к образующим этой поверхности под углом больше - 90^o, но меньше 90^o, при этом боковая поверхность втулки в окружном направлении представлена по меньшей мере двумя смежными участками, и на каждом уровне по высоте втулки смежные участки отличаются друг от друга величиной угла наклона ребер к образующим. Максимальная величина зазора больше диаметра шара, но меньше 1,7 диаметра шара, а грань каждого ребра, обращенная в направлении вращения, имеет по меньшей мере один участок, на котором угол между нормалью и радиусом, проведенными через данную точку поверхности участка в поперечном сечении ребра, возрастает в направлении его вершины. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. ШАРОВАЯ МЕЛЬНИЦА, содержащая вертикальный корпус, концентрично с зазором установленный в нем ротор в виде закрепленной на валу втулки, шары, расположенные в зазоре ребра, отличающаяся тем, что она снабжена установленной под втулкой чашкой, полость которой обращена вверх и сообщена с зазором, ребра выполнены на боковой поверхности втулки с наклоном к образующим этой поверхности под углом больше - 90^o, но меньше 90^o, при этом боковая поверхность втулки в окружном направлении представлена по меньшей мере двумя участками и на каждом уровне по высоте втулки смежные участки отличаются друг от друга величиной угла наклона ребер к образующим боковой поверхности, при этом максимальный зазор между втулкой и корпусом больше диаметра шара, но меньше 1,7 диаметра шара, а грань каждого ребра, обращенная в направлении вращения, имеет по меньшей мере один участок, на котором угол между нормалью и радиусом, проведенными через точку поверхности участка в поперечном сечении ребра, возрастает в направлении его вершины. 2. Мельница по п.1, отличающаяся тем, что чашка выполнена со сквозными продольными отверстиями в боковой стенке, ширина которых меньше диаметра шара. 3. Мельница по п.1, отличающаяся тем, что втулка выполнена из эластичного материала, а ее внутренняя полость заполнена газом под давлением.