СПОСОБ СВЕРХТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1996 года по МПК B02C19/06 

Способ предназначен для измельчения твердых полидисперсных материалов до размеров частиц с эквивалентным по объему диаметром не менее, чем 95% массы готового продукта d95T

≅5•10^-6м 5 мкм. Способ может быть использован в горнорудной, пищевой, химической, строительной, энергетической и других отраслях промышленности.

Известно газодинамическое устройство тонкого измельчения /1/, с помощью которого достигнуто высокопроизводительное измельчение полидисперсных материалов различной твердости до характерных размеров частиц готового продукта d95T

≅10^-5м 10 мкм. В камерах основного измельчения и домола этого устройства реализован наиболее близкий к заявляемому по совокупности существенных признаков способ измельчения, заключающийся в выполнении над обрабатываемым материалом ряда операций. К числу основных операций относятся: предварительное дробление материала; создание в транспортировочных каналах и камерах измельчения потоков газовзвеси с частицами материала; введение в помольные объемы камер наряду с газовзвесью высокоскоростных потоков энергетического газа; организация в помольных объемах комплекса возмущающих воздействий на поля течения, приводящих к возникновению и накоплению в частицах внутренних напряжений и дефектов структуры (вакансий, дислокаций, трещин), имеющих следствием саморазрушение частиц или облегчающих их разрушение при взаимных столкновениях и контактах с рабочими поверхностями камер; классификация и возврат на домол неразрушившихся частиц; осаждение готового продукта; фильтрация условно чистого газа. К числу возмущающих воздействий относятся: вдув в помольный объем высокоэнергетических газовых струй, создающих вблизи рабочей поверхности камер энергонасыщенный слой потока газовзвеси; интенсивная эвакуация (отвод) из помольного объема мелкодисперсных разрушившихся или/и cодержащихся в исходном материале частиц, формирование зон ускорения и торможения потока газовзвеси, локального отрыва и последующего присоединения потока к рабочей поверхности, замкнутых областей типа "отрывного пузыря" с неустойчивой границей пузыря и возвратно-циркуляционным характером течения в нем; инициирование пульсационных (турбулентной или расходной природы) и акустических колебаний параметров течения с изменяющимися в широких пределах амплитудами и особенно частотами колебаний; создание стационарных и периодических вихревых движений с различной ориентировкой осей вихрей.

Недостатком способа, реализованного в /1/, является то, что весь набор используемых возмущающих воздействий при производительности в несколько сот килограмм в час (и выше) готового продукта относительно высокой твердости не позволяет достичь величины d95T

≅5 мкм.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности сверхтонкого измельчения полидисперсных материалов различной твердости при одновременном обеспечении производительности измельчения в несколько сот килограмм в час готового продукта со значением характерного размера частиц d95T

≅5 мкм.

Поставленная задача решается тем, что кроме всех используемых в прототипе видов возмущающих воздействий на поля течений и, следовательно на частицы твердой фазы газовзвеси в камерах измельчения, производят вдув энергетического газа в помольный объем со сверхзвуковой скоростью; создают условия для перерасширенного истечения газовых струй и многократного отражения в энергонасыщенном слое потока газовзвеси возмущений плотности в виде скачков уплотнения (положительные возмущения) и волн разрежения (отрицательные возмущения), регулируют амплитуду и частоту возмущений плотности путем подбора радиуса кривизны рабочей поверхности и изменения степени перерасширения истекающих струй вариацией их полного давления. При этом отражения возмущений обоих знаков от твердых граничных поверхностей энергонасыщенного слоя происходят с тем же знаком, а от газовых (псевдогазовых) границ с противоположным знаком, что обусловливает действие чередующихся знакопеременных нагрузок на частицы твердой фазы.

На фиг. 1 представлена схема перерасширенного истечения энергетической газовой струи тангенциально участку криволинейной боковой рабочей поверхности камеры измельчения с возмущающим элементом в виде глубокой каверны. На фиг. 2 фотография теневой картины течения в перерасширенной струе энергетического газа (относительный радиус кривизны рабочей поверхности камеры R_k/h_j= 25; число Маха сопла вдува М_j=2,0; угол наклона каверны к местной радиальной оси камеры γ_КАВ = 45^°;; b_КАВ/R_K=0,0267; h_КАВ/b_КАВ=3,0; степень перерасширения струи n_j= P_j/P_K= 0,67, где h_j высота выходного среза сопла вдува; b_КАВ, h_КАВ ширина и глубина каверны; Р_j, P_K статические давления соответственно на выходном срезе сопла вдува и на рабочей поверхности камеры вблизи сопла; цифровые обозначения элементов структуры течения совпадают с соответствующими обозначениями на фиг. 1). На фиг. 3 заимствованные из работы /2/ расчетная (1) и экспериментальная (2) зависимости относительного давления Р/P_oj на рабочей поверхности от величины n_j при истечении в свободное пространство (где Р_oj - давление торможения газа струи на выходе в сопло вдува; х/h_j= 0,4565(а), 1,2505 (б); х расстояние от среза сопла вдоль криволинейной поверхности). На фиг. 4 полученное авторами настоящей заявки экспериментальное распределение давления на участке цилиндрической рабочей поверхности камеры измельчения с каверной (R_K/h_j=25; γ_КАВ = 45^°;; b_КАВ//R_K= 0,0267; h_КАВ/b_КАВ= 3,0; М_j=2,0; P_oj=2 кгс/см² (1), 4 кгс/см² (2), 6 кгс/см² (3)).

На фиг. 5 обработанные с помощью ЭВМ экспериментальные линии Р/P_oj CONST^b в полости каверны на рабочей поверхности камеры (h_j/R_K=0,03; M_j=2; γ_КАВ = 45^°;; b_КАВ/R_K=0,02; h_КАВ/b_КАВ=3; P_oj=6 кгс/см²).

Достижение положительного эффекта уменьшение размеров частиц готового продукта происходит следующим образом.

Энергонасыщенный слой потока газовзвеси формируется между твердой боковой рабочей поверхностью 1 (фиг. 1, 2) камеры измельчения и газовой (псевдогазовой при относительно небольших коэффициентах наполнения газовзвеси твердой фазы границей 2, отделяющей поток сверхзвуковой струи, которая истекает, и сопла вдува 3, от основного циркуляционного потока газовзвеси во внутренней полости камеры. В общем случае рабочая поверхность 1 имеет вогнутую форму с криволинейной образующей ОХ, а граница 2 представляет собой слой смешения с нарастающей толщиной по мере удаления от выходного среза сопла вдува 3. В этом слое смешения, характерном наличием продольных и поперечных градиентов термогазодинамических параметров, в основном происходит вязкий захват частиц газовой и твердой фаз во внутренней области камеры и приведение этой среды в высокоскоростное циркуляционное движение. Расширяющийся сверхзвуковой участок сопла вдува 3 предпочтительно выполняют с профилированными стенками или с односторонним расширением, причем одна из стенок совпадает по направлению с рабочей поверхностью 1 в выходном сечении сопла ОА. Энергетический газ, истекающий из сопла, движется вдоль криволинейной рабочей поверхности, в каждой точке которой касательная к ней наклонена под увеличивающимся по ходу движения углом атаки α к направлению вектора скорости струи на срезе сопла. На рабочей поверхности 1 реализуется течение сжатия, для которого при сверхзвуковых скоростях движения характерно возникновение положительных возмущений плотности, приводящих к тому, что давление в струе газа на срезе сопла вдува Р_j становится меньше давления Р_К в ближних к срезу точках рабочей поверхности камеры. Это соответствует режиму перерасширенного истечения из сопла, при котором степень перерасширения струи n_j= P_j/P_K<1,0, а положительные возмущения плотности имеют вид скачков уплотнения 4 и 6. Эти скачки могут зарождаться в точке 0 на срезе сопла или при относительно больших по абсолютной величине возмущениях в точке отрыва пограничного слоя от стенки сопла внутри его сверхзвуковой части. Известно /3/, что возмущения плотности отражаются от твердых поверхностей со своим знаком, а от газовых границ с противоположным знаком. Поэтому скачок уплотнения 4 отражается от поверхности 1 в виде скачка уплотнения 5, а скачок 6 отражается от границы 2 в виде волны разрежения 7. Такие отражения чередуются и образуют волновую структуру энергетического слоя. Аналогичные явления имеют место также в случае выполнения рабочей поверхности в виде плоских участков, наклоненных к набегающему потоку под углами атаки α. Дополнительные элементы волновой структуры появляются, если на рабочей поверхности расположены возмущающие элементы типа, например, глубокой каверны 8. Тогда повышенное давление в каверне по сравнению с местным статическим давлением в обтекающем каверну энергетическом слое (уровни давлений см. на фиг. 5) приводит к искривлению гpаничной линии тока 9 в сторону энергетического слоя. Возникают скачок уплотнения 10 (типа головного скачка при обтекании сверхзвуковым потоком заостренного крылового профиля), скачок 11 на задней кромке каверны, локальная отрывная зона 12 за этой кромкой и скачок 13 в точке присоединения отрывной зоны к рабочей поверхности. Отражения этих скачков от границы 2 также происходят с противоположным знаком волн разрежения, например 14.

Как видно на фиг. 3, 4, чередование в энергетическом слое возмущений давления разного знака имеет следствием образование вдоль рабочей поверхности и в самом слое последовательности зон повышенного и пониженного давления. Диссипация энергии при переходе через скачки уплотнения, а также в результате вязких потерь в слоях смешения и на твердой поверхности приводит к постепенному уменьшению скорости движения в энергетическом слое до дозвуковых значений и к ликвидации описанной волновой структуры. На соответствующем расстоянии от выходного среза сопла вдува целесообразно вновь организовать вдув энергетического газа.

В результате прохождения вовлеченных в энергетический слой частиц твердой фазы газовзвеси через серию чередующихся скачков уплотнения и волн разрежения частиц испытывают многократное попеременное сжатие и растяжение, что способствует развитию уже имеющихся в частицах и зарождению новых дефектов внутренней структуры. Особенностью такого процесса является то, что нагружение частиц сжимающими внешними нагрузками происходит быстро в силу очень малой толщины фронтов скачков уплотнения (порядка нескольких ангстрем), а растягивающими относительно медленно, поскольку акт разрежения формируется как множество (веер) близких друг к другу волн, занимающих более протяженный отрезок пространства.

Следовательно, на нагружение усилиями разного знака накладывается еще и разная скорость нагружения, создающая переменные по величине и направлению локальные ускорения (перегрузки). Это обстоятельство также способствует либо саморазрушению частиц, либо их разрушению при последующих контактных взаимодействиях между собой и с рабочими поверхностями камеры измельчения.

Регулирование частоты следования возмущающих воздействий рассматриваемого типа возможно изменением при прочих равных условиях степени перерасширения струй энергетического газа n_j путем, например вариации полного давления газа струи P_oj, подбором величины радиуса кривизны рабочей поверхности камеры R_K или угла атаки a ее плоских участков; изменением количества и геометрии других источников возмущающих воздействий, располагаемых на рассматриваемом отрезке контура рабочей поверхности. Такое регулирование позволяет устранить или уменьшить негативное для разрушения частиц явление релаксационного "залечивания" дефектов внутренней структуры частиц, что способствует их более эффективному измельчению.

Преодоление газовой фазой потока газовзвеси волновой структуры перерасширенных струй сопровождается повышением потерь давления торможения. Поэтому предложенный способ предпочтительно следует применять для сверхтонкого измельчения, которое в известных способах невозможно осуществить при низких энергозатратах.

Использование: в горнорудной, пищевой, химической, строительной, энергетической и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: ввод высокоскоростных потоков энергетического газа в камеру измельчения осуществляют со сверхзвуковой скоростью на режимах перерасширенного истечения струй из сопла, создают условия для многократного отражения в энергонасыщенных слоях помольного объема камеры измельчения возмущений плотности в виде скачков уплотнения и волн разрежения. 1 з.п. ф-лы,. 5 илл.

1. Способ сверхтонкого измельчения материала, включающий предварительное дробление материала, организацию потоков газовзвеси с частицами материала, введение в помольный объем камеры измельчения газовзвеси и высокоскоростных потоков энергетического газа с помощью сопел, создание в помольном объеме комплекса возмущающих воздействий на поля течения, обеспечение условий для контактного взаимодействия частиц материала между собой и с рабочими поверхностями камеры измельчения, классификацию и осаждение готового продукта, возврат на помол неразрушенных частиц, фильтрацию условно чистого газа, отличающийся тем, что ввод высокоскоростных потоков энергетического газа в камеру измельчения осуществляют со сверхзвуковой скоростью на режимах перерасширенного истечения струй из сопел, создают условия для многократного отражения в энергонасыщенных слоях помольного объема камеры измельчения возмущений плотности в виде скачков уплотнения и волн разрежения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что путем изменения давления энергетического газа, подбора радиуса кривизны рабочей поверхности камеры измельчения или углов атаки плоских участков этой поверхности регулируют частоту отражений возмущений плотности и степень перерасширения струй.