УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2001 года по МПК B02C19/06 

Изобретение относится к оборудованию по переработке материалов и может быть использовано для измельчения песков, угля, цементного сырья и в других производствах, где требуется получить мелкодисперсные порошки или раздробить минеральное сырье для последующей технологической обработки.

В настоящее время наибольшее распространение получили установки для измельчения сыпучих материалов, использующие механическое воздействие на материал твердых мелющих тел: барабанов, валков, шаров и т.п. К ним относятся различные типы дробилок статического и ударного действия и механические мельницы с твердыми мелющими телами. Общие схемы этих установок описаны в литературе, например в книге: "Размольное оборудование обогатительных фабрик" Олевский В. А.- М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, 1963, с.12-24. Основным недостатком данных установок является их высокая материалоемкость и повышенные затраты энергии на измельчение материала.

Альтернативой дробилкам и мельницам с мелющими телами являются установки для измельчения материалов, использующие разгон частиц материала в центробежных ускорителях с последующим ударом их об экран.

Известна установка для измельчения сыпучих материалов, содержащая подводящий патрубок, центробежный ускоритель частиц сыпучего материала, установленный под подводящим патрубком, охватывающий его тормозной экран и коллектор для сбора и отвода измельченных частиц, размещенный ниже тормозного экрана. Центробежный ускоритель имеет закрепленный на вертикальном валу ротора нижний сплошной диск с вертикальными стойками по периферии диска и закрепленный на стойках верхний кольцевой диск. Периферийная часть дисков и вертикальные стойки имеют износостойкое покрытие из керамики. Тормозной экран выполнен в виде жестко закрепленных на крышке корпуса вертикальных цилиндрических втулок из износостойкого материала, (см., например, патент США N2867387 по кл. 241-275 от 1959). В данной установке разгон частицы на диске ускорителя происходит в основном за счет силы трения измельчаемого материала о поверхность диска. Наличие вертикальных стоек на периферии нижнего диска не приводит к существенному увеличению скорости метания частиц, так как основная масса измельчаемого материала проходит между стойками. Низкая скорость разгона измельчаемого материала существенно снижает технологические возможности установки. В данной установке, как и в остальных известных установках с центробежным ускорителем частиц измельчаемого материала, всегда имеет место значительное рассогласование скоростей частиц и прокачиваемой по каналам попутной внешней среды, что приводит как к снижению скорости метаемых частиц, так и к дополнительному расходу энергии.

Известна установка для измельчения сыпучих материалов, содержащая корпус с подводящим патрубком, центробежный ускоритель частиц сыпучего материала, установленный под подводящим патрубком и выполненный в виде закрепленного на вертикальном валу диска со сменными лопатками, тормозной экран и коллектор для сбора измельченных частиц (см. патент США N2981489 по кл. 241-275 от 1961). Наличие сменных лопаток дает возможность быстро заменять их по мере износа, но проблема снижения производительности установки из-за абразивного износа ускорителя остается. Использование в центробежном ускорителе открытого диска с лопатками снижает эффективность установки, так как частицы измельчаемого материала имеют значительный разброс по скорости при сходе с диска. Кроме того, в данной установке имеют место значительные потери мощности, связанные с турбулизацией воздуха при вращении диска с лопатками. Эти потери многократно возрастают при увеличении скорости вращения диска.

Известна установка для измельчения сыпучих материалов, описанная в патенте США N4682739 по кл.244-275 (МКИ B 02 C 19/00) от 1987. Установка содержит подводящий патрубок, центробежный ускоритель частиц сыпучего материала, установленный под подводящим патрубком и выполненный в виде закрепленного на вертикальном валу ротора с горизонтально расположенными профилированными каналами для разгона частиц сыпучего материала, тормозной экран напротив выходных отверстий каналов ротора и коллектор для сбора и отвода измельченных частиц, размещенный ниже тормозного экрана. В известной установке рабочая стенка канала ротора центробежного ускорителя имеет вогнутый криволинейный профиль, удовлетворяющий требованию накопления на стенке канала измельчаемого материала с образованием подушки, предохраняющей стенку канала от абразивного износа. Противоположная стенка выполнена прямолинейной и направлена примерно по касательной к стенке центральной камеры центробежного ротора. Канал ротора спрофилирован так, что после формирования защитной подушки на его рабочей стенке площадь свободного поперечного сечения канала мало изменяется по его длине. Наличие предохраняющей подушки в канале ротора дает возможность поднять обороты ротора центробежного ускорителя и увеличить скорость метания измельчаемого материала за счет возрастания тангенциальной составляющей скорости частиц материала на выходе из канала ротора, что повышает эффективность установки. Однако в данной установке перемещение частиц в канале ротора центробежного ускорителя происходит по неподвижному или малоподвижному слою измельчаемого материала, что приводит к увеличению потерь на трение и уменьшает радиальную составляющую скорости частиц как в канале, так и на выходе из канала. Снижение радиальной составляющей скорости метания частиц измельчаемого материала не дает возможности реализовать полностью преимущества высокооборотного ротора. При наличии острой кромки на выходе из канала ротора на метаемые частицы при огибании кромки действуют значительные инерционные силы, что приводит к увеличенному абразивному износу выходной кромки рабочей стенки канала даже при наличии защитной подушки. Чтобы уменьшить влияние внешней среды и достичь высоких скоростей удара частиц об тормозной экран, ускоритель размещен в вакуумируемом корпусе, что существенно усложняет эксплуатацию установки и приводит к дополнительным затратам энергии на поддержание вакуума внутри корпуса установки.

Наиболее близкой к заявленному изобретению является установка для измельчения сыпучих материалов, описанная в патенте ЕПВ N0282950 по кл. МКИ В 02 С 19/00 от 1988. Установка содержит подводящий патрубок, центробежный ускоритель частиц сыпучего материала, установленный под подводящим патрубком и выполненный в виде закрепленного на вертикальном валу ротора с прямолинейными радиально расположенными каналами для разгона частиц сыпучего материала, имеющими сужающиеся сопла на выходе из канала, тормозной экран напротив выходных отверстий каналов ротора, коллектор для сбора и отвода измельченных частиц, размещенный ниже тормозного экрана. Ротор имеет два диска, при этом радиальные каналы выфрезерованы в нижнем диске, а верхний диск накрывает каналы. Радиальные каналы имеют гомогенизирующую камеру, расположенную перед выходным сужающимся соплом, и сужение на входе в указанную камеру. Атмосферный воздух служит транспортирующей средой для частиц сыпучего материала. При выбранной форме радиальных каналов увеличиваются потери на трение, что приводит к снижению эффективности установки, так как уменьшается скорость метания частиц сыпучего материала. При турбулизации смеси воздуха и частиц сыпучего материала увеличивается также абразивный износ стенок радиального канала, особенно стенок гомогенизирующей камеры и сужения на входе в нее. В известной установке на выходе из канала ротора при огибании кромки сопла на метаемые частицы действуют значительные инерционные силы, что приводит к увеличенному одностороннему абразивному износу кромки сопла. Абразивный износ стенок канала и кромки сопла приводит к необходимости частой замены ротора ускорителя и снижает длительность межремонтной эксплуатации установки, что увеличивает затраты на ее эксплуатацию.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка установки для измельчения сыпучих материалов, обеспечивающей высокую скорость метания частиц измельчаемого материала, в том числе при работе установки при нормальном атмосферном давлении. Другой задачей изобретения является разработка установки для измельчения сыпучих материалов, эффективно работающей с различным исходным материалом: сухие и увлажненные пески и смеси с неоднородным гранулометрическим составом, пульпа и т.п. Еще одной задачей изобретения является разработка установки для измельчения сыпучих материалов с увеличенным ресурсом работы за счет уменьшения абразивного износа каналов центробежного ускорителя частиц измельчаемого материала и тормозного экрана. Дополнительной задачей изобретения является разработка установки для измельчения сыпучих материалов с уменьшенными затратами на эксплуатацию за счет снижения времени на замену элементов ротора, подверженных абразивному износу, и удешевления их изготовления.

Поставленные задачи решаются следующим образом.

В установке для измельчения сыпучих материалов, содержащей подводящий патрубок, центробежный ускоритель частиц сыпучего материала, установленный под подводящим патрубком и выполненный в виде закрепленного на вертикальном валу ротора с прямолинейными радиально расположенными каналами для разгона частиц сыпучего материала, имеющими сужающиеся сопла на выходе из канала, тормозной экран напротив выходных отверстий каналов ротора, коллектор для сбора и отвода измельченных частиц, размещенный ниже тормозного экрана, согласно изобретению, каналы в роторе имеют цилиндрическую форму и выполнены в виде цилиндрических труб, закрепленных на ускорителе, сопла выполнены в виде цилиндрических втулок из износостойкого материала с сужающимся внутренним каналом, закрепленных внутри трубы, а тормозной экран собран из вертикальных цилиндрических втулок, установленных с возможностью проворота на вертикальных стержневых элементах.

При этом целесообразно цилиндрические каналы снабдить футеровкой из износостойкого материала, выполненной в виде установленных в трубах цилиндрических лайнеров, а сами лайнеры собрать из керамических вкладышей.

Наличие в роторе центробежного ускорителя ориентированных по радиусам прямолинейных каналов цилиндрической формы в виде цилиндрических труб с соплами из износостойкого материала на выходе дает возможность уменьшить в канале потери на трение и тем самым обеспечить на выходе из канала согласование скоростей частиц измельчаемого материала и попутной среды и добиться высокой скорости метания частиц при работе установки при нормальном атмосферном давлении на сухих и увлажненных смесях и на пульпе. Абразивный износ стенок канала уменьшается, так как на большей части канал имеет увеличенное поперечное сечение и меньшую относительную скорость измельчаемого материала относительно стенки. Быстрое увеличение скорости имеет место только на выходе из канала в сопле, но здесь частицы измельчаемого материала движутся в спутнем потоке с попутной средой, что уменьшает давление их на стенку и износ стенки. Наличие высокоскоростной спутной среды и высокая радиальная скорость частиц измельчаемого материала на выходе из канала ротора центробежного ускорителя снижает односторонний абразивный износ выходной кромки сопла, а выполнение сопл в виде цилиндрических втулок из износостойкого материала, например из керамики, уменьшает абразивный износ сопла в целом. Выполнение тормозного экрана из вертикальных цилиндрических втулок, установленных с возможностью проворота на вертикальных стержневых элементах, обеспечивает равномерное воздействие частиц измельчаемого материала на всю боковую поверхность втулок и способствует увеличению ресурса работы установки. Выполнение радиально ориентированных каналов из цилиндрических труб с сопловыми вставками в виде цилиндрических втулок с сужающимся внутренним каналом, а тормозного экрана - из вертикальных цилиндрических втулок делает установку более технологичной в изготовлении, снижает затраты времени на замену элементов установки, наиболее подверженных абразивному износу, и упрощает ее эксплуатацию.

Повышение стойкости каналов ротора при работе установки с песками или клинкером достигается снабжением цилиндрических каналов футеровкой из износостойкого материала, выполненной в виде установленных в трубах цилиндрических лайнеров. Использование для сборки лайнеров керамических вкладышей повышает технологичность установки и упрощает ее эксплуатацию.

Технические результаты, достигаемые изобретением, заключаются в возможности получения в одном каскаде измельчения материала в 6-10 раз и снижении затрат мощности на дробление материала.

Заявителю неизвестны установки для измельчения сыпучих материалов с указанной совокупностью существенных признаков и заявленная совокупность существенных признаков не вытекает явным образом из современного уровня техники, что подтверждает соответствие заявляемого изобретения критериям "новизна" и "изобретательский" уровень.

На фиг.1 схематически показан в разрезе общий вид установки для измельчения сыпучих материалов; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 приведено сечение ротора с футерованными каналами; на фиг. 5 - схема взаимодействия измельчаемых частиц с тормозным экраном.

Установка для измельчения сыпучих материалов имеет раму 1, на которой закреплен кожух 2. Кожух содержит днище 3, боковую обечайку 4 и съемную верхнюю крышку 5. Внутри кожуха установлен центробежный ускоритель, ротор 6 которого закреплен на вертикальном валу 7 привода 8. Вертикальный вал проходит через отверстие в днище 3 и уплотнен относительно него. В верхней крышке кожуха над ротором имеется отверстие, через которое пропущен подводящий патрубок 9. Ротор ускорителя имеет центральный корпус 10 с входным отверстием 11 и закрепленные в корпусе радиально ориентированные горизонтальные цилиндрические трубы 12. Внутренние каналы 13 цилиндрических труб выведены во внутреннюю полость 14 центрального корпуса. На выходе из каждого канала 13 установлено сопло 15, представляющее собой закрепленную внутри трубы цилиндрическую втулку 16 с сужающимся внутренним каналом 17, имеющим форму усеченного конуса. Втулки изготавливаются из износостойкого материала, в частности из керамики, например из карбида кремния, или металлокерамики. Внутри кожуха 2 напротив выходных отверстий сопл размещен тормозной экран 18. Тормозной экран собран из отдельных вертикальных цилиндрических втулок 19. Втулки свободно установлены на вертикальных стержневых элементах 20 и удерживаются от соскальзывания со стержня опорными шайбами 21. Свободная установка втулок на стержневых элементах дает им возможность проворачиваться относительно последних, обеспечивая тем самым равномерное воздействие частиц измельчаемого материала на всю боковую поверхность втулок. Втулки могут целиком изготавливаться из износостойкого материала или иметь напыленный на внешнюю поверхность износостойкий слой. Стержневые элементы закреплены вертикально на верхней крышке 5. К днищу 3 присоединен коллектор 22 для сбора и отвода измельченных частиц, размещенный под тормозным экраном. Отверстия 23 в нижнем днище соединяют полость коллектора с полостью кожуха.

При измельчении высокоабразивных материалов, например песков, цилиндрические каналы 13 снабжаются футеровкой 24 из износостойкого материала. Футеровка выполнена в виде установленного в трубе цилиндрического лайнера, собранного из керамических вкладышей 25, как это показано на фиг. 4.

Частицы измельчаемого сыпучего материала (угля, песка и т.п.) подаются, например, в виде пульпы, через подводящий патрубок 9 во внутреннюю полость 14 вращающегося ротора центробежного ускорителя и далее в каналы 13 радиально расположенных цилиндрических труб 12. Перемещаясь по каналу 13 с относительно небольшой радиальной скоростью, пульпа поступает к соплам 15. Учитывая, что пульпа в канале вращается вместе с ротором и перемещается в нем по радиусу, статическое давление в пульпе возрастает практически пропорционально квадрату окружной скорости. В соплах радиальная скорость пульпы резко возрастает и весь запас потенциальной энергии пульпы переходит в кинетическую энергию. При этом в пульпе соблюдается согласованное увеличение скоростей жидкой фазы и измельчаемых частиц, что улучшает энергетические характеристики установки. На выходе из сопла жидкость и измельчаемые частицы имеют радиальную составляющую скорости - V_R, практически равную ее тангенциальной составляющей - V_U, и покидают ротор со скоростью - V под углом 45^o к торцу сопла 15, как это показано на треугольнике скоростей на фиг. 5. Выброшенные из центробежного ускорителя частицы измельчаемого материала с большой скоростью ударяются о внешнюю поверхность цилиндрических втулок 19 тормозного экрана и дробятся на ней. Наличие тангенциальной составляющей скорости - V_U приводит к появлению тангенциальной составляющей силы трения пульпы о поверхность втулки и провороту втулки относительно вертикального стержневого элемента 20. Таким образом в зоне торможения пульпа равномерно воздействует на всю поверхность втулок, что увеличивает рабочий ресурс установки. Измельченные частицы падают вниз и через отверстия 23 попадают в коллектор 22 и отводятся за пределы установки.

Учитывая высокую скорость выброса пульпы из центробежного ускорителя (100 м/с и выше), на установке можно получать мелкодисперсные смеси угля с водой и сразу подавать их в форсунки топок.

При работе установки на сухих измельчаемых материалах, например при сухом измельчении угля, угольная крошка подается в подводящий патрубок 9, проходит через радиальные каналы 13 ротора центробежного ускорителя в сопло 15 и выбрасывается с большой скоростью на поверхность втулок 19 тормозного экрана. Разгон угольной крошки происходит на всей длине канала 13, но особенно быстро скорость угольной крошки возрастает в сопле 15. Одновременно в канале 13 и сопле 15 разгоняется атмосферный воздух. Подбором проходных сечений подводящего патрубка 9, каналов 13 и сопл 15 можно добиться, чтобы на выходе из сопла воздух и частицы угольной крошки имели практически равные скорости. На тормозном экране угольная крошка благодаря большой скорости соударения частиц с поверхностью втулок 19 дробится до мелкодисперсного порошка, который собирается в коллекторе 22.

Установка может быть изготовлена из освоенных промышленностью материалов и ее работоспособность подтверждена испытаниями опытного образца, что свидетельствует о ее промышленной применимости.

Установка использует дробление частиц сырья при ударе их об тормозной экран. Частицы измельчаемого материала подаются на вход в каналы центробежного ускорителя и разгоняются в нем. Ускоритель имеет горизонтальный ротор с прямолинейными радиально расположенными каналами с сужающимися соплами на выходе из канала. Каналы ротора выполнены в виде закрепленных на ускорителе цилиндрических труб. Сопла выполнены в виде закрепленных внутри трубы цилиндрических втулок из износостойкого материала с сужающимся внутренним каналом. Тормозной экран собран из вертикальных цилиндрических втулок, установленных с возможностью поворота на вертикальных стержневых элементах. Каналы ротора могут иметь футеровку, выполненную в виде собранных из керамических вкладышей цилиндрических лайнеров. Изобретение позволяет обеспечить высокую скорость метания частиц измельчаемого материала, работу с различным исходным материалом и долговечность установки. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Установка для измельчения сыпучих материалов, содержащая подводящий патрубок, центробежный ускоритель частиц сыпучего материала, установленный под подводящим патрубком и выполненный в виде закрепленного на вертикальном валу ротора с прямолинейными радиально расположенными каналами для разгона частиц сыпучего материала, имеющими сужающиеся сопла на выходе из канала, тормозной экран напротив выходных отверстий каналов ротора, коллектор для сбора и отвода измельченных частиц, размещенный ниже тормозного экрана, отличающаяся тем, что каналы в роторе имеют цилиндрическую форму и выполнены в виде цилиндрических труб, закрепленных на ускорителе, сопла выполнены в виде цилиндрических втулок из износостойкого материала с сужающимся внутренним каналом, закрепленных внутри трубы, а тормозной экран собран из вертикальных цилиндрических втулок, установленных с возможностью проворота на вертикальных стержневых элементах. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что цилиндрические каналы снабжены футеровкой из износостойкого материала, выполненной в виде установленных в трубах цилиндрических лайнеров. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что цилиндрические лайнеры собраны из керамических вкладышей.