Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СМЕШИВАНИЯ И ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Предлагаемое изобретение относится к способам измельчения и смешивания с использованием центробежных методов и предназначено для сухого и мокрого измельчения кусковых, зерновых и порошковых материалов, а также для приготовления смесей, используемых в различных отраслях производства.

Известен способ измельчения (Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. Изд. 2-е, перераб. М., «Химия», 1977 г. - С. 158), при котором измельчаемый материал и мелющие тела подаются во вращающуюся относительно горизонтальной осиу цилиндрическую или в форме усеченного конуса рабочую емкость, где они под действием гравитационных сил прижимаются к стенкам рабочей емкости и за счет сил трения, возникающих между внутренней поверхностью рабочей емкости и мелющими телами, а также измельчаемым материалом, перемещаются в верхнюю часть рабочей емкости, где под действием гравитационных сил отрываются от внутренней поверхности рабочей емкости и падают в ее нижнюю часть.

Недостатком этого способа является то, что уровень ударного измельчающего воздействия на материал зависит от массы и высоты подъема мелющих тел, а истирающее воздействие мелющих тел происходит при относительно низких значениях напряжений нормальных и сдвиговых деформаций. Все это приводит к значительному увеличению времени помола (до нескольких десятков часов) и возникновению обоснованных кинетической и потенциальной энергией мелющих тел предельных значений дисперсности (тонины) измельченного материала.

Из известных способов наиболее близким к заявляемому является Способ приготовления формовочных песчано-глинистых смесей. (Патент РФ №2238818 от 11.06.2003, МКИ⁶ В22С 5/04. БИ №30 от 27.10.2004), при котором обработку ингредиентов проводят во вращающейся цилиндрической чаше вращающимся ротором с лопаткой, при этом чашу вращают со скоростью, создающей давление в измельчаемом материале, равное 0,14-0,9 от максимальной прочности измельчаемого материала на сжатие, а лопатку относительно чаши вращают со скоростью - 1,5…+1,0 от скорости вращения чаши.

Существенным недостатком данного способа является то, что измельчение и смешивание реализуются только за счет воздействия частиц измельчаемого материала друг на друга и в процессе соударения с поверхностью рабочей емкости, при этом возникающий уровень ударных и истирающих воздействий бывает недостаточен для интенсивного измельчения прочных материалов. Кроме этого скорость частиц измельчаемой массы практически одинакова на этапах свободного полета и соударения с поверхностью рабочей емкости, что значительно снижает уровень ударного воздействия. Влияние этих факторов приводит к существенному увеличению времени измельчения и ограничениям по предельным значениям тонины (дисперсности) получаемых измельченных материалов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение производительности процесса измельчения и смешивания, сокращение длительности цикла обработки и повышение уровня дисперсности (тонины помола) измельчаемого материала.

Технический результат достигается тем, что в способе смешивания и измельчения материалов, при котором мелющие тела и измельчаемый материала загружают во вращающуюся рабочую емкость, где они под действием центробежных сил формируют на внутренней поверхности рабочей емкости слой измельчаемого материала и мелющих тел и обрабатывают с помощью неподвижной или вращающейся лопатки, обработку проводят, по крайней мере, одной парой лопаток, при этом первой по направлению вращения рабочей емкости лопаткой из пары отделяют из слоя смеси измельчаемого материала и мелющих тел мелющие тела и формируют из них поток под углом γ₁ к касательной внутренней поверхности рабочей емкости, а измельчаемый материал пропускают чрез сквозные пазы и/или отверстия первой лопатки из пары, а второй лопаткой необходимой длины отделяют измельчаемый материал от внутренней поверхности рабочей емкости и формируют поток под углом γ₂ к касательной внутренней поверхности рабочей емкости измельчаемого материала, при этом направление движения потоков измельчаемого материала и мелющих тел задают углом поворота φ первой и второй лопаток друг относительно друга. Поток мелющих тел после его схода с лопатки направляют на слой измельчаемого материала, сформировавшийся на внутренней поверхности рабочей емкости после схода измельчаемого материала со второй лопатки пары. Поток измельчаемого материала и поток мелющих тел после их схода с лопаток направляют так, чтобы область пересечения потоков находилась внутри рабочей емкости. Для направления потока мелющих тел после его схода с первой лопатки на поток измельчаемого материала после его схода со второй лопатки изменяют угол φ взаимного расположения лопаток, и/или угол γ_1, и/или угол γ₂ поворота лопаток. Поток мелющих тел после схода его с первой лопатки направляют на поток измельчаемого материала, движущегося по второй лопатке пары.

Для направления потока мелющих тел после его схода с первой лопатки на поток измельчаемого материала, движущегося по второй лопатке, изменяют угол φ.

Измельчаемый материал, проходящий через сквозные пазы и/или отверстия лопатки, смещают вдоль оси рабочей емкости.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами:

на фиг. 1 показана схема движения измельчаемого материала и мелющих тел рабочей емкости;

на фиг. 2 изображен вид А на переднюю поверхность лопатки на фиг. 1;

на фиг. 3 показано поперечное сечение Б-Б лопатки на фиг. 2;

фиг. 4 - схема пересечения потоков внутри рабочей емкости;

фиг. 5 - схема смешивания потока в свободном полете.

Способ осуществляется следующим образом.

Во вращающуюся рабочую емкость 1, которая может быть выполнена в виде цилиндрической, конической или цилиндроконической чаши (фиг. 1), загружают измельчаемый материал 2 и мелющие тела 3. Во время загрузки измельчаемый материал 2 и мелющие тела 3 частично перемешиваются, формируя смесь 4 измельчаемого материала 2 и мелющих тел 3. Под действием центробежных сил смесь 4 измельчаемого материала 2 и мелющих тел 3 прижимается к внутренней поверхности рабочей емкости 1. За счет сил трения между внутренней поверхностью рабочей емкости 1 смесь 4 разгоняют до скорости вращения рабочей емкости 1.

При совместном вращении с рабочей емкостью 1 измельчаемый материал 2 и мелющие тела 3 в слое смеси 4 находятся под воздействием центробежных сил, величина которых зависит от частоты вращения рабочей емкости 1 и толщины слоя смеси 4 и может достигать величин, сопоставимых с механической прочностью измельчаемого материала 2. При этом слой смеси 4 уплотняется, а измельчаемый материал 2 частично разрушается под действием нормальных напряжений, создаваемых в слое смеси 4 центробежными силами. После этого из слоя смеси 4, находящегося на внутренней поверхности рабочей емкости 1, отделяют первой по направлению вращения рабочей емкости 1 лопаткой 5, которая имеет сквозные пазы 7 и (или) отверстия 8 (фиг. 2), мелющие тела 3. Так как ширина сквозных пазов 7 и (или) отверстий 8 меньше наименьшего размера мелющих тел 3, то они движутся по передней поверхности лопатки 5 и при сходе с лопатки 5 формируют поток мелющих тел 3.

При этом измельчаемый материал 2 проходит через сквозные пазы 7 и (или) отверстия 8 в лопатке 5 и падает на внутреннюю поверхность рабочей емкости 1. После чего измельчаемый материал 2 отделяют лопаткой 6 от внутренней поверхности рабочей емкости 1. Измельчаемый материал 2 движется по передней поверхности лопатки 6 и при сходе с лопатки 6 формирует поток измельчаемого материала 2.

Ориентируя (поворачивая) лопатки 5 и 6 друг относительно друга, изменяют область пересечения потоков мелющих тел 3 и измельчаемого материала 2 после их схода с лопаток 5 и 6. Изменение направления потоков мелющих тел 3 и измельчаемого материала 2 после их схода с лопаток соответственно 5 и 6 осуществляют, изменяя угол наклона лопатки γ₁ и γ₂ Угол наклона γ₁ лопатки 5 измеряют как угол между касательной, проведенной к передней поверхности лопатки 5 в точке В (фиг. 1) схода потока мелющих тел 3 и касательной к внутренней поверхности рабочей емкости 1 в точке Г (фиг. 1) ее пересечения с касательной к передней поверхности лопатки 5. Угол наклона γ₂ лопатки 6 измеряют как угол между касательной, проведенной к передней поверхности лопатки 6 в точке Е (фиг. 1) схода потока мелющих тел 3, и касательной к внутренней поверхности рабочей емкости 1 в точке Д (фиг. 1) ее пересечения с касательной к передней поверхности лопатки 6. Кроме этого изменять направление движения потоков измельчаемого материала 2 и мелющих тел 3 после их схода с лопаток 5 и 6 можно с помощью изменения угла φ между радиус-векторами, проведенными из центра вращения рабочей емкости 1 в точки Г и Д пересечения касательных к передней поверхности лопаток 5 и 6, проведенных в точке схода потоков измельчаемого материала 2 и мелющих тел 3 к внутренней поверхности рабочей емкости 1 их пересечения с касательными к передней поверхности лопаток 5 и 6. Кроме этого, изменяя длину передней поверхности лопатки 6 вдоль направления движения потока измельчаемого материала 2, можно сформировать пересечение потоков измельчаемого материала 2 и мелющих тел 3 на поверхности лопатки 6 (фиг. 5).

С целью получения различной степени измельчения возможны следующие варианты: поток мелющих тел 3 после его схода с лопатки 5 направляют на сформировавшийся, на внутренней поверхности рабочей емкости слой измельчаемого материала 2 после его схода с лопатки 6 (фиг. 1); поток измельчаемого материала 2 и поток мелющих тел 3 после их схода с лопаток 5 и 6 направляют так, чтобы область пересечения потоков находилась внутри рабочей емкости (фиг. 4); поток мелющих тел 3 направляют на поток измельчаемого материала 2, движущийся по лопатке 6 (фиг. 5).

Реализация приведенных выше вариантов взаимодействия потоков мелющих тел 3 и измельчаемого материала 2 может выполняться как при фиксированном угле φ относительного положения лопаток 5 и 6, так и при его непрерывном или периодическом изменении в сторону уменьшения или увеличения угла φ.

Кроме этого обработка материалов может проводиться как при фиксированном угле ^γ ₁ направления движения мелющих тел 3, так и при его периодическом или непрерывном изменении в сторону уменьшения или увеличения. Обработка материалов может проводиться как при фиксированном угле γ₂ направления движения мелющих тел 3, так и при его периодическом или непрерывном изменении в сторону уменьшения или увеличения.

Реализация третьего варианта обработки, приведенного на (фиг. 5), может осуществляться не только за счет изменения угла φ или γ₁, но также и за счет изменения длины в направлении потока лопатки 6.

Измельчаемый материал 2 при ударном воздействии потока мелющих тел 3 интенсивно измельчается в условиях сжатия центробежными силами. Кроме этого при разделении слоя смеси 4 на мелющие тела 3 и измельчаемый материал 2 происходит интенсивное перемешивание измельчаемого материала 2, в случае если он состоит из нескольких (двух и более ингредиентов). Для повышения интенсивности перемешивания измельчаемого материала 2 и уменьшения явления переизмельчения с помощью сквозных пазов 7, или отверстий 8, или других конструктивных элементов на лопатке 5 измельчаемый материал 2, проходящий через сквозные пазы 7 или отверстия 8, смещается вдоль оси вращения рабочей емкости 1, например, за счет наклона боковых стенок 9 сквозных пазов 7 или отверстий 8 (фиг. 3). Кроме этого смещение измельчаемого материала 2 вдоль оси рабочей емкости 1 позволяет выводить материал из зоны интенсивной обработки и перемещать его в зону выгрузки. Обработка материала может проводиться во вращающейся рабочей емкости 1 неподвижными или вращающимися лопатками 5 и 6. Направление вращения лопаток 5 и 6 может совпадать с направлением вращения рабочей емкости 1, или же рабочая емкость 1 и лопатки 5 и 6 могут вращаться в разных направлениях. Выбор направления и скорости вращения лопаток 5 и 6 зависит от свойств измельчаемого материала 2. Для повышения интенсивности измельчения и смешивания обработку материала внутри рабочей емкости 1 можно проводить двумя или более парами лопаток 5 и 6, распределенными как по окружности рабочей емкости 1, так и вдоль ее оси. Принцип работы каждой из этих лопаток аналогичен принципу работы лопаток 5 и 6, описанному выше.

Данный способ смешивания и измельчения материалов позволяет проводить обработку измельчаемого материала 2 при высоком уровне сжимающих напряжений, возникающих в слое смеси 4 и слое измельчаемого материала 2 под действием центробежных сил. Кроме этого регулирование частоты вращения рабочей емкости 1, частоты и направления вращения лопаток 5 и 6, а также их взаимного расположения друг относительно друга позволяет регулировать уровень ударного воздействия мелющих тел 3 на слой измельчаемого материала 2. Это позволяет измельчать материал с различными физико-механическими свойствами, резко уменьшая уровень переизмельчения за счет подбора режимов обработки.

Сокращение времени обработки измельчения и смешивания при использовании данного способа происходит за счет повышения интенсивности ударного воздействия на измельчаемый материал 2, находящийся в сжатом состоянии, а также за счет многократного повторения единичных циклов обработки, вывода измельчаемого материала 2 из зоны интенсивного воздействия и дополнительного истирающего воздействия на измельчаемый материал 2 при его совместном движении с мелющими телами 3 по лопатке 5 и 6.

Экспериментальные исследования показали снижение шума в процессе измельчения и смешивания по сравнению с традиционными мельницами, а также значительное снижение износа внутренней поверхности рабочей емкости 1.