Измельчение методом свободного удара

Обычно при механическом диспергировании обрабатываемый материал подвергается действию сжимающих сил с двух сторон (статическое раздавливание-истирание) или с одной стороны (свободный удар). Первый способ измельчения реализуется, например, в щековых, конусных и валковых дробилках, шаровых, молотковых и вибрационных мельницах, второй способ характерен для дезинтеграторов, струйных мельниц и ударно-отражательных дробилок. Но в любом случае кинетической энергии действующих мелющих тел должно быть достаточно для создания таких напряжений, которые по достижению предельных значений приведут к разрыву целого куска с образованием более мелких фрагментов. Расход энергии, необходимой для создания критических напряжений, может существенно различаться, в зависимости как от физикомеханических свойств самого измельчаемого материала, так и от способа приложения разрушающих сил. Одной из особенностей измельчения свободным ударом является тот факт, что разрушение материала происходит по наиболее слабым связям, дефектам структуры в местах соединения кристаллов, зерен, слоев и т.д.

В последнее время наблюдается тенденция исключения шаровых и молотковых мельниц классической конструкции из технологических линий тонкого помола. И напротив, доля агрегатов измельчения, работающих на принципе помола материала посредством динамического удара (струйные мельницы, дисмембраторы, дезинтеграторы), постоянно растет [9].

За счет изменения способа измельчения с раздавливания-истирания на свободный удар для получения тонкомолотого материала равной технологической ценности энергии затрачивается в два с лишним раза меньше. Разрушение (измельчение) материала методом свободного удара заключается в воздействии на обрабатываемый материал механических ударных элементов (бил), движущихся с высокой окружной скоростью. Для материала, измельченного по методу свободного удара, характерна осколочная форма частиц, большое количество сколов, трещин и других положительных дефектов, обеспечивающих условия, когда дезинтегрированные смеси с образовавшейся новой высокоразвитой контактной поверхностью легче вступают в твердофазные реакции с другими материалами [10].

Нерудное минеральное сырье, обычно используемое в производстве порошков твердых тел, характеризуется прочностью на сжатие, в 6-12 раз превосходящей прочность на растяжение, поэтому для его диспергирования целесообразно использовать быстрый удар, а не медленное сжатие.

Агрегаты измельчения, работающие по принципу динамического удара, отличают небольшой вес и габаритные размеры, относительно малая мощность и высокая производительность.

Эффективным типом агрегатов тонкого помола являются дезинтеграторы и дисмембраторы [9]. Современные быстроходные дезинтеграторы являются высокоэффективными измельчительными агрегатами, способными решать комплекс задач по диспергированию минерального сырья от сверхмелкого дробления до тонкого помола материалов различного состава, влажности, прочности и т.д. [8, 11]. Несмотря на целый ряд достоинств, таких как возможность переработки сырья естественной влажности, отличное качество перемешивания, увеличение реологической активности частиц обрабатываемых материалов, высокая производительность и низкий расход энергии, дезинтеграторам присущи и определенные недостатки, сдерживающие их более широкое использование в технологиях, основанных на применении высокодисперсных продуктов. Одной из особенностей эксплуатации дезинтеграторов на сырье средней твердости является относительно быстрый износ помольных органов - стержней или пальцев-бил.

Коэффициент полезного действия дезинтегратора, как, впрочем, и любого другого измельчительного агрегата, тем выше, чем быстрее из зоны нагружения выводится продукт измельчения. Даже незначительная задержка материала в помольной камере вызывает нецелевое распределение подведенной энергии, а соответственно и ее перерасход. Увеличение приемов измельчения целесообразно только в том случае, когда обеспечивается пропорциональное повышение плотности энергии в рабочем пространстве помольной камеры, если данное условие не выполняется, снижение эффективности измельчения и ускоренный износ помольных органов неизбежны.

Уменьшение рядности ударных элементов при обеспечении оптимальной энергетики воздействия является естественным путем совершенствования быстроходных дезинтеграторов, повышения их размольной мощности и ресурсов.

На дезинтеграторах предприятия «ТЕХПРИБОР» используется комплект однорядных корзин. Изменение конфигурации помольных органов также позволило улучшить условия их контакта с частицами обрабатываемого материала. Так как сама конструкция дезинтегратора должна обеспечивать индивидуальную обработку каждой отдельной частицы, результат ее соударения с мелющим телом представляет большой практический интерес. Оптимизация угла встречи частицы с ударным элементом позволяет существенно увеличить ресурс последнего, повысив общую размольную мощность дезинтегратора.

Принцип измельчения материалов в измельчителе-дезинтеграторе серии «Поток-М» - высокоскоростной динамический удар, в результате которого обрабатываемый материал подвергается механическому разгону и измельчению размольными органами. Такой эффективный способ тонкого помола материалов позволяет снизить мощность оборудования, увеличить производительность, достигнуть высокого качества и однородности помола, существенно снизив засорение готового продукта металлом. На измельчителе-дезинтеграторе можно измельчать как вяжущие, так и инертные материалы, увеличивая при этом их реакционную способность в 1,5-2,0 раза [12].

Интенсификация механического диспергирования возможна только за счет увеличения работы мелющих тел, масса которых серьезно не меняется в течение всего процесса. Данное условие отчасти реализуется в вибрационных, планетарных и центробежноэллиптических шаровых мельницах, используемых для тонкого помола минерального сырья. Принцип действия этих машин основан на интенсивном побуждении мелющих тел, когда взамен сил гравитации используются инерция и центробежные силы.

В мельницах ударного действия разрушение частиц материала происходит вследствие ударных нагрузок. Эти нагрузки могут возникнуть в самых разнообразных условиях и обстоятельствах. Например, при падении мелющих тел, столкновении летящей частицы с неподвижной преградой или, напротив, столкновении мелющих тел с неподвижной или движущейся частицей; также возможны и взаимные соударения частиц в полете.

В ударно-отражательных дробилках материал после столкновения с преградой практически сразу выводится из агрегата, а в центробежных мельницах часть материала отправляется на дополнительное измельчение. Ударно-отражательные дробилки, выпуск которых налажен такими известными производителями измельчительного оборудования, как «BHS sonthofen», «Barmak Associates», «Sandvic», «Krupp», позволяют получать продукт высокого качества с меньшими затратами.

Высокоэффективной является ударно-шаровая мельница «ТРИБОКИНЕТИКА». Реализуемый ею способ измельчения открывает совершенно новые возможности диспергирования твердых тел. Удачно сочетая преимущества «классических» шаровых и быстроходных центробежных мельниц, «ТРИБОКИНЕТИКА» демонстрирует наибольшую в классе степень измельчения, техническую надежность, возможность проведения полного спектра механохимических реакций и превращений. Ее основным отличием является высокая эффективность на всех стадиях измельчения от мелкого дробления до сверхтонкого помола. На всех стадиях помола ударная составляющая не замещается истиранием, а, значит, не теряет своей эффективности, изменяются только виды удара. Так, при грубом помоле преобладающим является свободный удар, когда материал разрушается по слабым спаям и дефектам. По мере уменьшения размеров частиц их дальнейшее разрушение происходит в местах сосредоточения наибольших нагрузок, то есть в результате стесненного удара. С учетом наибольшей крупности питания степень измельчения в ударно-шаровой мельнице достигает 1000 и выше. «ТРИБОКИНЕТИКА» - это не только большая размольная мощность, но и высокая экономичность. Значительная часть подведенной энергии расходуется именно на разрушение относительно крупных частиц, а не на повторное измельчение мелких [13].

Техника нового класса с общим названием «электромассклас-сификатор» основана на явлении генерации вращающимися турбулентными газовыми потоками плотных аэрозолей заряженных частиц -газопылевой плазмы и ее спонтанного разделения во внешних полях.

Электромассклассификатор предназначен для измельчения, активации, дезагрегации и гомогенизации сырья и материалов. Измельчение производится в электростатическом поле трибоэлектричества, образуемого за счет трения частиц обрабатываемого материала.

Сущность данного способа измельчения материала заключается в следующем. Известно, что разрушение частиц материала сопровождается образованием на их поверхности электростатических зарядов противоположных знаков, приводящих к их слипанию и налипанию на мелющие тела. В то же время деформация материала и их трение друг о друга сопровождаются эмиссией электронов с поверхности материала. В результате этих двух явлений в материале в случае его электроизоляции (и только в этом случае) образуется интегральный объемный электростатический заряд. Формирование последнего в электроизоли-рованном материале и его поддержание в процессе измельчения исключает слипание частиц измельчаемого материала и их налипание на мелющие тела и ведет к ослаблению в нем химических связей. В этих условиях возможен переход к сверхкритическим скоростям измельчения материала, когда основным разрушающим фактором являются сдвиговые деформации, приводящие к срезу, скалыванию и истиранию.

При переработке в электромассклассификаторах в результате ударно-истирающего действия происходят измельчение (до размеров частиц 0,1-500 мкм) и структурные изменения сырья. Разделение материалов в них осуществляется по параметру отношения заряда к массе частицы в собственных квазистационарных электрических полях, возникающих под действием вихрей. Механическая переработка сырья в электромассклассификаторе, как было уже сказано выше, происходит в режиме трибоэлектрического образования газопылевой «плазмы». Предложена деформационная модель, которая объясняет протекающие при этом химические и высокоэнергетические процессы [14].

Деформационная модель исходит из квазидиабатического накопления энергии на твердой поверхности при ударе большой интенсивности за очень короткое время и в очень малом пространстве. Причиной накопления энергии является ограниченная скорость распространения возмущения в реальной системе, не являющейся непрерывной. В соответствии с этой моделью наивысшие возбужденные состояния, называемые трибоплазмой, возникают сразу в процессе удара. Они характеризуются наиболее сильно нарушенной кристаллической структурой и наличием нестационарных высоковозбужденных фрагментов кристалла и окружающей реакционной сферы в виде компонентов решетки, ионов, электронов и т.д. В этой фазе развиваются очень высокие локальные температуры (более 10⁴ К).

Трибоплазма возникает на столь короткое время, что распределение Максвелла-Больцмана по энергиям не успевает установиться. Поэтому не имеет смысла говорить о равновесных температурах, и химический процесс, протекающий в возбужденной фазе, нельзя описать законами равновесной термодинамики. На этой стадии осуществляется множество физических процессов, таких как рекомбинация компонентов плазмы, распространение дислокации, растрескивание, эмиссия фотонов и электронов, распространение фотонов. Все эти процессы весьма важны для инициирования химических реакций. В общей совокупности диссипативных процессов возникают также области локального разогрева, которые представляют собой один из вариантов возбужденного состояния.

В планетарной шаровой мельнице «Активатор-28Ь» реализован ударно-сдвиговой режим измельчения. На ней можно получать порошки с размером частиц до нескольких нанометров. При высокоинтенсивной нагрузке в мельнице могут проходить механохимические реакции, скоростной высокотемпературный синтез и механическое сплавление. Обработка (активация) материалов в данном аппарате может снизить температуру дальнейшей реакции и увеличить глубину прохождения. Корундовые и твердосплавные барабаны позволяют избежать натирания железа.

Планетарная шаровая мельница «Pulverisette-б» фирмы «Fritsch» предназначена для быстрого сухого и влажного измельчения неорганических образцов и механического сплавления. В результате сухого измельчения в зависимости от материала размер частиц может быть меньше 20 мкм.

Разрушение минералов в мельницах повышенной энергонапряженности сопровождаются многогранными структурно-химическими преобразованиями - изменяются длины и углы межатомных связей, электронная структура и химический состав веществ. Возникают точечные дефекты, дислокации, деформации и искажения решетки, в результате чего происходит разрыв связей между фрагментами структуры и их распад, завершающийся переходом части вещества в рентгеноаморфное высокореакционное состояние (табл. 1). С позиций технологической минералогии наиболее информативными характеристиками внутренних дефектов являются размеры микрокристаллитов (блоков когерентного рассеяния) и величины микроискажений, рассчитываемые на основе рентгенографических данных.

Таблица 1

Стадии механического активирования минералов______

Процессы дефектообразования в минералах разделяются на поверхностные и объемные. Технически более легко осуществляется трибоактивация поверхностных слоев, что имеет важное значение для управления флотационными, магнитными, электрическими и некоторыми другими методами обогащения.

Наиболее общим свойством трибообработки поверхности является повышение гидратированности, что часто приводит к снижению флотационной активности. Но эта тенденция не носит общего характера и зависит от кристаллохимического строения минералов и среды трибообработки. Например, трибообработка микроклина в воде приводит к повышению его флотируемости катионными реагентами за счет образования катионных вакансий при переходе поверхностных катионов в водную среду. При сухом измельчении наступает деформация решетки с разрывом кислородных связей в тетраэдрах, последующей гидратацией и потерей флотоактивности.

Вследствие структурных превращений изменяются растворимость, смачиваемость, адсорбционная способность, магнитная восприимчивость, электропроводность, температуры диссоциации, спекания, плавления и другие характеристики, на которых основаны многие методы обогащения и переработки нерудного сырья. Ниже приводятся примеры активационного измельчения нерудного сырья.

Значительный интерес представляет механоактивация слоистых силикатов. По данным ИК-спектроскопии, сухое активирование приводит к разрыву связей Si-O-Al^VI и нарушениям, главным образом в октаэдрических слоях, а тетраэдрические слои остаются неизменными, то есть идет процесс селективного преобразования структуры. При водной механообработке разрушение структуры каолинита проходит по межслоевому пространству.

После 1 мин. центробежного измельчения в воздушной среде уровень структурных нарушений выше, чем после 1 ч обработки в водной среде. Это положение хорошо согласуется с данными по растворению каолинита. Так, если в 20 % H₂SO₄ из исходной пробы переходит 3 % А1₂О₃, то после 120 мин. водного диспергирования эта величина увеличивается до 60 %, а сухой помол в течение 5 мин. повышает извлечение до 80 %.

Принципиально важное влияние оказывает селективное разрушение структуры на фазовые превращения при термических воздействиях. После измельчения минерала и нагрева до 1000 °С образуются муллит ЗА1₂Оз-8іО₂ и рентгеноаморфный диоксид кремния. Кремний, входящий в состав муллита, почти не извлекается в щелочную среду при химическом обогащении.

Иной вид термических превращений имеет каолинит, помол которого проводится в водной среде с сохранением слоев структуры. В составе фаз, образующихся при температуре до 1000 °С, муллит не устанавливается, что позволяет интенсифицировать термическое обогащение каолинитсодержащего сырья, повышая степень обескремнивания до 10 % и более.

Обработка каолинитовых и бентонитовых глин различного кристаллохимического строения в мельнице «АГО-2» с варьированием времени активации от 60 до 120 с в атмосфере воздуха при соотношении массы глины и мелющих тел 2:1 позволяет получить глины с улучшенными свойствами марок КСЗ(А), КМЗ(А), БМ2Т2(А) и БП1Т(А). Применение механо- и механохимически активированных глин в составах формовочных смесей для чугунного литья обеспечивает повышение их прочности на 15-25 % в зависимости от свойств зернового наполнителя.

Механоактивация природных фосфатов (в первую очередь апатита) является известным способом повышения величины и скорости растворения минералов в слабых кислотах с целью улучшения их характеристик как минеральных удобрений, вносимых непосредственно в почвы без предварительной химической обработки. Потенциально в лабораторных условиях представляется возможным перевести в легкорастворимые формы до 80-90 % фосфатного вещества. Это сопряжено с необходимостью превращения основной массы вещества в структурно-дефектное состояние, достигаемое длительной активацией при значительных энергозатратах, поэтому данный процесс не нашел широкого применения.

Установлена возможность существенного увеличения растворимости фосфатов на основе введения в систему катионобменников - природных цеолитов на примере клиноптилолита и использования «мягкой» (2-5 мин.) механоактивации. Цеолиты являются каркасными алюмосиликатами, в структуре которых имеются сообщающиеся между собой полости, занятые катионами различных щелочных и щелочно-земельных элементов и молекулами воды, благодаря чему происходит ионный обмен и обратимая дегидратация. Они проявляют активность ко многим элементам, в том числе к катионам Са²⁺, на чем основана возможность их использования с целью повышения растворимости природных фосфоритов и апатитов. При ионообменном взаимодействии в системе цеолит-фосфат ионы Са²⁺ фосфата поглощаются цеолитом и, как следствие этого, растворимость минерала увеличивается.

Активационное измельчение кварцевого песка позволяет значительно повысить его структурообразующую роль. На месте выхода дислокаций на поверхности кристаллов кварцевого песка идет закрепление зародышей новообразований продуктов гидратации цемента за счет увеличения рабочей поверхности в 2-3 раза. При этом повышается химическая активность песка при нормальных условиях.

Механоактивация графита различного кристаллохимического строения для огнеупорных изделий и красок в литейном производстве позволяет снизить расход жидкого стекла в тигельных массах на 25 %, а температуру обжига тиглей - на 100-200 °С.

Активационное измельчение флюсующих добавок значительно увеличивает удельную поверхность компонентов и вместе с тем - количество контактов реагирующих материалов, при этом увеличивается и степень спекания материалов. Так, проведение механоактивации систем глина-флюс-отощитель и глина-флюс в течение 30-150 с методом помола в вибрационной мельнице увеличивает прочностные характеристики обожженных образцов: прочность при сжатии увеличивается с 20,7 до 32,1 МПа, прочность при изгибе - с 7,3 до 11 МПа.

Механохимический синтез огнестойких заполнителей проведен в планетарных мельницах периодического действия и проточного типа (АГО-2, АГО-3). Кратковременная активация смесей огнеупорной глины и глинозема существенно ускоряет синтез муллита по сравнению с неактивированной смесью.

Применение операции механоактивации при производстве огнеупоров позволяет улучшить качество шихты и соответственно свойства готовой продукции. Соотношение загружаемых в шаровую мельницу компонентов (корунд, раствор Н₃РО₄, мелющие тела) равнялось 0,75:0,25:1,5 соответственно. Помол вели в течение 25 ч до остатка на сите 0063 до 1,5 %. Механическое инициирование химических реакций между компонентами происходит за счет определенного содержания фракции компонентов менее 0,06 мм.

Для регулирования технологических свойств глинистого сырья эффективно проводить механическую активацию в агрегатах с очень высокой энергонапряженностью (100-250 кВт/т), например, в атри-торах, струйных и планетарных мельницах, установках «Novotor» (Германия). Легкоплавкое глинистое сырье в результате механоакги-вационного воздействия переходит из группы неспекающегося в группу среднеспекающегося, возрастает число его пластичности на 25^4-0 %, снижается показатель огнеупорности на 50-120 °С, полностью исключается вредное влияние карбонатных включений, уменьшается температура обжига керамики на 60-90 °С, прочностные характеристики увеличиваются в 1,3-2,2 раза [15, 16]. Экономическая целесообразность технологии с использованием активации природного глинистого сырья определяется повышением качества продукции и экономией материальных и энергетических ресурсов при переходе на выпуск пустотелых и эффективных стеновых керамических изделий.