Тонкое измельчение сырьевых материалов называется помолом

ЛЕКЦИЯ №3

ТЕМА:ПОДГОТОВКА СЫРЬЯ К ПРОИЗВОДСТВУ

ПЛАН

1.Стадии подготовки сырьевых материалов.

 

1.СТАДИИ ПОДГОТОВКИ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Повышение качества изделий, сокращение продолжительности технологического цикла и уменьшение производственных затрат возможно при использовании кондиционных сырьевых материалов, которые в результате специальной обработки повышают свою реакционную способность. Этот общий для всех технологий передел является подготовительным.

На этой стадии технологии важно полнее раскрыть и по возможности увеличить потенциальную энергию сырья с тем, чтобы на последующих этапах (перемешивание, формование и т. п.) свободная внутренняя и поверхностная энергии перешли в другие ее формы, способствуя процессам формирования новообразований и фаз, отличных от исходных сырьевых, а также структуры готового материала (изделия).

Технологическая стадия подготовки сырья обычно начинается на складах предприятия по производству требуемой продукции и заканчивается после поступления компонентов в расходные бункера, бассейны и другие устройства дозаторного отделения смесительного узла. Однако часто эта стадия начинается уже на заводах - поставщиках исходных материалов. Так, например, в карьерах могут производиться дробление щебня до требуемых размеров, фракционирование, удаление пылеватых и глинистых частиц. Целесообразность осуществления подготовительных операций на заводе-поставщике или на заводе-потребителе определяется соответствующими экономическими соображениями и возможностью создания безотходных технологий.

В зависимости от разновидности сырья подготовительные операции заключаются в

· измельчении, помоле, распушке и других способах перевода сырья в тонкодисперсное состояние;

· фракционировании, просеве, промывке и других методах удаления вредных примесей и очищения поверхности; увлажнении или обезвоживании (сушке) сырья;

· нагревании, обжиге и охлаждении сырья перед употреблением в смесях;

· повышении однородности сырья по массе, прочности и другим качественным показателям, что нередко совмещается с физико-химической обработкой с целью дополнительного повышения активности поверхности частиц или изменения их полярности, поверхностного натяжения и т. п.

Очень важным и ответственным этапом на подготовительной стадии является повышение реакционной способности компонентов, что достигается переводом их по возможности в наиболее термодинамически неустойчивое состояние. Находясь в таком нестабильном состоянии, компоненты приобретают повышенную реакционную способность, реализующуюся в последующих технологических переделах. В основе технологических приемов, повышающих реакционную способность, лежат механохимические процессы, которые проявляются в изменении химического и фазового составов поверхности твердых тел при различных механических воздействиях. В нестабильное термодинамически неустойчивое состояние вещество может переводиться механическим (тонкое измельчение), термическим (обжиг) или химическим (осаждение из растворов веществ, находящихся в активном состоянии) путем.

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ И ПОМОЛ -наиболее распространенные подготовительные операции. Уменьшение размеров частиц грубозернистых сырьевых материалов вызывается необходимостью: обеспечить определенное соответствие между размерами частиц смеси и конструктивными элементами изделий; облегчить технологические операции на стадиях приготовления смеси; повысить плотность и однородность дробленого материала; увеличить удельную поверхность порошкообразного вещества. Быстро увеличивающаяся с измельчением поверхность обладает особым запасом поверхностной энергии, которая в дальнейшем расходуется при смешении нескольких компонентов в общую смесь, при формировании изделий из смеси с протеканием реакций по поверхностям раздела.

Рациональный предел тонкости помола устанавливают опытным путем. Он может быть повышен применением при помоле поверхностно-активных веществ, оказывающих расклинивающее действие в микротрещинах и микродефектах и облегчающих помол или способных создавать на поверхности пленки, экранировать частицы и предотвращать их агрегирование. Кроме того, при высокой дисперсности помола имеется опасность потери активности порошкообразного материала в период его хранения в связи с поглощением посторонних веществ (пыли, влаги, газов и др.) из окружающей среды. Приходится учитывать и то, что с увеличением степени измельчения значительно возрастают механическая работа и расход энергии на измельчение.

Операцию измельчения нередко совмещают с разделением продукта помола по крупности частиц просеиванием, что называют фракционированием сырья.

Нередко исходные сырьевые материалыподвергают обогащению, т. е. повышению однородности по прочности, плотности и т. п. В основе методов обогащения лежат явления гравитации, а также используется разность в некоторых свойствах, например плотности (при флотации), и др.

Весьма важная роль в подготовительный период отводится тепловому воздействию на сырьевой материал, чтобы удалить избыточную влагу, нагреть до необходимой температуры или даже подвергнуть кратковременному обжигу с целью, например, частичной или полной его дегидратации, аморфизации, укрупнения частиц для понижения пластичности (например, глины).

На стадии подготовительных работ производят нередко также физико-химическую или химическую обработку сырьевых материалов. Она повышает активность подготавливаемых компонентов смеси, облегчает и ускоряет основную технологическую операцию, благоприятствует получению более плотного и прочного материала. Такая обработка заключается обычно в добавлении в смесь специальных веществ, выполняющих различные или комплексные функции - уплотняющие, минерализующие, порообразующие, гидрофобизирующие, коагулирующие и др. Она может быть совмещена с измельчением вещества или производится при смешивании.

Задачи, предусмотренные подготовительной стадией, могут решаться одновременно. Так, при помоле сырья происходит одновременно повышение его однородности и реакционной способности, а также придается наиболее удобный вид для дальнейшей переработки. Последней операцией подготовительного периода является дозирование компонентов, от точности которого зависит качество получаемой смеси и готового материала. Точность дозирования современных дозаторов, составляющая ±(1...2) %, является часто недостаточной. Для повышения точности дозирования добавок, вводимых в смеси в незначительных количествах, их разбавляют водой или другим растворителем и дозируют уже раствор, эмульсию или суспензию, в результате чего достигается требуемая точность дозирования.

ДРОБЛЕНИЕ

Дробление- это процесс механического измельче­ния твердых тел (со степенью измельчения от 2 до 50).

Степенью измельчения называют отношение диаметра Dисходных кусков, поступающих на дробление, к диаметру dнаиболее крупных кусков, прошедших дробление, т.е. i=D/d. С увеличением степени измельчения возрастают работа и расход энергии на измельчение.

Используемое для дробления оборудование по спо­собу измельчения материалов разделяют на:

· раздавли­вающее с периодическим нажатием дробящих поверхно­стей - дробилки щековые и конусные;

· раздавливающее с непрерывным нажатием дробящих поверхностей - дро­билки валковые;

· ударного действия - дробилки молот­ковые и ударные.

 

Большие объемы перерабатываемого сырья обуслов­ливают необходимость установки мощного дробильного оборудования. Эффективность его работы характеризует­ся степенью измельчения материалов. Наибольшая сте­пень измельчения в дробилках ударного действия 10-20. Однако существующие конструкции дробилок не обеспечивают необходимой степени измельчения твер­дого кускового материала при однократном прохождении его через дробилку, поэтому применяют двух- или трех­ступенчатые схемы дробления. Выбор конкретной схемы дробления и типа дробильного оборудования производят с учетом свойств исходного сырья, добиваясь макси­мального выхода качественного дробленого материала.

Щековые дробилкимогут быть с простым и сложным движением щеки. В первой материал раз­давливается между неподвижной и подвижной щекой в результате периодического нажатия последней. В дробилках со сложным движением щеки раздавливание сочетается с истиранием материала. Щековые дробилки со степенью измельчения 5-6, раз­мером загрузочных отверстий 900*1200, 1200*1500, 1500*2100 мм и соответственно производительностью 180, 280 и 500 т/ч перерабатывают куски размером до 700-1200 мм. Щековые дробилки со сложным движени­ем щеки используют на второй стадии дробления. Они выдают более мелкий продукт, но имеют меньшую производительность (5-200 т/ч). Преимущество щеко­вых дробилок-простота, надежность, возможность переработки влажных материалов.

 

Рисунок 3.1 – Схема щековых дробилок:А – с простым качанием щеки; б – со сложным качанием щеки; в – с нижней подвеской щеки; г – с гидравлическим приводом.

Конусные дробилки со степенью измельче­ния 3-5 применяют на цементных заводах для круп­ного, среднего и мелкого дробления. Они измельчают материал раздавливанием за счет излома между двумя усеченными конусами. Внешний конус неподвижен, а внутренний вращается эксцентрично по отношению к внешнему. Конусные дробилки отличаются от щековых непрерывностью процесса дробления и, следовательно, большей производительностью (до 2400 т/ч). При крупном дроблении, принимая куски размером до 1500 мм, одна конусная дробилка заменяет 2-3 щековые. Для среднего дробления используют конусные дробилки-нормальноконусные и среднеконусные, для мелкого дробления-короткоконусные. Пока в цемент­ной промышленности конусные дробилки используют недостаточно широко из-за высоких капитальных за­трат, сложности устройства, трудностей эксплуатации и ремонта.

Рисунок 3.2 – Схема работы конусной дробилки

Валковые дробилкираздавливают и истирают не­пластичные материалы вращающимися навстречу один другому валками. Применяются одновалковые и двух­валковые дробилки. Последние выпускают двух видов: тихоходные и быстроходные. Тихоходные двухвалковые используют для дробления горных пород большой твер­дости, а быстроходные-более мягких пород. В зави­симости от свойств материала, подвергаемого дроблению, валки делают гладкими, рифлеными или зубчатами.

 

 

 

 

Рисунок 3.3 – Схема валковой дробилки: 1 – бункер; 2 – пружина; 3,5 – валки; 4 – прокладки для регуляции ширины щели между валками.

Дробилки ударного действия нашли преимуществен­ное применение на второй и третьей стадиях измельче­ния. В них материалы измельчаются при ударе о быстровращающиеся рабочие органы (била, молотки) и отражающие элементы (футеровку, колос­никовые решетки). Ударные дробилки подразделяют на молотковыеи роторные. В молотковых материал разрушается ударным воздействием на него молотков и отбойных плит, а также раздавливается и крошится вращающимися молотками при нахождении его на ко­лосниковой решетке. В роторных дробилках измельче­ние происходит только под ударами жестко закрепленных коротких бил и при ударе об отражательные плиты.

 

Рисунок 3.4 -Схемы однороторных (а-в) и двухроторных (г, д) молотковых дробилок

Перспективно применение мощных двухроторных дробилок ударно-отражательного действия, имеющих минимальное количество изнашивающихся частей и меньший расход энергии. Они принимают ка­мень размером до 1000 мм и измельчают его до 20 мм (степень измельчения 40-50). В последние годы удар­ные дробилки были значительно усовершенствованы, повышены их производительность и предельный раз­мер перерабатываемого камня. Они отличаются высо­кой степенью измельчения, меньшим расходом электро­энергии, небольшой массой и габаритами, простотой конструкции и обслуживания. Их недостаток-быст­рый износ рабочих поверхностей при измельчении проч­ных абразивных пород.

Эффективность работы дробильных агрегатов повы­шается при многоступенчатом дроблении с применени­ем классификаторов (виброгрохотов). Предварительноегрохочение позволяет отделить материал, который может быть направлен сразу на следующую стадию дробления. В результате на второй и третьей стадии дробления используют агрегаты меньшей производи­тельности, что снижает расход энергии и повышает однородность дробленого продукта. Чем меньше раз­меры зерен материала и больше его однородность, тем лучше показатели работы дробилок. Однако установка виброгрохотов усложняет схему и снижает коэффици­ент использования оборудования.

Как правило, дробление сырья производят в стационарных установках на заводе. Однако в последнее время стали шире применять передвижные дробильные установки. Совершенствование конструкции шасси и ходовой части позволило использовать в передвижных дробильных установках крупное технологическое обо­рудование с широким диапазоном размеров приемных отверстий дробилок, обеспечивающее переработку по­род, добываемых в карьере взрывным способом. Такие агрегаты устанавливают непосредственно в забое карь­ера, благодаря чему устраняется необходимость в крупных транспортных средствах для перевозки поро­ды. При проведении взрывов агрегат первичного дроб­ления из забоя удаляют. Плотные породы на первич­ном агрегате перерабатывают в щековых дробилках. Материал подают конвейером, пластинчатым или ви­брационным питателем. Длинный пластинчатый питатель является передвижным агрегатом и позволяет про­водить загрузку самосвалом или погрузчиком на уровне земли. Короткий пластинчатый питатель устанавливают на агрегате первичного дробления. Для его загрузки используют экскаватор.

МЕЛЬНИЦЫ

 

Тонкое измельчение сырьевых материалов называется помолом.

Комплекс оборудования, участвующего в этой операции, объединяется в помольный цех завода. Этим оборудованием являются в первую очередь мельницы и механизмы, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу мельниц:

· расходные бункера для создания некоторого запаса материала перед мельницей на случай нарушения подачи материалов в помольный цех;

· питатели, обеспечивающие равномерное питание мельницы исходными материалами;

· аспирационная установка с пылеочистительными аппаратад<и, способствующая повышению производительности мельницы;

· сепараторы (классификаторы), устанавливаемые при мельницах, работающих в закрытом цикле, и служащие для отделения недоизмельчениых зерен, подвергаемых затем вторичному размолу;

· транспортирующие механизмы, подающие материал в расходные бункера, измельченный продукт от мельниц в сепараторы или на склад;

· приборы автоматического регулирования процессом помола;

· вентиляционные устройства санитарно-технического назначения, аналогичные применяемым в дробильных установках.

Основным же технологическим агрегатом помольного цеха является мельница.

Помол сырьевых материалов осуществляют в сухом состоянии или в присутствии воды. В последнем случае улучшаются условия измельчения материалов, так как вода размягчает материал, понижая его прочность.

Помол сырьевых материалов может осуществляться в мельницах, работающих по открытому или замкнутому циклам.

Помол сырьевых материалов должен быть более тонким ( остаток на сите № 008 не более 3 - 5 %), чем при получении обычного портландцемента, а сырьевая смесь - возможно более однородной, с тем чтобы пределы колебания химического состава амама, поступающего в печь, были незначительными.

Помол сырьевых материалов может осуществляться в мельницах, работающих по открытому или замкнутому циклам.

Помол сырьевых материалов осуществляют в мельницах различных конструкций и типоразмеров. В зависимости от измельчающей среды различают несколько типов мельниц.

КАСКАДНЫЕ МЕЛЬНИЦЫ САМОИЗМЕЛЬЧЕНИЯ Материалов (рис. 3.5) применяют как для сухого помола материалов в две стадии, так и для мокрого помола сырьевых материалов. Каскадные мельницы представляют собой короткий барабан большого диаметра с двумя торцовыми днищами и цапфами. Производительность каскадных мельниц самоизмельчения зависит от их конструктивных параметров, характеристики измельчаемого материала и условий работы.

 

Рисунок 3.5 – Мельница самоизмельчения материалов типа «Гидрофол»:1 – загрузочная воронка; 2 – вибратор; 3 – барабан мельницы; 4 – зубчатый венец; 5 – грохот; 6 – электродвигатель.

«Гидрофол» ММС 70-23 является основным агрегатом по предварительному измельчению и размучиванию мягких сырьевых пород при мокром способе производства цемента.

Благодоря высокой производительности и надежности в эксплуатации мельницы «Гидрофол» нашли широкое применение на ряде действующих заводов (заменяют схему с использованием валковых дробилок и глиноболтушек).

Основные параметры мельниц самоизмельчения: 3х1,06; 5х1,8; 7х2,3; 9х3,2; 10,5х3,8. После помола в мельнице и отделения крупных частиц на гидроклассификаторе около 50% шлама поступает на вторую стадию измельчения в трубную шаровую мельницу.

Сухой помол производится в большинстве случаев в мельницах работающих по замкнутому циклу, с одновременной сушкой сырья. Для сушки следует использовать тепло отходящих газов с вращающихся печей (на 2-3 мельницы проектируют одну топку на случай остановки печи). Мельницы для помола по сухому способу с одновременной сушкой материала характеризуются помольной и сушильной производительностью. Сушильная производительность определяется количеством испаряемой влаги, а помольная – количеством материала, измельчаемого до определенной тонкости в единицу времени. Измельченные частицы потоком газов, скорость движения которого 20-25 м/сек и температура 400-600 ⁰С на входе и 80⁰С на выходе, выносятся из мельницы и, проходя через сепаратор, разделяются на крупные и мелкие. Крупные фракции возвращаются в мельницу, мелкие осаждаются в циклонах и фильтрах и как готовый продукт направляются в силосы сырьевой муки.

Мельница «Аэрофол» марки СММ-46 9,7х3,32 предназначена для предварительного измельчения и сушки сырьевых материалов с влажностью до 20% при сухом способе производства.

Рисунок 3.6 -Мельница самоизмельчения материалов типа «Аэрофол»:1- загрузочная часть; 2 – подшипники; 3 – разгрузочная часть; 4 – редуктор; 5 – электродвигатель; 6 – барабан мельницы; 7 – приспособление для подъема барабана мельницы; 8 – приспособление для подъема загрузочной части.

 

Трубные и шаровые мельницы изготовляются различных размеров. Применяют для грубого и среднего помола. Основной элемент их конструкций - вращающийся в горизонтальной плоскости барабан, защищенный изнутри броневыми плитами, в который загружены мелющие тела (шары, стержни, морская галька). При вращении барабана мелющие тела прижимаются к его стенке центробежной силой, поднимаются до некоторой высоты и падают, измельчая материал ударом, раздавливанием и истиранием. Наиболее распространенная машина этой конструкции - шаровая диафрагмовая мельница, где мелющими телами являются стальные шары Мельницы сухого помола обозначаются ШБМ, мокрого - МШР.

В трубных шаровых мельницах полное измельчение достигается вследствие большого времени пребывания материала в длинном барабане. Расход энергии снижается при использовании многокамерных трубных мельниц, в которых барабан по длине разделен решетчатыми перегородками на 3 - 4 камеры. Размеры дробящих тел по камерам уменьшаются в соответствии с измельчением материала.

В трубных шаровых мельницах полное измельчение достигается вследствие большого времени пребывания материала в длинном барабане. но увеличивается расход энергии на измельчение. Расход энергии снижается при использовании многокамерных трубных мельниц, в которых барабан по длине разделен решетчатыми перегородками на 3 - 4 камеры. Размеры дробящих тел по камерам уменьшаются в соответствии с измельчением материала.

Опорами барабановтрубных и шаровых мельниц являются подшипники скольжения со сферическими вкладышами.

На цементных заводах клинкер размалывают вмногокамерных трубных шаровых мельницах; уголь - в однокамерных мельницах с проходным сепаратором. Для помола сырья при сухом способе производства используют двухкамерные мельницы с центробежными сепараторами, работающие в замкнутом цикле; для мокрого помола сырья, как и для помола клинкера, служат многокамерные мельницы различных размеров.

Основной параметр, на котором базируется система автоматизации работытрубных шаровых мельниц, - частота шума, издаваемая агрегатом в процессе помола- использование электроакустического метода контроля загрузки.

 

Рисунок 3.7 - Схема барабанно-шаровой мельницы: 1 — барабан; 2 — броневые плиты; 3 — изоляция (от шума и тепловая); 4 — торцовый фланец мельницы; 5 — входной патрубок; 6 — выходной патрубок; 7 — ведомая шестерня; 8 — шары.

Рисунок 3.8 - Схема многокамерной трубной мельницы: 1 – барабан; 2 – днище; 3 – полые цапфы; 4 – самоустанавливающиеся подшипники; 5 – перегородка; 6 – броневые плиты; 7 – шары.

Мелющие шары изготовляют из отбеленного чугуна или марганцовистой стали, диаметр их от 40 до 135 мм. Эффективность дробления зависит от размеров и массы шаров. Для обеспечения тонкого помола вместе е крупными шарами загружают и более мелкие, которые дополнительно дробят мелкий материал до нужной тонкости. Мелких шаров (по весу) должно быть больше, чем крупных.

Вибрационные мельницы начали применять для тонкого измельчения лишь в последние годы. Они позволят вести как сухое, так и мокрое измельчение до высокой степени дисперсности материалов. Схема такой мельницы представлена на рис. 1. Мельница имеет корпус 3 цилиндрической или корытообразной формы, внутри которого на шарикоподшипниках вращается от электродвигателя 1 (через эластичную муфту 2) горизонтальный неуравновешенный вал 4. Корпус мельницы установлен на фундаменте с помощью массивных клапанных пружин 7 и заполняется измельчающими телами, обычно стальными шарами. Измельчаемый материал загружается в корпус. При вращении неуравновешенного вала корпус мельницы при водится в круговое колебательное движение, стенки корпуса сообщают мелющим телам частые импульсы, вследствие чего материал и шары в мельнице совершают сложное движение. При малой частоте колебаний вибромельницы каждое из измельчающих тел совершает в ней лишь ограниченные перемещения около некоторого среднего положения. По мере увеличения частоты колебаний достигается критическая зона, в которой характер движения изменяется: измельчающие тела подбрасываются, сталкиваются и совершают отраженные броски, вращаются, и, кроме того, вся загрузка перемещается вокруг центральной трубы корпуса.

Рисунок 3.9 – Схема вибрационной мельницы: 1 – электродвигатель; 2 – эластичная муфта; 3 – корпус; 4 – вал; 5 – дебаланс; 6 – подшипник; 7 – пружины.

Высокая частота колебаний и разнообразный характер воздействий измельчающих тел на материал создают усталостный режим разрушения обрабатываемого материала. Это является главной особенностью процесса вибрационного измельчения и объясняет, почему вибрационная мельница особенно эффективна при получении продуктов высокой степени дисперсности. В результате совокупных механических воздействий высокой частоты и периодически возникающих напряженных состояний в измельчаемом материале слабые места, всегда имеющиеся в структуре твердого материала, еще более ослабляются и разрушение частиц происходит по этим местам. При измельчении материала по мере уменьшения среднего размера частиц, сопровождающегося сокращением числа дефектов, процесс измельчения замедляется. Когда размер частиц доводится примерно до 1 мм и особенно до 100 мк, измельчаемый материал как бы упрочняется, т. е. его размолоспособность резко падает.

Основными показателями режима работы вибрационной мельницы являются частота и амплитуда колебаний, форма, размеры и материал измельчающих тел, степень заполнения корпуса мельницы измельчающими телами и соотношение между количеством этих тел и загрузкой измельчаемого материала. Режим работы определяется также родом помола-сухой или мокрый, способом действия - периодический или непрерывный, с классификацией или без нее и др.

Струйная мельница — разновидность мельниц, используемая для получения ультрадисперсных продуктов сухим способом. Измельчение происходит при столкновении частиц об частицы в псевдоожиженном слое (аэрозоле), потоками воздуха или пара высокого давления.

Струйные мельницы применяют для измельчения керамических и абразивных материалов, фармацевтических субстанций, минеральных наполнителей композиционных материалов и др. Современные струйные мельницы обеспечивают толщину помола d97 от 0,7 мкм до d97 = 100 мкм, что примерно соответствует среднему размеру частиц от 200 нм до 50 мкм. Диапазоны производительности составляют от единиц килограмм до нескольких тонн в час. Отличительными чертами струйных мельниц являются большой срок службы, возможность получения продукта высокой чистоты, обладающего большой удельной поверхностью.

Принцип их действия основан на использовании энергии сжатого газа или пара, которые при расширении в соплах приобретают большую скорость (до 100 м/с). Частицы измельчаемого материала вводятся в струю газа и разрушаются вследствие взаимных соударений и ударов о стенки помольной камеры. Для тонкого помола используют мельницы с противоточной помольной камерой, в которую с противоположных сторон входят разгонные трубки с соплами для подачи газа или пара. Исходный материал подается в трубки по рукавам, увлекается потоком энергоносителя, измельчается в камере и подается в сепаратор, где происходит отделение мелкой фракции от крупной. Крупная фракция возвращается в помольную камеру, а мелкая отводится через верхний штуцер.

Достоинство струйных мельниц: возможность получения материала, не загрязненного продуктами износа мелющих тел.

Рисунок 3.10 – Струйная мельница: 1 – помольная камера; 2 – разгонная трубка; 3 – сопло; 4 – рукав; 5 – труба; 6 – сепаратор; 7 – отводной штуцер; 8 – шнек подачи

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Назовите основные операции предварительной подготовки сырьевых материалов.

2.Характеризуйте процесс дробления.

3.Опишите устройство и принцип действия конусной и валковой дробилки.

4.Характеризуйте процесс помола.

5.В чем состоит отличие процесса дробления, от процесса помола?

6.Опишите принцип действия и конструкцию шарово-трубных мельниц.

7.Какова роль воды в сырьевых мельницах?

 

ЛИТЕРАТУРА