Каталог статей из сборников научных конференций и научных журналов- Струйное измельчение: история процесса и аппаратов

И. А. Серебряник Кандидат технических наук, доцент,

А. В. Дружинина Студентка,

Иркутский национальный исследовательский технический университет,

г. Иркутск, Россия

Проблемы дробления и измельчения привлекают исследователей уже более 150 лет. За это время были выявлены многие закономерности этих процессов, на основе которых разработаны методики расчета мельниц и технологических циклов помола. Как правило, закономерности были эмпирической природы и касались ограниченного числа материалов в узком диапазоне дисперсности. В последнее время процессы измельчения становятся особенно актуальными в связи с тенденциями получения более тонких порошков. Появилось много новых методов измельчения. К таким методам относятся струйное, термическое, электрогидравлическое, ультразвуковое измельчение и другие. Если же говорить о промышленном использовании, то широкое применение находит струйное измельчение.

В струйных мельницах измельчаемый материал разрушают одним из следующих способов: при ударе о специально установленную преграду; в результате взаимного столкновения частиц при тангенциальной подаче потока газа в камеру для измельчения; при столкновении частиц противоположно направленных струй.

Принцип струйного измельчения, основанный на ударе частиц о неподвижную преграду, является одним из наиболее старых. Первые конструкции струйных мельниц были запатентованы еще в 1880 г. [4, с. 45]. Начало же более масштабной разработки струйных мельниц следует отнести к 1927 г. [2, с. 93]. В 1936 г. фирма И. Г. Фарбениндустри провела испытания опытного образца мельницы, построенной по лицензии американской фирмы «Микронайзер». Результаты испытаний не дали ожидаемого результата. Продукт, полученный в ходе испытаний, не превышал дисперсность продуктов, полученных на других видах измельчителей, затраты же на помол были слишком велики. Ввиду вышеперечисленного, исследования в области работы струйных мельниц были прекращены.

По окончании Второй мировой войны совершенствование струйных мельниц продолжалось. В течение 1945−1961 гг. ежегодно появлялись одна-две обзорные статьи или рекламные проспекты по струйным мельницам. Механика струйных мельниц и методика их расчета практически не рассматривалась. Лишь в 1959−1960 гг. в иностранной литературе появились первые статьи с изложением некоторых вопросов теории струйных мельниц [1, с. 45].

Первоначально струйные мельницы изготавливались в США и не продавались за границу. Лишь в 1955−1956 гг. английская фирма «Берк и Ко» предложила СССР струйные мельницы с плоской горизонтальной камерой, предназначенные для сверхтонкого помола двуокиси титана. Однако известно, что в СССР существовали более ранние разработки, касающиеся струйного измельчения. В 1925 г. здесь была изготовлена мельница ударного действия под названием «Пушка». Она предназначалась для измельчения фрезерного торфа, но вследствие целого ряда недостатков промышленного применения не получила.

В 1957 г. фирма «Макро Редакшн Процессис Лимитед» поставила в СССР две струйные мельницы с вертикальными трубчатыми камерами, а в 1958 г. были завезены образцы струйных мельниц с плоскими горизонтальными камерами диаметром 200 и 50 мм, изготовленные в ГДР. Струйные мельницы производили также и в ФРГ, и в других странах.

В СССР тоже велись разработки, касающиеся струйного измельчения, а именно струйных мельниц ударного типа. В лаборатории Центрального котлотурбинного института была изобретена высокоскоростная мельница, в которой в качестве энергоносителя использовался воздух, нагретый до 250  ̊С. Испытания мельницы не дали хороших результатов. Во-первых, наблюдался высокий удельных расход электроэнергии (70−140 кВт*ч/т донецкого угля); во-вторых, большая степень переизмельчения угля.

Далее развитие струйного измельчения шло по пути усовершенствования мельниц ударного типа. Примером тому может служить пневмомельница «Ангера» Всесоюзного теплотехнического института. К ее недостаткам можно отнести большую металлоемкость, повышенный износ разгонного аппарата при измельчении абразивных топлив, сложность поддержания номинальных режимов работы вследствие повышенных подсосов воздуха. В 1934 г. была разработана струйная мельница с плоской цилиндрической помольной камерой и тангенциальным вводом измельчаемого материала «Микронайзер». Зарубежные источники признают этот метод наиболее распространенным при измельчении материалов с высокой дисперсностью.

Следующий этап развития струйных мельниц – появление мельниц с трубчатой помольной камерой «Джет-о-Майзер», которые были впервые применены для тонкого измельчения каменного угля. Основным преимуществом такой мельницы была простота изготовления и конструкции помольной камеры. Недостатком является быстрый износ их по причине того, что основная масса материала движется в пристеночной области трубы.

По-настоящему промышленное применение струйных мельниц началось с изобретением противоточной мельницы. Первоначально такой аппарат был создан в 1917 г. фирмой «Маяк» на основе патента Виллоуби. Затем на базе этой модели был произведен целый ряд отечественных конструкций (мельницы типа СП) как в нашей стране, так и за рубежом (мельницы фирм «Блоу Нокс» и «Маяк»). В таких установках используется энергия двух встречных струй, разрушение частиц происходит в результате их взаимного столкновения. Поэтому износ элементов мельницы и загрязнение измельчаемого материала продуктами износа невелики по сравнению с другими более ранними конструкциями.

Следующей разновидностью противоточной струйной мельницы стала мельница, предложенная в 1931 году Н. Эндрюсом и В. Виллоуби. В такой мельнице помольная камера изготовлена в виде кольца с вмонтированными по его периметру двумя рядами инжекторных узлов. В результате в центре помольной камеры сталкиваются сразу несколько струй смеси газа с измельчаемым материалом. Последний разделяется по крупности за счет изменения аэродинамического режима потока по пути его движения в классификационном пространстве. Недоизмельченный материал по трубам возвращается на измельчение, а готовый продукт выносится из мельницы. Образцы таких мельниц были переданы в серийное производство в 1964 году.

Сейчас совершенствование в области струйного измельчения идет по пути создания конструкций с большей производительностью. Из практики известно, что нецелесообразно применять воздух в струйных мельницах с диаметром помольной камеры более 100 мм. При этом отдается предпочтение энергоносителю повышенной температуры – перегретому пару. Хотя применение пара является достаточно сложным из-за трудоемкой подготовки энергоносителя.

В 1957 г. была впервые описана промышленная установка струйной мельницы с двумя помольными эжекторами. В 1959 г. появились сообщения о разработке в США опытного образца мельницы типа СП производительностью 30 т/ч.

Дальнейшие исследования отечественных и зарубежных ученых направлены на поиски путей снижения энергоемкости струйных мельниц. В монографии В. И. Акунова сделана попытка систематизировать и обобщить накопленный экспериментальный материал по струйному измельчению [2]. В дальнейших работах особое внимание уделено новому направлению в области струйного измельчения – газоструйному методу, основанному на использовании газового энергоносителя высокой температуры [3].

Сегодня под названием «струйная измельчительная установка» понимается комплекс агрегатов и узлов системы, обеспечивающей получение материала заданной крупности за счет энергии газов или пара. Основными узлами струйной измельчительной установки являются источники газового энергоносителя, собственно мельница и пылеулавливающая система с устройствами для транспортировки материала и газа.

Как показала практика, струйный метод измельчения обладает многими преимуществами: высокой интенсивностью разрушения материала; низкой металлоемкостью; максимально четкой классификацией частиц по размерам; однородной крупностью конечного продукта; минимальной степенью загрязнения измельчаемого материала (конструкционная возможность выполнить небольшие участки, подвергающиеся интенсивному локальному воздействию, из высокой образивостойкой керамики или твердых сплавов, определяет малые величины загрязнения конечного продукта материалами износа); возможностью совмещения измельчения с другими процессами – химической обработкой, сушкой, обжигом; простотой устройства и отсутствием движущихся частей в струйных измельчителях; относительной малогабаритностью; долговечностью. Отсутствие существенных механических напряжений в конструкциях помольной камеры делает эти машины весьма долговечными.

Необходимо также выделить недостатки, присущие струйному помолу, среди них можно назвать: износ разгонного аппарата (в струйных мельницах значительно изнашивается разгонный аппарат и, прежде всего, конфузор, расположенный в начале разгонной трубки, а также отбойная плита; тем не менее, общий расход металла на износ струйных мельниц ниже, чем у шаровых); значительно большие, по сравнению с шаровым измельчением, энергозатраты (в среднем струйная мельница, размалывая в тончайший порошок 1 тонну породы, тратит свыше 8 тысяч кВт); потери материала, уносимого отработанным газом; дополнительные затраты на очистку отработанного газа.

Струйный помол применяется в различных видах промышленности. Объясняется это не только возможностью получения высокодиспергированных материалов со средним размером частиц менее 1 мкм, но и высокой чистотой продукта.

Библиографический список

1. Акунов В. И. Струйное измельчение горных пород // Горный журнал. − 1985. − № 4. − С. 35−38.
2. Гарднер Р. П., Аустин Л. Г. Труды Европейского совещания по измельчению. – М. : Стройиздат, 1966.
3. Шквирский А. В., Гершович В. И. Моделирование системы управления процессом измельчения известняка и бентонита на ЭВМ. − Днепропетровск, 1993. − 8 с.