Барабанные мельницы
Барабанные мельницы — это машины, в которых материал измельчается внутри вращающегося корпуса (барабана) под воздействием мелющих тел или самоизмельчением. Мелющими телами служат металлические шары или стержни, окатанная галька. В зависимости от вида этих тел различают шаровые, стержневые, галечные мельницы, и мельницы само- измельчения. При вращении барабана мелющие тела увлекаются под действием центробежной силы и силы трения вместе с поверхностью стенок ка определенную высоту, га затем свободно падают и измельчают материал ударом, раздавливанием и истиранием. Помимо этого материал измельчается между мелющими телами, а также между этими телами и внутренней поверхностью мельницы.
Барабанная мельница (рис. XVIII-11) состоит из горизонтального цилиндрического корпуса (барабана) 1, закрытого торцовыми крышками 2 и 3 с пустотелыми цапфами, установленными в подшипниках 4. Мельница приводится во вращение через зубчатый венец 5 от шестерни приводного вала. Барабан и крышки мельницы футерованы стальными плитами 6, поверхность которых для, уменьшения проскальзывания мелющих тел
694 Гл. XVIII. Измельчение твердых материалов часто выполняется волнообразной или ступенчатой. Материал в мельницу подается питателем через загрузочную цапфу 7. Измельченный материал удаляется через разгрузочную цапфу 8 на другом конце аппарата. Измельчение проводится как мокрым (широко применяющимся в бара- банных мельницах), так и сухим способом. При мокром измельчении суспензия сливается через разгрузочную цапфу. При сухом измельчении материал движется вдоль оси барабана за счет перепада уровней загрузки и разгрузки и разгружается через цапфу 8 под действием собственного веса или выводится воздушным потоком, возникающим при отсасывании воздуха из барабана вентилятором. По способу разгрузки продукта различают мельницы с разгрузкой через решетку (рис. ХУІІІ-11), из которых продукт выходит через решет- чатую диафрагму 9 у раз- грузочного конца, нецент- ральной разгрузкой через Рис. ХУШ-П. Схема шаровой диафрагмовой мельницы: I — корпус (барабан); 2,3 — торцовые крышки; 4 — подшипник; 5 — зубчатый венец; 6 — плиты; 7 — загрузочная цапфа; 8 разгрузочная цапфа; 9 — диафрагма; 10 *■* лифтеры; 11 — шары. Рис. XVIII'12. К определению числа оборотов шаровой мельницы. полую цапфу (без решетки). В мельницах первого типа разгрузочная решетка 9 снабжена радиальными ребрами (лифтерами) 10, принудительно разгружающими измельченный продукт. Поэтому в таких мельницах, применяемых только для мокрого измельчения, уровень суспензии может быть ниже уровня разгрузочной цапфы, т. е. ниже, чем в мельницах с центральной разгрузкой. Благодаря этому удары мелющих тел меньше смягчаются пульпой и эффективность измельчения повышается. Уровень суспензии в мельнице можно регулировать, перекрывая часть отверстий диафрагмы. При разгрузке через решетку удельная производительность мельницы увеличивается на 15—30%, продукт измельчения получается более равномерным по крупности. Недостатками таких мельниц являются: уменьшение рабочего объема и увеличение веса машины (за счет диафрагмы и лифтеров), возможность забивания отверстий решетки изношенными мелющими телами. В зависимости от формы барабана и отношения его длины L к диаметру D различают короткие {LID — 1,5 — 2), трубные (LID — 3 — 6), цилиндр о-к онические мельницы (барабан имеет форму двух усеченных конусов, широкие основания которых соеди- FÇHbi цилиндрической частью) и др. Шаровые мельницы. Мелющими телами шаровых мельниц (наиболее широко применяемых для тонкого измельчения) являются стальные шары (см. рис. XVIII-11) диаметром от 25 до 150 мм, которыми барабан заполнен примерно наполовину. Шаровые мельницы изготовляются как с цен
7, Барабанные мельницы 695 тральной разгрузкой измельченного материала, так и с разгрузкой через решетку. В цилиндрических шаровых мельницах неизмельченный материал в загрузочном конце машины располагается несколько выше измельченного материала в конце разгрузки, вследствие чего наиболее крупные шары, предназначенные для дробления крупных кусков, перекатываются в сторону разгрузочного конца и там скапливаются. Рациональная классификация шаров по длине барабана достигается в цилиндро-конических мельницах за счет различных окружных скоростей по периферии барабана. Самые крупные шары собираются в цилиндрической части барабана. При этом размеры шаров соответствуют размерам кусков измельчаемого материала, продукт получается более равномерным (непереизмельчен- ным), снижаются удельные затраты энергии. Относительное уменьшение объема барабана и трудоемкость изготовления его футеровки являются недостатками цилиндро-конических мельниц. В трубных шаровых мельницах полное измельчение достигается вследствие большого времени пребывания материала в длинном барабане. При этом отпадает необходимость в классификаторе, т. е. возможна работа в открытом цикле (рис. ХУ1П-2, а, б), 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. При измельчении материалов, для которых недопустимо загрязнение металлом, возможное вследствие износа мелющих тел (например, для керамических материалов), применяются мельницы, футерованные кремневыми плитами, с заполнением кремниевой галькой (галечные мельницы). Эффективность измельчения и расход энергии в шаровых мельницах зависят от скорости вращения (числа оборотов), веса и размера дробящих тел, концентрации суспензии при мокром измельчении. Число оборотов. Для эффективной работы шаровой мельницы необходимо, чтобы число ее оборотов соответствовало определенному режиму работы мельницы (рис. ХУШ-12). В этом режиме шары, поднявшись до значительной высоты, падают с круговых траекторий и, как тела, брошенные под углом, летят по параболическим траекториям (водопадом) обратно на первоначальные круговые траектории. Измельчение материала при таком водопадном режиме происходит в основном ударом и отчасти истиранием. При скорости вращения, меньшей скорости, соответствующей водопадному режиму, шары, поднявшись до сравнительно небольшой высоты, скатываются параллельными слоями вниз, измельчая материал лишь раздавливанием и истиранием (без участия удара). При завышенной по сравнению с водопадным режимом скорости вращения центробежная сила, действующая на шары, может стать настолько большой, что шары будут вращаться вместе с барабаном по круговым траекториям, не измельчая материала. Необходимо, следовательно, найти число оборотов барабана в условиях водопадного режима работы, при котором шары падали бы с наибольшей высоты и имели бы максимальную скорость падения. На шар, поднимающийся вместе с внутренней стенкой барабана вследствие трения (см. рис. ХУШ-12), действуют центробежная сила Р и вес шара б, определяемые следующим образом: Р = тоА* = т(-!£_)2Д С = где т — масса шара; Я — радиус вращения шара (радиус барабана); со — угловая скорость вращения барабана; п — число оборотов барабана в минуту; g — ускорение силы тяжести.
696 Гл. XVIII. Измельчение твердых материалов При этом допускается, что скорости движения шара и барабана равны. На рис. XVIII-12 шар в точке М изображен в. момент его наибольшего подъема со стенкой барабана, после чего он начнет свободно падать по параболической траектории MN. Положение шара в точке М определяется углом подъема а, который можно найти из рассмотрения равновесия сил, действующих на шар в этой точке: Р cos а — mg — О откуда cos а: или mg _ mg 900 Р ~~ / лп \ 2 п2Я / ЯП УШ) 1800 со8а^___ где D — внутренний диаметр барабана, м. Определим критическое число оборотов пкр, при котором шар начнет вращаться вместе со стенкой, т. е. в самой высокой точке А не сможет оторваться от нее. Для точки А угол а = 0 и cos а = 1. В этом случае 1800 «крЯ откуда находим (в мин'1): -\Г 1800 42,4 /vi7.it • « «кр= у —(XVIII,18). В большинстве случаев число оборотов шаровых мельниц принимается равным 75% критического числа оборотов, т. е. <59 *=~ (XVIII,19) Шаровая загрузка. Эта загрузка состоит из беспорядочно уложенных в мельнице шаров разных размеров, заполняющих почти половину объема барабана. Чтобы работа мельницы была эффективной, должны загружаться как крупные шары для измельчения крупных кусков материала, так и шары среднего и мелкого размера для истирания мелких зерен. При непрерывной работе шары постепенно изнашиваются (уменьшается их диаметр и вес), что приводит к снижению расхода энергии и производительности мельницы. Для компенсации износа в мельницу перирди- чески необходимо добавлять шары, поддерживая определенное соотношение между шарами разного размера.- Чтобы приблизительно найти диаметр максимального шара в шаровой загрузке, пользуются эмпирической зависимостью: <4^= 6,03 (XVI 11,20). где йтах — максимальный размер куска измельчаемого материала. Формула (XVIII, 20) выведена исходя из некоторых средних условий, вследствие чего в каждом конкретном случае характеристика крупиости шаровой загрузки, дающая наибольшую производительность, подбирается опытным путем. Производительность и потребляемая мощность. На производительность мельниц оказывают влияние три группы факторов: факторы, зависящие от физических свойств и крупности измельчаемого материала и крупности конечного продукта; факторы, зависящие от конструкции, размеров и формы футеровки- мельницы;
7. Барабанные мельницы 697 факторы, определяемые эксплуатационными условиями работы мельницы: открытый или замкнутый цикл, эффективность классификато- ра, характеристика дробящих тел, концентрация суспензии (при мокром помоле), число оборотов и степень заполнения мельницы дробящими телами. Вследствие многочисленности и разнородности влияющих факторов определение про- изводительности мельниц по теоретическим формулам невозможно. Поэтому производи- тельность проектируемых мельниц рассчитывают* исходя из практических данных работы действующих установок при режиме, близком к оптимальному. Полезная мощность, потребляемая шаровой мельницей при водопадном режиме из- мельчения, определяется работой подъема шаров по круговым траекториям и запасом кине- тической энергии, сообщаемой шарам для полета по параболическим траекториям. С учетом этого для приближенной оценки мощности двигателя шаровой мельницы (в кет.) выведена формула ^ ? N = 6,1 тшУ"Ё> (XVIII,21) где тш'— масса шаров, т; О — внутренний диаметр барабана, м. Мощность, потребляемая при холостом ходе мельницы, незначительно отличается от затрат мощности при работе с нагрузкой. Поэтому необходимым условием экономично- сти измельчения является работа мельницы прн полной загрузке измельчаемым мате- риалом. Шаровые мельницы отличаются универсальностью применения, по- стоянством степени измельчения в те- чение длительного периода работы, надежностью, безопасностью и про- стотой обслуживания. Вместе с тем громоздкость и большой вес, низкий к. п. д., износ мелющих тел и загрязнение материала продуктами этого износа, шум во время работы являются недостатками шаровых мельниц. Стержневые мельницы. По конструкции стержневые мельницы близки к шаровым с центральной разгрузкой (без диафрагмы). Основное отличие заключается в форме дробящих тел, которыми служат стальные стержни диаметром 40—100 мм, их длина на 25—50 мм меньше длины барабана. Измельчение материала в стержневых мельницах происходит раздавливанием, ударом и истиранием при перекатывании стержней во вращающемся барабане. Скорость вращения на 25—30% меньше, чем в шаровых мельницах, так как стержни перекатываются без свободного падения, но вес загрузки дробящими телами на 20—25% больше, чем в шаровой мельнице. В стержневой мельнице продукт получается более равномерной крупности, чем в шаровой. Объясняется это тем, что стержни во время работы соприкасаются с материалом одновременно во многих точках и в первую очередь дробят наиболее крупные его куски, защищающие от переизмель- чения мелкие. Стержневые мельницы рекомендуются для измельчения материалов до зерен размером 1—3 мм. Продукт стержневых мельниц является наилучшим питанием для более тонкого измельчения в шаровых мельницах, поскольку эффективность работы последних на мелком материале увеличивается. Мельницы самоизмельчения. Сухое самоизмельчение производится в гравитационной мельнице «Аэрофол» (рис. ХУПЫЗ), которая представляет собой короткий барабан 1 большого диаметра (5,5—11,0 м). На внутренней поверхности вдоль образующей барабана укрепляются полки 2, которые при вращении барабана поднимают куски материала. Па Рис. XVIII-13. Схема мельницы «Аэрофол» сухого самоизмельчения: / — барабан; 2 — полки; 3 — торцовая крышка; 4 — направляющее кольцо. * См., например: Разумов К. А. Проектирование обогатительных фабрик. Изд. 2-е, переработ. и доп. М., «Недра», 1965. 504 с.
698 Гл. XVIII. Измельчение твердых материалов дая вниз, куски разбиваются и дробят ударом находящийся внизу материал. Торцовые крышки 3 барабана снабжены кольцами 4 треугольного сечения для направления кусков материала в середину барабана. В отдельных случаях для повышения эффективности измельчения в мельницу загружают небольшое количество (до 2,5% объема барабана) стальных шаров. Скорость вращения мельниц «аэрофол» равна 80—85 % критического числа оборотов. Длина барабана, на 30—50% заполняемого материалом, составляет около 1/3 его диаметра. Мельница работает в замкнутом цикле с воздушным классификатором, улавливателем готового продукта и вентилятором, отсасывающим из барабана воздух вместе с измельченным материалом. Возможность достижения значительных степеней измельчения без специальных мелющих тел (из материала с крупностью кусков 100—600 мм можно сразу получать продукт, содержащий до 60% частиц с размерами, составляющими десятые доли миллиметра) при высокой производительности является основным достоинством мельниц «Аэрофол». Недостатки этих мельниц: сложность установки, большие затраты энергии на транспортировку и классификацию материала с помощью вентилятора. Кроме того, содержание влаги в исходном материале не должно превышать 3,5—4%. Для мокрого самоизмельчения используются барабанные мельницы аналогичного типа, работающие в замкнутом цикле с гидравлическими классификаторами. Разгрузка таких мельниц осуществляется через решетку. В кольцевых мельницах рабочими органами являются ролики или шары, измельчающие материал раздавливанием и истиранием на поверхности неподвижного или вращающегося кольца (вкладыша). Ролико-маятниковые мельницы. В такой мельнице (рис. XVIП-14) материал измельчается между неподвижным кольцом 1 и быстровраща- ющимися роликами 2, шарнирно подвешенными к крестовине 3, закрепленной на вертикальном валу 4. При вращении вала ролики центробежной силой инерции прижимаются к рабочей поверхности неподвижного кольца и, вращаясь вокруг своей оси, измельчают материал, подаваемый в мельницу питателем 5. Измельченный материал струей воздуха (или инертных газов), поступающей из коллектора 6, уносится в воздушный сепаратор (на рис. ХУШ-14 не показан). Грубая фракция из сепаратора возвращается в мельницу на доизмельчение, а тонкая (готовый продукт) улавливается в циклонах. Очищенный газ из циклонов посредством вентилятора возвращается в мельницу. Шаровые мельницы. В шаровой кольцевой мельнице (рис. ХУШ-15) материал измельчается между шарами 1 и вращающимся кольцом 2, к рабочей дорожке которого шары прижимаются при помощи кольца 3 нажатием пружин 4. Пылеразделение и улавливание готового продукта осуществляются в замкнутом цикле, аналогичном описанному для роликовых мельниц.