8.3.Дробление твердых материалов

8.3.1. Эволюционное развитие приемов дробления [40]

(Л.Ф. Биленко,Г.М. Островский)

Одной из первых машин, предназначенных для дробления твердых материалов, стала валковая дробилка (Англия, 1806 г.). В ней материал затягивается силами трения и раздавливается между двумя параллельными цилиндрическими валками, вращающимися навстречу друг другу (рис. 8.3.1.1).

Рис. 8.3.1.1. Схема захвата куска материала гладкими валками

Степень измельчения в валковых дробилках i ≈ 4. При i > 4 в объеме, ограниченном валками, возрастает концентрация материала вплоть до его запрессовывания. При этом резко возрастает усилие дробления. Поэтому в традиционных конструкциях валковых дробилок при превышении некоторого порогового усилия валки раздвигаются.

Позднее было замечено, что создание высоких давлений в плотном слое зернистого материала способствует образованию паутины микротрещин, которые развиваются вглубь каждого куска от множества точек контакта кусков друг с другом. В результате снижается прочность руды, повышается селективность раскрытия минеральных зерен и, как следствие, существенно сокращаются затраты энергии на последующих стадиях измельчения.

Желание достичь таких показателей на практике позволило создать новый класс машин — валковые дробилки высокого давления (валковые прессы). В середине 1980-х гг. они были впервые применены в Германии в цементной промышленности при производстве клинкера [52–53].

Из условий равновесия сил, действующих на дробимое тело (рис. 8.3.1.1), следует условие затягивания куска валками

a £ 2arctg f, (8.3.1.1)

где a — угол захвата, коэффициент трения куска материала о поверхность валка.

Из геометрических соотношений нетрудно получить выражение для отношения диаметра валка d к максимальному размеру куска d , затягивание которого еще возможно:

, (8.3.1.2)

где — зазор между валками.

При a = 0 и f » 0,3 (значение коэффициента трения для большинства твердых материалов) из соотношений (8.3.1.1) и (8.3.1.2) получим

. (8.3.1.3)

Условие (8.3.1.3) определяет принципиальный недостаток конструкции валковой дробилки — практическую невозможность создания машин для крупного дробления, так как при d = 0,5 м габариты машины уже превысят 20 метров.

Отношение (8.3.1.3) можно уменьшить за счет увеличения коэффициента трения в (8.3.1.1). Применение рифленых валков позволило снизить это отношение до 10, а использование зубчатых — до 3. Однако рифленые валки могут быть использованы только для материалов средней прочности, а зубчатые — только для мягких. В современных гладковалковых дробилках максимальный размер валка не превышает 1,5 м, что соответствует d = 75 мм.

Кардинально снизить отношение габаритного размера машины к размеру куска удалось в появившейся в 1858 г. в США щековой дробилке с простым движением щеки.

Материал в щековой дробилке (рис. 8.3.1.2) дробится между двумя плитами — щеками. Одна щека неподвижна, другая качается от приводного механизма.

Подобная конструкция позволила создать машины, которые дробят породу с начальным размером куска до 2 м и могут иметь степень измельчения выше, чем у валковых дробилок. Однако и для этих машин отношение максимального размера куска к ширине разгрузочного отверстия а (рис. 8.3.1.2) колеблется в пределах 4–6. Это объясняется тем, что пропускная способность дробильного пространства машины уменьшается прямо пропорционально расстоянию между щеками. Поэтому создание машин с большим отношением практически нецелесообразно, поскольку при малой производительности машина будет иметь большие габариты. Экономичнее разделить процесс дробления на две или несколько стадий и вести его в различных машинах.

Рис. 8.3.1.2. Схема щековой дробилки с простым движением щеки:
1 — неподвижная щека; 2 — ось подвеса; 3 — подвижная щека;
4 — эксцентриковый вал; 5 — шатун; 6 — распорные плиты

Угол захвата a щековой дробилки так же, как и валковой, определяется зависимостью (8.3.1.1). Однако на практике его принимают несколько меньшим (обычно 24°), чтобы уменьшить вероятность выброса куска в ситуации, изображенной на рис. 8.3.1.3.

Рис. 8.3.1.3. Возможная ситуация выброса куска из дробящего пространства дробилки
(стрелкой показана равнодействующая усилия дробления)

Минимальная величина хода щеки определяется условиями достижения в куске разрушающих деформаций. Выражение для разрушающей деформации куска кубической формы имеет вид:

, (8.3.1.4)

где е — относительная деформация; [s сж] — разрушающее напряжение сжатия; E — модуль упругости.

Пример 8.3.1.1. Определить минимальную величину хода щеки щековой дробилки, обеспечивающей дробление куска гранита с пределом прочности [s сж] = 344 · 106 Па, модулем упругости E = 5,2 · 1010 Па и размером dн max = 0,8 м.

Из условия (8.3.1.4) получим d = 5,3 · 10–3 м. Согласно рис. 8.3.1.2, минимальная величина хода подвижной щеки дробилки наблюдается в верхней зоне дробильного пространства. Следовательно, должно быть S¢ > [Dd].

Очевидно, что при определении хода щеки необходимо учитывать и деформацию щек дробилки.

Основной недостаток щековой дробилки с простым движением щеки — неравномерное распределение усилия дробления во времени (рис. 8.3.1.4). Очевидно, что если время хода щеки на графике будет пропорционально ходу щеки, то за время холостого хода совершаемая дробилкой работа равна 0, а за время рабочего хода — (площадь заштрихованного треугольника).

Рис. 8.3.1.4. Зависимость усилия в приводе дробилки от хода подвижной щеки

На графике пунктиром обозначена работа, которую можно было бы совершить за один оборот приводного эксцентрикового вала при неизменном усилии дробления. Нетрудно заметить, что эта площадь в четыре раза больше величины .

Для сглаживания пиковых нагрузок щековым дробилкам необходимы мощные маховики. Неуравновешенная масса подвижной щеки требует установки массивных фундаментов и затрудняет размещение дробилок крупного дробления на вторых этажах зданий. Наконец, конструкция щековой дробилки с простым движением щеки не позволяет создавать машины, у которых работа дробления определялась бы площадью, ограниченной пунктирной линией.

В различное время появлялись конструкции, в которых пытались снизить неравномерность усилия дробления, например, конструкции с двумя неподвижными щеками (рис. 8.3.1.5, а). В такой конструкции у эксцентрикового вала отсутствует холостой ход, а совершаемая работа возрастает в два раза (рис. 8.3.1.5, б) при неизменном максимальном усилии дробления (или при неизменной прочности основных деталей дробилки). Появились также конструкции с несколькими подвижными щеками, подвешенными на общей оси. Каждая щека имела свои распорные плиты и шатун, однако они все приводились в движение от одного эксцентрикового коленчатого вала. Такая машина имела существенно более равномерное распределение усилия дробления во времени (рис. 8.3.1.5, в).

Рис. 8.3.1.5. Принципы уменьшения неравномерности усилия дробления:
а) щековая дробилка с двумя неподвижными щеками;
б) зависимость усилия в приводе дробилки с двумя
неподвижными щеками от хода подвижной щеки;
в) то же для дробилки с четырьмя подвижными щеками
и коленчатым эксцентриковым валом

Рис. 8.3.1.6. Схема щековой дробилки со сложным движением щеки:
1 — неподвижная щека; 2 — эксцентриковый вал;
3 — подвижная щека; 4 — распорная плита

На рис. 8.3.1.6 представлена щековая дробилка со сложным движением щеки. В верхней части подвижная щека подвешена на эксцентриковом валу, в нижней части — опирается на распорную плиту. Это позволяет в какой-то степени перераспределить усилие дробления во времени, поскольку нижняя и верхняя части подвижной щеки совершают работу попеременно. При описанном характере движения подвижной щеки холостой ход занимает примерно 1/5, а не половину оборота коленчатого вала. Остальную часть оборота вала занимает рабочий ход, в течение которого дробление всей щекой идет примерно в продолжение 1/5 оборота, а в течение 3/5 оборота материал дробится попеременно верхней и нижней частями подвижной щеки. Совершая такие движения, подвижная щека развивает не только раздавливающие усилия, но и создает мощные сдвиговые деформации. В результате, по сравнению с другими типами щековых дробилок, расход энергии уменьшается, а производительность несколько увеличивается. У щековых дробилок со сложным качанием подвижной щеки дробящие усилия полностью передаются на эксцентрик коленчатого вала. Сравнивая рис. 8.3.1.2 и рис. 8.3.1.6, нетрудно заметить, что уменьшились и габаритные размеры дробилки. По-видимому, из всего многообразия щековых дробилок эта является наиболее совершенной.

В 1880 г. в США появилась конусная дробилка, конструкция которой принципиально исключает неравномерность распределения усилия дробления (за исключением случайных флуктуаций, вызванных упаковкой кусков в дробящем пространстве, дисперсионным составом исходного материала, колебаниями его прочности и т. д.). В отличие от щековых дробилок, процесс дробления материала в такой машине идет непрерывно. В конусной дробилке работой занято все пространство под пунктирной линией (рис. 8.3.1.4 и 8.3.1.5). Это значит, что при неизменном максимальном усилии дробления в сравнении, например, со щековой дробилкой с простым движением щеки конусная дробилка дает четырехкратное увеличение производительности. Схема конусной дробилки приведена на рис. 8.3.1.7.

Рис. 8.3.1.7. Схема конусной дробилки крупного дробления:
1 — узел подвеса подвижного конуса; 2 — вал;
3 — подвижный конус; 4 — неподвижный конус;
5 — эксцентриковый стакан

Рис. 8.3.1.9. Схема конусных дробилок среднего и мелкого дробления:
1 — неподвижный конус; 2 — подвижный конус;
3 — сферическая опора; 4 — эксцентриковый стакан

Материал разрушается между двумя конусами, один из которых неподвижен, другой, внутренний, благодаря вращению эксцентрикового стакана качается так, что каждая его точка описывает в горизонтальной плоскости окружность. Таким образом, конусную дробилку можно рассматривать как состоящую из бесконечного числа элементарных щековых дробилок, работающих последовательно по периметру конуса. Подобная конструкция дробилки позволила создать машины с существенно более высокой производительностью, чем щековые.

Однако при разработке машин для среднего и особенно мелкого дробления выявился недостаток конструкции конусных дробилок с сужающимся книзу конусом дробящего пространства, который существенно сдерживал возможность создания высокопроизводительных машин, — меньшая пропускная способность нижней части зоны дробящего пространства по сравнению с верхней.

Стремление увеличить производительность дробилки привело к созданию машин с криволинейным профилем дробильного пространства (рис. 8.3.1.8, а). Криволинейный профиль обеспечивает большую производительность за счет увеличения среднего диаметра объемного кольца материала, вываливающегося за один оборот эксцентрикового стакана. У некоторых современных дробилок (редукционные дробилки) зона с наименьшей пропускной способностью смещена в сторону загрузочного отверстия.

При создании машин для среднего и мелкого дробления изменения конструкции заключались в увеличении пропускной способности разгрузочного отверстия за счет значительного увеличения среднего диаметра объемного кольца. Это привело к созданию иного профиля дробящего пространства с расширяющимся книзу неподвижным конусом (рис. 8.3.1.8, б). Поскольку при таком профиле значительно увеличивается угол между образующей конуса и вертикалью и, следовательно, также значительно растет вертикальная составляющая равнодействующей усилия дробления Рв, то становится нецелесообразным использование конструкции с подвесным валом подвижного конуса (рис. 8.3.1.7). В результате практически все конструкции дробилок среднего и мелкого дробления имеют подвижный конус, опирающийся на сферическую опору (рис. 8.3.1.9).

Рис. 8.3.1.8. Профиль дробящего пространства конусных дробилок:
а) крупного дробления; б) среднего и мелкого дробления

Принцип работы новой конструкции дробилки, нашедшей применение для среднего и мелкого дробления, аналогичен принципу работы конусной дробилки крупного дробления.

В рассмотренных выше машинах степень измельчения определяется геометрией дробящего пространства и практически не зависит от свойств материала, что в значительной степени характеризует эффективность процесса дробления, поскольку с уменьшением прочности дробимого материала увеличивается неиспользованный резерв мощности машины.

В процессе дробления, основанном на ударе, этот недостаток может быть устранен, а диапазон эффективной работы машины расширен, так как с уменьшением прочности материала будет увеличиваться его степень измельчения. Это следует и из уравнения (1.1.3.2): при N = const с уменьшением [s сж] увеличивается величина i. Принципиальная схема такой дробилки, появившейся в США еще в 1895 г., представлена на рис. 8.3.1.10.

Рис. 8.3.1.10. Схема молотковой дробилки:
14 — ротор: 1 — молоток; 2 — палец; 3 — диск; 4 — вал;
5 — колосниковая решетка; 6 — отбойная плита

Материал дробится ударами молотков 1, шарнирно закрепленных с помощью пальцев 2 на дисках 3, вращающихся вместе с валом 4. Отскочившие от молотка отдельные куски материала дробятся об отбойную плиту 6. Оставшиеся крупные куски дробятся о колосниковую решетку 5.

Современные молотковые дробилки отличаются от дробилок раздавливающего действия высокой производительностью, приходящейся на единицу их массы, и простотой конструкции. Максимальный размер дробимого куска доходит до 600 мм, а степень измельчения может превышать 25.

Недостатком этих машин является износ рабочих органов (молотков, колосниковой решетки), особенно при дроблении прочных материалов. Поэтому молотковые дробилки применяются для дробления материалов средней прочности и мягких [54].

Интенсивность износа резко возрастает при неправильном режиме эксплуатации, в частности, когда большую роль при дроблении возлагают на колосниковую решетку, уменьшая расстояние (рис. 8.3.1.10) между колосниками а и зазор b между колосниковой решеткой и молотками. Колосниковая решетка предназначена для того, чтобы дробить отдельные крупные куски, которые остаются в силу случайного характера процесса дробления. При оптимальном значении величин а и b (а примерно в 2 раза больше максимального куска в дробленом продукте, b — в 3 раза) роль колосниковой решетки невелика. Если машина работает в замкнутом цикле (крупные куски после грохочения возвращаются в дробилку), то колосниковая решетка бесполезна.

В случае, когда глубина проникновения куска в зону дробления мала и удар молотка по куску становится скользящим, резко возрастает износ молотков и снижается производительность дробилки. Если глубина проникновения куска определяется высотой сбрасывания материала в дробилку H, то ее величина находится из уравнения

, (8.3.1.5)

где n — частота вращения ротора, с–1; zp — число продольных рядов молотков на роторе (на рис. 8.3.1.10 таких рядов 4).

Отбойная плита, как показывает практика, не играет заметной роли в дроблении (при условии, что кинетической энергии молотка достаточно для разрушения куска ударом). Об этом говорит хотя бы тот факт, что срок службы колосниковой решетки на два порядка превышает срок службы молотков.

Если предположить, что взаимодействие куска материала с молотком происходит по закону взаимодействия абсолютно неупругих тел, то с учетом соотношения (1.1.3.1) можно получить условие дробления куска в молотковой дробилке в виде:

, (8.3.1.6)

где m1 — масса дробимого куска; m2 — приведенная к точке удара масса молотка; u — скорость удара (примерно соответствует окружной скорости молотка в точке удара); hр — коэффициент полезного действия способа разрушения.

Из уравнения (8.3.1.6) видно, что при увеличении массы молотка степень измельчения растет замедленно и при величина i стремится к предельному значению (как правило, масса молотка изменяется в пределах 4–75 кг). С увеличением скорости (окружная скорость молотка колеблется в пределах 40–120 м/с) величина i растет ускоренно.

Очевидно, что выгоднее увеличивать скорость удара, чем массу молотка. Однако эта выгода имеет свои границы. Получив импульс силы в результате удара в направлении, обратном направлению вращения ротора, молоток начинает поворачиваться (рис. 8.3.1.11) относительно точки подвеса (при этом угол поворота не должен превышать предельное значение, определяемое конструкцией молотка). Молотку мешает поворачиваться центробежная сила. Таким образом, его движение относительно оси подвеса напоминает колебания маятника, которые должны затухнуть за счет сил трения в оси подвеса за время одного оборота вала.

Рис. 8.3.1.11. Поведение молотка при ударе

Возможность поворота молотка вокруг оси подвеса позволяет в идеальном варианте создать такую конструкцию молотка, при которой импульс силы в точке подвеса при ударе будет равен 0, и следовательно, ударная нагрузка не будет передаваться ни на ось подвеса, ни на вал. Это иллюстрируется рис. 8.3.1.12, из которого следует, что при ударе в различные точки молотка направление реакции в оси подвеса меняет свое направление. Таким образом, можно найти такое положение точки удара или так распределить массу молотка относительно точки удара, что импульс силы в точке подвеса будет равен 0.

Рис. 8.3.1.12. Схема к пояснению возможности снижения ударной нагрузки в оси подвеса:
1 — приложение удара от дробимого куска;
2 — реакция силы от оси подвеса;
3 — положение центра тяжести молотка

Практически свести ударную нагрузку в оси подвеса к 0 нельзя, поскольку это связано с такими случайными величинами, как размер куска и глубина его проникновения в зону дробления, однако уменьшить и приблизить к 0 ее среднюю величину возможно.

Увеличение массы молотка снижает остроту проблем, связанных с допускаемым углом отклонения (рис. 8.3.1.11) и появлением ударных нагрузок в оси подвеса (рис. 8.3.1.12). Тем не менее, увеличение массы молотка увеличивает опасность последствий, связанных с отрывом молотка из-за усталостного разрушения как самого молотка, так и оси подвеса.

Попытки уйти от этих условий привели к появлению роторных дробилок, которые отличаются от молотковых тем, что молоток (било) жестко связан с ротором. Это позволило резко увеличить массу условного ударяющего тела, поскольку в ударе уже участвует вся масса ротора (рис. 8.3.1.13). Подобное изменение конструкции позволило расширить диапазон дробилок ударного действия и довести максимальный размер дробимого куска до 1,5 м.

Рис. 8.3.1.13. Схема роторной дробилки:
1 — корпус; 2 — цепная завеса;
3 — отбойные колосники; 4 — било; 5 — ротор

Ведущие позиции в технологии дробления в ближайшее время могут занять виброинерционные и ударно-отражательные дробилки.

Виброинерционные машины созданы на основе конструкций щековых и конусных дробилок (см. рис. 8.3.3.1 и 8.3.4.1). Принципиальной отличительной особенностью этих машин является отсутствие эксцентриковых приводных механизмов. Колебания дробящих плит у щековой и внутреннего конуса у конусных дробилок обеспечиваются вращающимися неуравновешенными массами (дебалансами). Это позволило резко увеличить частоту колебаний дробящих органов и существенно увеличить производительность и степень измельчения.

Ударно-отражательные дробилки (см. рис. 8.3.6.4) имеют принципиальное отличие от молотковых и роторных дробилок — в них дробимый материал разгоняется в центробежном поле и выбрасывается с большой скоростью на неподвижную преграду.