EA001279B1 - Мельница - Google Patents

Abstract

Мельница имеет вращающийся контейнер (40), в который подают материал в виде частиц. Контейнер приводится во вращение с частотой, превышающей критическую частоту вращения, чтобы образовать слой, который удерживается под высоким давлением у внутренней поверхности контейнера. Сдвигающие диски (58), смонтированные внутри контейнера, вызывают сдвиг слоя, способствующий разрушению частиц за счет сдвига и истирания в находящемся под давлением слое. Тонкоизмельченный материал перемещается в аксиальном направлении к разгрузочному концу контейнера. В одном варианте осуществления изобретения контейнер приводится во вращение с частотой, достаточной для того, чтобы вызвать образование ряда отвержденных зон (70), чередующихся с зонами (72) перемешивания, расположенными рядом с невращающимися сдвигающими дисками (58). Эти отвержденные зоны действуют как сплошные твердые диски, вращающиеся вместе с контейнером.

Description

Предпосылки изобретения

Изобретение относится к мельнице ротационного типа, предназначенной для уменьшения размера частиц, таких как частицы керамических материалов, минералов и фармацевтических препаратов.

Ротационные мельницы по предшествующему техническому уровню включают цилиндрический барабан, приводимый во вращение вокруг в основном горизонтальной оси. Во вращающийся барабан подается материал в виде частиц, такой, как шлам или порошок, причем барабан вращается с частотой, составляющей от половины до трех четвертей «критической частоты вращения» (то есть минимальной частоты вращения, при которой материал у внутренней поверхности барабана перемещается по круговой траектории в контакте с мельницей). Это вызывает очистную обработку, поскольку исходный материал и другие среды, подвергаемые размолу, перемещаются частично над внутренней стенкой барабана, затем падают для соударения с другими частицами или истирания о другие частицы в исходном материале. Таким образом, уменьшение размера частиц достигается главным образом за счет истирания и удара.

В обычных ротационных мельницах потребляемая энергия для мельницы увеличивается ступенчато с повышением степени тонкости размола. Для тех случаев применения, где требуется тонкий размол, использование мельниц перемешивающего действия, в которых массу материала в виде частиц размешивают для того, чтобы вызвать срезание частиц и многочисленные удары слабой мощности, может в некоторой степени устранить данную проблему. Однако применение мельниц перемешивающего действия в настоящее время ограничено граничными значениями степени измельчения, определяемыми как верхними границами размеров частиц исходного материала, так и неэффективной передачей энергии при ультрамалых размерах. Эти ограничения вместе с ограничениями по производительности и проблемами разделения материала и сред, вызванными влиянием вязкости при ультрамалых размерах, ограничивают практическую и экономическую возможность применения данной технологии.

Краткое описание изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка альтернативной конструкции мельницы.

В соответствии с одним вариантом изобретения разработана мельница для материала в виде частиц, включающая вращающийся контейнер, имеющий внутреннюю поверхность, подающее средство для подачи материала в виде частиц в контейнер, средство для вращения контейнера с частотой вращения, достаточно высокой для того, чтобы материал в виде частиц образовал слой, удерживаемый у внутренней поверхности во время процесса его вращения, и сдвигающее средство, которой контактирует с этим слоем для обеспечения сдвига в нем.

Известно, что в случае невертикальных мельниц минимальную частоту вращения, при которой материал в виде частиц вращается в контакте с контейнером, называют «критической частотой вращения». В данной заявке этот термин используется как для вертикальных, так и для невертикальных мельниц, и обозначает минимальную частоту вращения, при которой материал в виде частиц образует слой, удерживаемый у внутренней поверхности контейнера во время его вращения.

В соответствии с изобретением также разработан способ измельчения, при котором материал в виде частиц подают в контейнер, приводимый во вращение с критической частотой вращения с тем, чтобы образовать слой, удерживаемый у контейнера во время процесса его вращения, и вызвать сдвиг в слое с помощью сдвигающего средства, контактирующего со слоем.

Предпочтительно сдвигающее средство смонтировано внутри и вращается относительно контейнера.

В первом варианте осуществления сдвигающее средство выполнено с возможностью вращения в направлении вращения контейнера, но с другой частотой вращения. Во втором варианте осуществления сдвигающее средство выполнено с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения контейнера.

В альтернативном варианте сдвигающее средство может быть невращающимся, и его работа по сдвигу слоя материала основана на относительном вращении вместе с контейнером.

Также предпочтительно, чтобы мельница вращалась с частотой, которая, по меньшей мере, в три раза, более предпочтительно, по меньшей мере, в 10 раз, превышала критическую частоту вращения.

Краткое описание чертежей

Далее предпочтительные варианты осуществления будут описаны дополнительно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1 представляет собой схематичное вертикальное сечение первого варианта осуществления изобретения;

фиг. 2 представляет собой схематичное вертикальное сечение второго варианта осуществления изобретения;

фиг. 3 представляет собой увеличенное вертикальное сечение камеры размола мельницы по фиг. 2 в процессе работы, показывающее образование чередующихся зон перемешивания и застойных зон внутри камеры.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Мельница, показанная на фиг. 1, имеет цилиндрический наружный барабан 10, установ ленный в подшипниках 12 с возможностью вращения вокруг центральной оси 14 и приводимый во вращение с помощью приводного шкива 16 барабана, прикрепленного к его наружной поверхности. На наружной поверхности барабана также имеются ребра 18 охлаждения, которые проходят через ванну 20 с охлаждающей водой, расположенную под барабаном.

Подаваемый исходный текучий материал в виде частиц, например шлам или порошок, вводят в один конец барабана из питающего бункера 21 через входное отверстие 22 для исходного материала, и этот материал отбрасывается наружу для образования слоя 23 у внутренней поверхности барабана. Барабан приводится во вращение с частотой, превышающей критическую частоту вращения в такой степени, которая достаточна для того, чтобы весь материал, загруженный в мельницу, или другие среды, подвергаемые размолу, вращались в контакте с барабаном, а не падали и соударялись, как имеет место при работе мельниц по предшествующему техническому уровню при меньших частотах вращения по сравнению с критической частотой вращения. Предпочтительно барабан приводят во вращение с частотой, по меньшей мере, три раза превышающей критическую частоту вращения, наиболее предпочтительно, превышающей критическую частоту вращения, по меньшей мере, в десять раз, так что слой материала, загруженного в мельницу и находящегося под высоким давлением, сжимается за счет большой центробежной силы. Величину применяемых сжимающих сил можно изменять за счет изменения частоты вращения наружного барабана.

Подвижность слоя загрузки обеспечивают дисковые или пальцевые выступы 24 вращающегося в противоположном направлении, вызывающего сдвиг элемента 26, расположенного внутри барабана и смонтированного на центральном валу 28, установленном в подшипниках 30. Этот вал приводится во вращение с помощью приводного шкива 32 вала. Канал 27 для охлаждающей воды проходит через вал 28.

Для обеспечения максимального сдвига вал вращается быстро в направлении, противоположном направлению вращения барабана 10. В альтернативном варианте вал можно вращать в том же направлении, что и барабан, но с другой частотой вращения. Эта последняя конструкция обеспечивает устранение «застойного» места в слое загрузки, в котором возникающая при вращении гравитационная сила равна нулю, и уменьшение потребляемой энергии для мельницы.

Частицы в слое загружаемого материала подвергаются интенсивному воздействию напряжений сдвига, действующих между частицами и/или между частицами и средами и вызванных перемешивающим действием выступов 24, проходящих при вращении через уплотненный слой загружаемого материала. Высокое давление, обусловленное вращением слоя загружаемого материала, обеспечивает повышение степени передачи энергии от выступов к загружаемому материалу, тем самым осуществляется передача сравнительно большой части доступной сообщаемой энергии непосредственно частицами в виде напряжения, способствующего разрушению.

Сдвиг слоя уплотненных твердых частиц вызывает разрушение частиц как за счет сдвига, так и за счет истирания, с энергией, достаточной для того, чтобы вызвать локализованное нагружение и разрушение, которым одновременно подвергается большая часть общего количества частиц внутри мельницы. Конечным результатом является высокий уровень распределения очень мелких частиц, и при этом обеспечивается способность поддерживать эффективное разрушение с помощью этого механизма при высоких скоростях увеличения общего количества частиц внутри мельницы.

В дополнение к разрушению, вызванному истиранием, частицы могут также разрушаться благодаря сжимающему усилию сред и давлению массы твердых частиц, благодаря увеличенной «гравитационной» силе внутри мельницы. Величину этой сжимающей силы и значения плотности «утромбовывания» частиц друг относительно друга и частиц относительно сред можно варьировать. Можно также предположить, что имеет место некоторое разрушение за счет разрушения и истирания поверхностей частиц в результате ударов с более высокой скоростью, но в меньшей степени по сравнению с абразивным разрушением.

Разгрузочный конец 33 барабана 10 мельницы имеет кольцевую удерживающую плиту 34, проходящую радиально внутрь от внутренней поверхности барабана. Большая центробежная сила, действующая на тяжелые частицы сред, заставляет среды удерживаться внутри мельницы радиально снаружи от удерживающей плиты 34 и, следовательно, обеспечивает удерживание их внутри мельницы, в то время как измельченный продукт вытесняется поступающим исходным материалом и проходит радиально внутри удерживающей плиты и в разгрузочный желоб 36.

На фиг. 2 и 3 показана вертикальная мельница, выполненная в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, в которой имеются невращающиеся сдвигающие элементы.

Вращающийся барабан 40 мельницы установлен в подшипниках 46 на раме 44 с возможностью вращения вокруг вертикальной оси 42 вращения и приводится во вращение с высокой частотой вращения с помощью приводного шкива 48 барабана.

В мельницу загружают исходную смесь сред размола, подаваемую из бункера 50 для сред через шаровой клапан 52, и исходный по рошок или шлам, подаваемый через канал 54 для исходного материала. Загружаемый материал проходит вниз по неподвижной подающей трубе 55 в барабан. Лопасти 56 для перемешивания исходного материала, прикрепленные к вращающемуся барабану, придают вращательное движение загружаемому материалу, в результате чего образуется сильно уплотненный слой, удерживаемый у внутренней поверхности барабана.

В варианте осуществления изобретения по фиг. 2 и 3 вызывающий сдвиг элемент внутри барабана представляет собой неподвижный элемент, состоящий из одного или более радиальных дисков 58, прикрепленных к неподвижному валу 60. Диски выполнены с отверстиями 62 в зоне внутренней свободной поверхности 63 слоя загружаемого материала, чтобы обеспечить возможность аксиального перемещения тонкоизмельченного материала через мельницу к разгрузочному концу. Если вместо дисков 58 используются пальцеобразные или другие выступы, отверстия 62 не требуются.

После того, как введен исходный загружаемый материал, никаких дополнительных сред размола не добавляют, а непрерывный поток исходного загружаемого материала подают через канал 54 для исходного материала. Мельница приспособлена для приема исходных шламов с высоким содержанием твердых частиц, например, с 50-90% твердых частиц, как правило, с 55-75% твердых частиц, в зависимости от исходного материала и требуемого уменьшения размера частиц.

Среды размола и частицы большего размера в слое загружаемого материала не будут стремиться перемещаться в осевом направлении через мельницу вследствие больших сжимающих сил, действующих на загружаемый материал. Вместо этого происходит перемещение частиц в радиальном направлении, причем частицы большего размера, введенные в исходном шламе, перемещаются в радиальном направлении наружу через загружаемый материал благодаря большой центробежной силе и подвергаются размолу и разрушению за счет эффективных механизмов, рассмотренных выше со ссылкой на фиг. 1. По мере уменьшения размера частиц частицы меньшего размера перемещаются радиально внутрь до тех пор, пока они не достигнут внутренней свободной поверхности слоя загружаемого материала, который представляет собой место с нулевым (избыточным) давлением.

Мелкие частицы, достигающие свободной поверхности, могут затем перемещаться в аксиальном направлении через мельницу через отверстия 62 в дисках, проходить радиально внутрь разгрузочного кольца 64 и в разгрузочный желоб 66. К неподвижному валу 60 может быть прикреплен скребок 68 для поддержания свободного прохождения материала через разгрузочное кольцо.

Было обнаружено, что при очень высоких частотах вращения, при которых работает эта мельница, предпочтительно превышающих силу тяжести не менее чем в 100 раз, например, превышающих силу тяжести в 200 раз, зоны в загрузочном материале, расположенные на расстоянии от сдвигающих дисков 58, уплотняются до состояния сплошного тела и вращаются вместе с вращающимся барабаном. Это можно использовать, разместив сдвигающие диски на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы создать сплошные «застойные» зоны загрузочного материала между последовательными дисками и рядом с торцевыми сторонами вращающегося барабана. Эти застойные зоны 70, показанные более темным затенением на фиг. 3, эффективно действуют в качестве сплошных дисков, проходящих внутрь от внутренней стенки барабана, параллельных дискам и вращающихся относительно них с высокой частотой вращения. Это обеспечивает создание чрезвычайно высокой интенсивности сдвига в зонах 72 перемешивания загрузки (показанных более светлым затенением на фиг. 3) рядом с дисками, при этом защищая торцевые поверхности барабана от чрезмерного износа.

Минимальное расстояние между дисками, необходимое для создания этого эффекта зоны перемешивания застойной зоны будет изменяться в зависимости от частоты вращения и используемого загрузочного материала, но в случае очень большой силы тяготения С и высокого содержания твердых веществ может составлять всего 50 мм.

По сравнению с вариантом осуществления на фиг. 1 вариант осуществления на фиг. 2 и 3 имеет преимущество, заключающееся в более низкой потребляемой энергии, поскольку отсутствует необходимость приведения в движение вызывающего сдвиг элемента. Потребляемую энергию для мельницы можно дополнительно уменьшить путем уменьшения длины камеры размола и применения только одного сдвигающего диска.

Возникающая внутри мельниц согласно изобретению среда с высокой силой тяготения обеспечивает увеличение практических и экономических границ, которые характерны для размельчения, достигаемого в обычных мельницах перемешивающего действия, с точки зрения максимального размера частиц исходного материала, степени уменьшения размеров, энергетического КПД и пропускной способности.

Несмотря на то, чтобы были описаны конкретные варианты осуществления изобретения, для специалистов в данной области очевидно, что настоящее изобретение может быть реализовано в других конкретных вариантах, не отходя от его существенных характеристик. Поэтому представленные варианты осуществления и примеры следует рассматривать во всех отношениях как иллюстративные, а не как ограничи7 вающие, при этом объем изобретения определяется приложенной формулой изобретения, а не вышеизложенным описанием, и, таким образом, предусмотрено, что все изменения, которые осуществляются в пределах существа и объема эквивалентности пунктов формулы изобретения, охватываются ими.

Claims (18)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Мельница для материала в виде частиц, включающая вращающийся контейнер, имеющий внутреннюю поверхность, подающее средство для подачи материала в виде частиц в контейнер, средство для вращения контейнера с частотой вращения, достаточно высокой для того, чтобы материал в виде частиц образовал слой, удерживаемый у внутренней поверхности во время процесса его вращения, и сдвигающее средство, которое контактирует с этим слоем для обеспечения сдвига в нем.
2. 2. Мельница по п.1, в которой сдвигающее средство смонтировано внутри и выполнено с возможностью вращения относительно контейнера.
3. 3. Мельница по п.2, в которой сдвигающее средство выполнено с возможностью вращения в направлении вращения контейнера.
4. 4. Мельница по п.2, в которой сдвигающее средство выполнено с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения контейнера.
5. 5. Мельница по п.1, в которой контейнер выполнен с возможностью вращения с частотой, по меньшей мере, в три раза превышающей минимальную частоту вращения, при которой материал в виде частиц образует слой, удерживаемый у внутренней поверхности контейнера во время его вращения.
6. 6. Мельница по п.1, в которой контейнер выполнен с возможностью вращения с частотой, по меньшей мере, в десять раз превышающей минимальную частоту вращения, при которой материал в виде частиц образует слой, удерживаемый у внутренней поверхности контейнера во время его вращения.
7. 7. Мельница по п.1, в которой контейнер выполнен с возможностью вращения с частотой, достаточной для того, чтобы создать силу, по меньшей мере, в 100 раз превышающую силу тяжести, действующую на слой материала в виде частиц.
8. 8. Мельница по п.1, в которой контейнер выполнен с возможностью вращения с частотой, достаточной для того, чтобы вызвать образование одной или более, по существу, отвержденных зон в слое материала в виде частиц.
9. 9. Мельница по п.8, в которой сдвигающее средство обеспечивает одну или более зон перемешивания в слое материала в виде частиц, причем зоны перемешивания расположены ме жду сдвигающим средством и отвержденными зонами.
10. 10. Мельница по п.9, которая включает множество сдвигающих средств, расположенных на некотором расстоянии друг от друга в аксиальном направлении вдоль контейнера с тем, чтобы создать чередующиеся отвержденные зоны и зоны перемешивания.
11. 11. Мельница по п.10, в которой сдвигающее средство включает радиальные сдвигающие диски, проходящие в слой материала в виде частиц.
12. 12. Мельница по п. 11, в которой диски являются невращающимися.
13. 13. Мельница по п. 1, в которой сдвигающее средство включает один или более радиальных элементов, проходящих в слой материала в виде частиц.
14. 14. Мельница по п.13, в которой сдвигающее средство является невращающимся.
15. 15. Мельница по п.13, в которой сдвигающее средство включает один или более радиальных дисков, установленных внутри контейнера.
16. 16. Мельница по п.15, в которой диски имеют сквозные отверстия, обеспечивающие возможность прохода измельченного материала в аксиальном направлении вдоль контейнера.
17. 17. Мельница по п.15, в которой сдвигающее средство включает множество радиальных дисков.
18. 18. Способ измельчения материала в виде частиц, включающий подачу материала в виде частиц в контейнер, который имеет внутреннюю поверхность, вращение контейнера с частотой вращения, достаточно высокой для того, чтобы материал в виде частиц образовал слой, удерживаемый у внутренней поверхности во время его вращения, и контактирование слоя со сдвигающим средством для обеспечения сдвига в нем.