CN1231946A - 用于常压下粉碎物料的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及适用于在常压下将物料的粒度减小到平均直径小于约600微米的高能冲击系统,该系统包括以下组合:在约400fps至约700fps的冲击速度下操作的粉碎锤子和通过所述粉碎锤子提供约25hp/英尺2至约100hp/,英尺2锤子扫描的面积的高比输入功率的装置。
Description
本发明涉及一种在常压下减少物料粒度的系统和方法,更具体地说,涉及一种低温粉碎弹性物料的系统和方法。
填埋场的短缺使得人们更加需要回用目前在填埋场进行处置的各种物料。例如,人们现在将橡胶轮胎和许多塑料物品循环用于很多新的用途。其中一个这样的用途包括将循环的橡胶进行粉碎,然后将所得粉碎的产物与各种材料混合用于铺路。
在用于中击脆性物料的常规粉碎操作(包括低温粉碎操作)中,在低于其玻璃化转变温度下,采用一个转子为锤子提供沿其中的微裂纹或位错破碎各种物料所需的冲击能。例如在典型的低温锤磨机中,将橡胶轮胎颗粒粉碎成磨碎的橡胶制品,其大多数小于30筛目(约595微米),其中一些小于80筛目(约177微米)。为了获得更加小的粒度,通常需要提高磨机中转子的速度以将增加施于橡胶颗粒的冲击能。但是以往企图进一步将物料的粒度减少到小于30筛目(约595微米)的尝试,得到的结果是使吞出量(即每小时通过磨机的物料磅数)降低和用来将轮胎橡胶颗粒的温度降低到低温水平的冷却剂的消耗量显著增高。
美国专利第5,597,123号公开了用于将物料的粒度减少到平均直径约小至40微米的超高能低温冲击系统和方法。该系统包括将物料的温度冷却到约-40°F至约-450°F的冷却工位和减少冷却物料粒度的粉碎工位,该工位包括在约600-约1500英尺/秒的端速下操作的转子以及用于调节磨机工位内气体的气体调节器。
虽然美国专利第5,597,123号的超高能低温冲击系统提供了一种优良性能的操作系统,但在工业中需要一种更简单的低温冲击系统,它为超高能低温冲击系统做了补充,使得该新系统需要相对较低的基本投资、提供更大的操作灵活性、提供更好的纤维和金属处理能力以及以良好的生产率进行操作。
本发明的一个目的是提供一种适用于减少物料粒度的高能冲击系统。
本发明的另一个目的是提供一种对超高能低温冲击系统进行补充以提供广域的颗粒粉碎能力。
本发明涉及一种适用于在常压下将物料的粒度减少到平均直径小于约600微米的高能冲击系统,该系统包括以约400英尺/秒-约700英尺/秒的冲击速度操作的粉碎锤以及通过粉碎锤以约25-约100hp/英尺2(锤子扫描的面积)提高比输入功率的各种装置。
本领域技术人员通过在以下优选实施方案和以及附图中的描述将清楚本发明的其他目的、特征和优点,附图中:
图1是用于本发明中的方法的示意图;和
图2是具有单一磨机阻滞筛开口的衬垫筛的示意图。
当采用冲击的方法粉碎一种易碎物料时,增大锤子的速度将更多的能量施于物料,籍此使物料破裂成更小的颗粒。本发明的一个方面是通过维持转子的速度而增加转子直径来提高锤子的端速。一般而言,用少于冲击系统锤子5%的功率输入来使颗粒破裂。其余的功率被各种寄生损失(parasitic loss)如由于风的阻力(风阻)、颗粒变形、机械摩擦、颗粒加速等所引起的损失。在高速下风阻是主要的功率消耗者。比起增大具有相同或较小直径的磨机中的转动速度来风阻将导致更大的功率损失,因为该阻力与转动速度的3次幂和转子直径的5次幂成比例。
如果通过将弹性物料冷冻并在低于其玻璃化转变温度下维持脆性状态将其转变成一种脆性材料,那么在密闭的间隙冲击类型的磨机中将其粉碎是可行的。一般而言,用冲击磨机的低温粉碎可以在许多种弹性物料上进行,通过使用液氮和/或二氧化碳使其变脆,并且在磨机中将液氮和/或二氧化碳作为补充的冷冻剂源以便在粉碎期间将这些物料维持低于玻璃化转变温度。
通过提高锤子的圆周速度即以速度的平方增加传递到颗粒上的能量可以得到更加细小粒度的产品。
较小的即0.32厘米和更小的圆孔筛的标准磨机阻滞筛在粉碎中表现出高的磨损率,并使一些通常离开磨机的颗粒回弹到粉碎室随后连续被循环,因而降低了磨机的生产能力并导致不稳定的操作。小的敞开式标准筛的另一个缺点是,如果物料含有不能脆化的纤维,则这些纤维将罩住筛孔导致同样的结果。采用相同设计的阻滞筛作为在靠近筛的边缘处具有横过筛宽度方向的长方形开口的衬垫比起标准筛来在更低的液氮消耗率的情况下可获得更细小的产品。
为了得到最佳的液氮消耗率,需要对设备以及冲击系统中锤子的操作做一定的改造,以便使进入磨机的功率输入在单位时间内可以处理最大量的弹性物料,而同时仍得到可接受的结果。
附加的锤子将改善磨机生产更加细小筛目产品的能力,并且由于锤子之间距离更加靠近的空气动力学特性可以使阻力得到降低。
因此本发明的一个方面是提供一种具有足够功率输入增加冲击能从而使磨机达到其最大粉碎能力的系统。各种对机器粉碎物料的能力不造成不利影响的降低锤子阻力和/或改善物料在粉碎室中的分布情况的修改都将是改进,因冷冻所需的液氮量直接与粉碎室中所耗用的功成正比。对于一给定的筛目大小而言,较低的阻力将得到较高能量水平的最佳冷冻剂消耗率。
在本发明中同时期望的是减少锤子与粉碎室器壁之间的边隙。通过减少锤子与粉碎室边缘之间的距离,更多的物料将受到锤子的冲击,从而使粉碎过程更加有效。
本发明系统是灵活多变的。在操作过程中对该系统可以很容易地进行修改以粉碎各种大小范围的物料。例如在本发明中可以使用含有大小约为1.9厘米-约400微米或更小的线材和纤维的轮胎碎片。优选本系统适用于在常压下将物料粉碎成平均直径小于600微米。更优选被粉碎物料的平均直径小于约177微米。此外,很容易对本系统进行修改,通过相应改变锤子冲击速度、系统的温度以及内筛的形状来得到各种不同的出口粒度。
可以调节的另一个参数是纱窗(window screen)的类型,它使本系统可以接收优选含有重型、抗磨损和刺扎、不堵塞、自适应构型的各种轮胎原料(即全线材和纤维填充物)。相比之下,常规系统采用由薄的量具用钢制成的具有相当小的筛孔的内磨筛,它们在粉碎可能含有钢或纤维的物料时效果较差,因如此小的筛孔将导致刺扎或堵塞。当常规系统采用较大的筛孔时,该系统并未获得本系统所得到的减少粒径的能力。
本系统比常规系统具有粉碎极其大量物料的能力。本系统在满功率时可提供高达约6000磅/小时的粉碎物料的最大生产率。优选本系统的生产率为约4000-5000磅/小时。
平均说来,本系统生产出相当大量的特定大小的粉碎的产品。例如本系统从4.7毫米的进料中以约400-700英尺/秒(fps)端速的冲击速度生产出高达60%的约为177微米的粉碎的产品。优选冲击速度约为500fps-约600fps。相比之下,常规磨机在类似的条件下从4.7毫米的进料中仅生产出少量177微米的粉状产品。
本系统也可以通过粉碎锤子提供高的比输入功率。出于本发明的目的,高的比输入功率约为25hp/英尺2-约100hp/英尺2锤子扫描的面积。优选高的比输入功率为约40hp/英尺2。
本系统通过单磨机(mill)可以产生较大量的物料。该优点是由于增加的操作功率与较高的端速所致。对于4.7毫米的进料,产生约50%-60%的约为177微米产品时的物料通过速率约为4000-6000磅/小时。
本系统另一个重要的优点是需要较少量的制冷剂。本系统的操作使每磅约177微米的弹性物料可以用约2-约2.5磅的液氮。相比之下,常规的磨机每磅约177微米的弹性物料可能需要使用约3-约15磅的液氮。
可以用在出料端处的空隙进行过修改的衬垫的磨筛来增加颗粒离开磨机之前受到冲击的平均次数。对于通过标准筛的第一个孔离开磨机的颗粒,其受到的击打次数大约增加一倍,因此得到更小粒度的产品。
将通过对附图的描述来说明本发明。参照图1,将被粉碎的物料放置于进料斗2中。适宜粉碎的物料包括(但不限于此)金属(如钛、锌等)、塑料(例如各种热塑性塑料如聚丙烯酸酯类、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等,或热固性塑料如环氧化物)、弹性体(如橡胶)、化学药品(如碳酸氢钠、颜料等)、食品(如坚果、干的水果、柑桔皮、干酪、糖等)以及与食品有关的物品(如调味品)、杂货物品(如动物软骨和动物器官)等。具体的例子包括橡胶、热塑性塑料、热固性塑料和调味品。粉碎物料的两个优选例子是小于4个美国筛目的轮胎橡胶颗粒以及1/8英寸聚乙烯或聚丙烯颗粒。
不相连的单独进料器例如可以提供基本上恒定质量流(如±2%)进料的精密类型的进料器可用作进料斗2。进料斗2暂时贮存即将粉碎的物料,并且控制物料前往冷却工位3和最终进入本系统粉碎工位4的物料进料速率。进料速率是每单位时间进入冷却工位3的物料的重量。在本系统过程中进料速率基本上保持恒定,并控制其值使得合适量的物料进入冷却工位3能得到足够的冷却,并且其后进入粉碎工位4时粒度能得到有效地减少。在实践中可以通过观察粉碎工位4所牵引的马力来确定进料速率。
可通过各种常规进料技术(如采用螺旋输送进料器)将物料从进料斗2送到被冷却的冷却工位3。在冷却工位3中,即将粉碎的物料温度降低,籍此增加其脆性以及对粉碎的敏感性。物料在冷却工位3中被冷却到的温度应低于该物料脆化或玻璃化转变温度。例如对于某些脆的物料(例如许多热固性塑料如环氧化物),通过空气冷却如采用空气激冷器就足以将物料的温度降低至略低于室温。但对于其它物料(如橡胶或热塑性塑料),则更需要将粉碎物料的温度降低至低温的水平。
在一个优选的模式中,冷却工位3是低温冷却工位,在此即将粉碎的物料被冷却到约-80°F至约-320°F的低温。通常液化的气体如液氮、液氦、液氧、液氩或液体二氧化碳可以将温度降低到上述的范围内。也可以采用固体二氧化碳(也称为干冰)。优选的液化气体为液氮,达到的温度可低至-320°F。
在预冷却器3中,待粉碎物料可如同在常规低温粉碎操作中那样直接通过具有冷却剂或制冷剂如液氮的逆流热交换器或顺流热交换器得到冷却。
预冷却器3包括出口6,所用的制冷剂(例如空气或蒸发气体如蒸发的氮气、蒸发的氦气或蒸发的氩气)经其排放。从安全的角度出发,应将排出气收集并从操作区中除去。
然后将冷却的物料通过气密旋转进料闸(feedlock)5或其他适宜的防止环境空气进入的气体密封装置送入(例如通过重力)到粉碎工位4。由于待粉碎物料在有限的停留时间内通过粉碎工位4,因此物料在进入粉碎工位4之前预冷却器3最好能有效地将物料冷却。同时如上所述,这种预冷却可以通过将制冷剂经制冷剂管线14送入预冷却器3来完成。或者可以将制冷剂经制冷剂管线13直接加到(通过阀15调节)粉碎工位4。由制冷剂管线13加到粉碎工位4的制冷剂通常仅用作补充制冷剂,虽然在某些情况下最好将主要来源的制冷剂通过制冷剂管线4进行投加。如何供应制冷剂的一个例子是通过液氮储存槽11,致冷剂通过一保温的液氮管线12,再依次送入制冷剂管线13和14。
转子24在粉碎工位4内。该转子可以由各种材料,包括(但不限于此)不锈钢、镍钢、钛(特别是当需要高的强度质量比时)以及其他公知适用于低温作业的合金经铸造、机制、焊接和研磨或装配而成。该转子优选具有空气动力学形状以使风阻达到最小。支撑锤子或冲击表面的转子轮毂具有碟状或飞轮状,并且是流线型以使风阻达到最小。
在操作中转子24使物料与具有足够大的力的锤子23接触以提供足以粉碎物料的冲击能。例如磨机转子在端速为约400fps至约700fps、优选端速达到约500fps至约600fps下操作。
锤子23将粉碎工位4中的物料砸碎或粉碎。然后砸碎或粉碎的物料在离开该工位之前通过粉碎工位4内的阻滞筛或长孔的排放板。该筛板可以是常规设计,也可以是根据需要定制设计。阻滞筛或排放板也起着增加物料在粉碎工位4内停留时间的作用,籍此使物料更多地接触转子24并被减小到所需的粒度。然后磨碎的物料通过磨机阻滞筛开口25并任选通过另一个气密旋转气闸7进入处于常压下的收集室(图中未示出)。
在一优选的模式中,将轮胎橡胶颗粒(粒度小于约4个美国筛目或4.7毫米)在冷却工位冷却至温度低于约-0°F、最好低于-80°F。颗粒进入该系统的温度约为-320°F,采用液氮作为冷却剂。将冷却后的轮胎橡胶颗粒输送到粉碎工位。在粉碎工位内转子以高达700fps的端速运转,与冷却的轮胎橡胶颗粒接触,将其粒度减少至平均直径优选约为125微米-约250微米、最优选约为177微米的范围内。
图2提供了具有单开口的阻滞衬垫筛30的附图。阻滞衬垫筛30位于粉碎工位内。在衬垫筛25内表面的脊板26利于粉碎工位4中砸碎或粉碎物料的锤子23将物料磨碎。砸碎或粉碎后的物料在离开该工位之前通过粉碎工位4内的阻滞衬垫筛30或长孔的排放板。粉碎物料离开粉碎工位4的一个例子是通过磨机阻滞筛开口25。
实施例
采用大小约为4个筛目(4.7毫米)至约6个筛目(3.4毫米)的废弃轮胎(已除去大多数的纤维和金属)作为原材料。采用常规磨机系统以及本发明系统作为对比。优化运两个系统以得到小于约80筛目(177微米)的产品最大量而使价值小的筛上料减少到最低程度。常规磨机(如Pulva model D型磨机)以及本发明的磨机实际上具有粗略相同的内部大小和形状,并且由相同的铸件所装配。本发明的系统采用改过的锤子、不同的合金、修改过的筛和破碎板、更大的功率、更高的端速以及其他的修改以改进空气动力学和总的性能。
操作条件 常规系统 本发明系统
端速(fps) 366 525
功率(hp) 100 300
出口温度(F) -90 -90
进料(筛目) 4-6 4-6
筛(厘米) 0.50(圆孔) 5(长孔)
结果
进料速率(磅/小时) 4000 4000
LN2(磅.LN2/磅.进料) 1.0 1.5
80筛目通过率(%) 23 60
应注意的是,采用小圆孔筛操作的常规磨机相当容易被纤维堵塞。实际上所有从整只轮胎制得的废弃轮胎橡胶都含有一些进料大小约为4个筛目(4.7毫米)至约6个筛目(3.4毫米)的纤维。加大孔的尺寸将使常规磨机更耐受纤维,但将减少碎屑的百分数。数据表明,对于常规磨机需要几乎没有纤维的条件,而这是很难达到且花费颇高。此外,对常规磨机而言增加功率和进料速度将导致粉碎效率降低、与纤维有关的各种问题加剧以及最终出现堵塞。
在一个或多个附图中为了方便起见仅示意本发明的各种具体特征,而根据本发明,每一个特征都可以与其他特征组合。本领域技术人员将会理解其它的实施方案,并且所有这些实施方案都将包含在权利要求书的范围之内。
Claims (10)
1.一个适用于在常压下将物料的粒度减少到平均直径小于约600微米的粉碎的物料的高能冲击系统,该系统包括以下组合:
(a)在约400fps至约700fps的冲击速度下操作的粉碎锤子;
和
(b)通过所述粉碎锤子提供约25hp/英尺2至约100hp/英尺2锤子扫描的面积的高比输入功率的装置。
2.权利要求1的系统,其中所述物料为弹性颗粒。
3.权利要求2的系统,其中所述系统还适用于低温的条件。
4.权利要求1的系统,其中所述低温为低于约-80°F。
5.权利要求1的系统,它还包括约2.5厘米-约15厘米的用于使所述粉碎的物料通过的单磨机阻滞筛开口。
6.权利要求1的系统,其中所述冲击速度为500pfs-600pfs。
7.权利要求1的系统,其中所述比输入功率约为40hp/英尺2。
8.权利要求1的系统,其中所述阻滞筛开口约为5厘米。
9.权利要求1的系统,其中所述粉碎的物料的平均直径小于约177微米。
10.一个适用于在常压和低于-80F的低温下将弹性颗粒的粒度减小到平均直径小于约177微米的粉碎的物料的高能冲击系统,该系统包括以下组合:
(a)在约400fps至约700fps的冲击速度下操作的粉碎锤子;
(b)通过所述粉碎锤子提供约25hp/英尺2至约100hp/英尺2锤子扫描的面积的高比输入功率的装置;和
(c)约2.5厘米-约15厘米的用于使所述粉碎的物料通过的单磨机阻滞筛开口。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |