RU2603038C1

RU2603038C1 - Mill for materials fine grinding

Info

Publication number: RU2603038C1
Application number: RU2015116954/13A
Authority: RU
Inventors: Михаил Николаевич Рожков; Андрей Валерьевич Кондратьев; Валерий Иванович Варламов; Сергей Константинович Гордеев; Светлана Борисовна Корчагина
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Доминант"
Priority date: 2015-05-06
Filing date: 2015-05-06
Publication date: 2016-11-20
Also published as: WO2016178603A1

Abstract

FIELD: ceramic industry.

SUBSTANCE: invention relates to very hard brittle materials crushing devices and can be used for production of ceramic materials micro powders, pigments, fuel additives and other materials. Mill comprises closed housing with branch pipes 1, 2, respectively, for product inlet and outlet, cylindrical working chamber 3 with inner lining 5 and arranged in closed housing and having outer water jacket 4, and vertical rotor in form of shaft 6 and connected to it horizontal bearing discs 8 connected with rotary drive 7. Vertical rotor is installed in working chamber 3 along its axis. On support plates 8 by means of rotation axes 9 grinding elements 10 are fixed, which center of gravity is shifted relative to axis of rotation. Grinding elements 10 are made up of metal body and fixed on it grinding insert, which at element rotation contacts lining 5 surface. At that, working chamber grinding inserts and lining are made of ceramic composite material, with content of diamond 20-75 vol%, silicon carbide - 20-75 vol%, silicon - 3-40 vol%.

EFFECT: mill is characterized by increased service life and wider area of application.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, строительству и химической промышленности, а именно - к устройствам для тонкого измельчения хрупких высокотвердых материалов в сухом виде или в среде жидкости, и может быть использовано для получения микропорошков керамических материалов, пигментов, присадок в топливо и других материалов.The invention relates to metallurgy, construction and the chemical industry, and in particular to devices for fine grinding of brittle high-solid materials in dry form or in a liquid medium, and can be used to obtain micropowders of ceramic materials, pigments, additives in fuel and other materials.

Известно большое число устройств, обеспечивающих измельчение порошков хрупких материалов за счет сочетания воздействия на измельчаемые частицы раздавливающих и сдвиговых усилий (например, конусно-инерционные дробилки, ролико-кольцевые мельницы). Опытом применения таких устройств на практике доказано, что воздействие на измельчаемый материал сдвиговых усилий позволяет существенно повысить эффективность измельчения хрупких материалов. Это связано с особенностями механических свойств хрупких материалов: большой прочностью при сжатии в сочетании с относительно низкой прочностью при растяжении и сдвиге. Поэтому разработка измельчительных устройств с существенным вкладом воздействия сдвиговых нагрузок на измельчаемый материал представляет большой интерес.A large number of devices are known for grinding powders of brittle materials by combining crushing and shear forces on crushed particles (for example, cone-inertial crushers, roller-ring mills). The experience of the use of such devices in practice has proved that the impact of shear forces on the material being ground allows a significant increase in the grinding efficiency of brittle materials. This is due to the mechanical properties of brittle materials: high compressive strength combined with relatively low tensile and shear strength. Therefore, the development of grinding devices with a significant contribution of the effects of shear loads on the milled material is of great interest.

Известна центробежная мельница, состоящая из вертикального корпуса с рабочей камерой, в которой установлен ротор с опорными дисками, на которых закреплены мелющие элементами в форме сегментов [Патент РФ №2004328, кл. В02С 13/14, 1991]. Мелющие элементы установлены с зазором по отношению к стенке рабочей камеры, который обеспечивает необходимую дисперсность получаемого продукта.A centrifugal mill is known, consisting of a vertical housing with a working chamber, in which a rotor with supporting disks is mounted on which grinding elements in the form of segments are mounted [RF Patent No. 2004328, cl. B02C 13/14, 1991]. The grinding elements are installed with a gap relative to the wall of the working chamber, which provides the necessary dispersion of the resulting product.

Недостатком известного устройства является невозможность его использования для получения тонких порошков, например, размером менее 10 мкм, так как для этого необходимо осуществить установку ротора и мелющих элементов с обеспечением такого же по величине (10 мкм) зазора между мелющими элементами и поверхностью рабочей камеры, что невозможно при практическом использовании мельницы.A disadvantage of the known device is the inability to use it to obtain fine powders, for example, less than 10 microns in size, since for this it is necessary to install a rotor and grinding elements with the same size (10 microns) of the gap between the grinding elements and the surface of the working chamber, which impossible with the practical use of the mill.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения, по мнению авторов, является инерционная мельница, описанная в патенте РФ №2033857 [кл. В02С 15/00]. Мельница имеет вертикальный корпус с внутренней футеровкой и патрубками ввода и вывода продукции и установленный в корпусе ротор в виде приводного вала и подвижных мелющих элементов, закрепленных на смещенных относительно их центра тяжести осях вращения, установленных между соединенными с приводным валом опорными дисками. Мелющие элементы в горизонтальном сечении имеют сегментообразную форму, а их ось вращения смещена относительно его центра тяжести не менее чем на 0,5 его длины.The closest analogue of the proposed technical solution, according to the authors, is an inertial mill described in the patent of the Russian Federation No. 2033857 [class. B02C 15/00]. The mill has a vertical casing with an inner lining and production input and output pipes and a rotor installed in the casing in the form of a drive shaft and movable grinding elements mounted on rotation axes displaced relative to their center of gravity and mounted between supporting disks connected to the drive shaft. The grinding elements in a horizontal section are segmented in shape, and their axis of rotation is offset from its center of gravity by at least 0.5 of its length.

При работе известной мельницы вращение ротора обеспечивает (за счет центробежной силы, воздействующей на мелющий элемент, и возможности поворота мелющего элемента вокруг оси вращения) прижатие каждого из мелющих элементов к поверхности футеровки. Частицы исходного материала, отбрасываемые ротором на поверхность футеровки, измельчаются за счет комбинированного воздействия на них сжимающих (раздавливающих) и сдвигающих усилий. Сжимающие усилия обеспечиваются центробежной силой прижатия мелющего элемента к футеровке, а сдвигающие усилия - движением поверхности мелющего элемента относительно поверхности футеровки. Отсутствие зазора между поверхностью мелющего элемента и футеровкой упрощает установку ротора относительно футеровки, а также позволяет получать высокодисперсные порошки материалов, например, размером менее 10 мкм.During operation of the known mill, the rotation of the rotor provides (due to the centrifugal force acting on the grinding element, and the possibility of turning the grinding element around the axis of rotation) pressing each of the grinding elements to the surface of the lining. Particles of the starting material cast by the rotor onto the surface of the lining are crushed due to the combined effect of compressive (crushing) and shear forces on them. The compressive forces are provided by the centrifugal force of pressing the grinding element to the lining, and the shear forces are provided by the movement of the surface of the grinding element relative to the surface of the lining. The absence of a gap between the surface of the grinding element and the lining simplifies the installation of the rotor relative to the lining, and also allows you to obtain highly dispersed powders of materials, for example, with a size of less than 10 microns.

Недостатком известного устройства является его малый ресурс работы при измельчении высокотвердых материалов. Это связано с большим износом применяемых металлокерамических мелющих элементов и футеровки за счет абразивного воздействия частиц высокотвердого измельчаемого материала. Кроме того, мельница сложна в обслуживании: замена мелющих элементов требует разборки ротора мельницы.A disadvantage of the known device is its small resource when grinding high hard materials. This is due to the large wear of the used ceramic-metal grinding elements and the lining due to the abrasive action of the particles of highly hard ground material. In addition, the mill is difficult to maintain: replacing grinding elements requires disassembling the mill rotor.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение ресурса работы мельницы, упрощение ремонтного обслуживания и расширение областей ее использования.The technical task of the invention is to increase the resource of the mill, simplifying repair services and expanding the areas of its use.

Поставленная задача решена в предлагаемом изобретении тем, что в мельнице для тонкого измельчения материалов, имеющей закрытый корпус с патрубками для ввода и вывода продукции, в котором расположена цилиндрическая рабочая камера с внешней водяной рубашкой и внутренней футеровкой, и установленный в камере, по ее оси, соединенный с приводом вращения вертикальный ротор в виде вала и соединенных с ним горизонтальных опорных дисков, на которых закреплены на осях вращения мелющие элементы, центр тяжести которых смещен относительно оси вращения, мелющие элементы состоят из металлического корпуса и закрепленной на нем мелющей вставки, которая при вращении элемента контактирует с поверхностью футеровки. При этом мелющие вставки и футеровка рабочей камеры выполнены из керамического композиционного материала, содержащего алмаз - 20-75% об., карбид кремния - 20-75% об., кремний - 3-40% об.The problem is solved in the present invention by the fact that in a mill for fine grinding of materials having a closed housing with nozzles for input and output of products, in which there is a cylindrical working chamber with an external water jacket and an inner lining, and installed in the chamber along its axis, a vertical rotor connected to a rotation drive in the form of a shaft and horizontal supporting disks connected to it, on which grinding elements are fixed on the rotation axes, the center of gravity of which is displaced relative to the axis The grinding elements consist of a metal body and a grinding insert fixed to it, which, when the element rotates, contacts the surface of the lining. At the same time, grinding inserts and lining of the working chamber are made of ceramic composite material containing diamond - 20-75% vol., Silicon carbide - 20-75% vol., Silicon - 3-40% vol.

Техническое решение поясняется следующими чертежами.The technical solution is illustrated by the following drawings.

Фиг. 1. Поперечный разрез мельницы, на котором указаны:FIG. 1. Cross section of the mill, which shows:

1 - патрубок для ввода измельчаемого материала (продукции),1 - pipe to enter the crushed material (products),

2 - патрубок для вывода измельченного материала (продукции),2 - pipe for output of crushed material (products),

3 - рабочая камера,3 - working chamber,

4 - водяная рубашка рабочей камеры,4 - water jacket of the working chamber,

5 - футеровка рабочей камеры,5 - lining of the working chamber,

6 - вал,6 - shaft

7 - привод вала,7 - shaft drive,

8 - опорный диск,8 - reference disk

9 - ось вращения мелющих элементов,9 - axis of rotation of the grinding elements,

10 - мелющие элементы.10 - grinding elements.

Фиг. 2 Внешний вид мелющего элемента:FIG. 2 Appearance of the grinding element:

11 - корпус,11 - case,

12 - мелющая вставка,12 - grinding insert,

13 - отверстие для установки на ось вращения.13 - hole for installation on the axis of rotation.

Использование футеровки и мелющих вставок из композиционного материала с содержанием алмаза менее 20% об. и с содержанием кремния более 40% об. нецелесообразно, т.к. материалы имеют низкую износостойкость, не обеспечивая эффективный ресурс работы мельницы. Изготовление футеровки и мелющих вставок из материала с содержанием алмаза более 75% об. и содержанием кремния менее 3% об. нецелесообразно, т.к. получение таких материалов технологически очень сложно.The use of lining and grinding inserts made of composite material with a diamond content of less than 20% vol. and with a silicon content of more than 40% vol. impractical since materials have low wear resistance, not providing an effective resource of the mill. The manufacture of lining and grinding inserts from a material with a diamond content of more than 75% vol. and a silicon content of less than 3% vol. impractical since obtaining such materials is technologically very difficult.

Сущность изобретения состоит в следующем.The invention consists in the following.

Мельница для тонкого измельчения материалов имеет вертикальный закрытый корпус с патрубками для ввода и вывода продукции. Патрубок ввода продукции (исходных измельчаемых порошков) расположен верхней части корпуса, например, на его верхней крышке. Патрубок вывода продукции (измельченного материала) расположен в нижней части корпуса - на нижней крышке. В середине корпуса расположена цилиндрическая рабочая камера. Рабочая камера имеет водяную рубашку охлаждения, необходимую для поддержания температурного режима в рабочей камере и отвода избыточного тепла, выделяемого в процессе измельчения материалов. Внутренняя поверхность рабочей камеры имеет футеровку, выполненную из керамического композиционного материала алмаз - карбид кремния - кремний.The mill for fine grinding of materials has a vertical closed housing with nozzles for input and output of products. The branch pipe of the input of the product (the initial ground powders) is located on the upper part of the housing, for example, on its upper cover. The outlet pipe of output (crushed material) is located in the lower part of the body - on the lower cover. In the middle of the case is a cylindrical working chamber. The working chamber has a cooling water jacket, necessary to maintain the temperature in the working chamber and to remove excess heat generated during the grinding of materials. The inner surface of the working chamber has a lining made of a ceramic composite material diamond - silicon carbide - silicon.

В различных конструктивных исполнениях мельницы возможно использование футеровки как внутреннего корпуса рабочей камеры, охлаждаемого водой, обеспечивающего конструкционную прочность. Футеровка может быть выполнена из единого полого цилиндра, внутренний диаметр которого соответствует внутреннему диаметру рабочей камеры, или из отдельных элементов, собранных по вместе с использованием методов вклейки или пайки, и также других способов.In various designs of the mill, it is possible to use the lining as an inner casing of the working chamber, cooled by water, providing structural strength. The lining can be made of a single hollow cylinder, the inner diameter of which corresponds to the inner diameter of the working chamber, or of individual elements assembled together using gluing or soldering methods, and also other methods.

В корпусе мельницы установлен ротор, имеющий вал. Вал ротора установлен по оси рабочей камеры, проходит через верхнюю крышку корпуса и соединен с приводом, обеспечивающим вращение вала при работе мельницы. В зоне рабочей камеры на валу, перпендикулярно ему, установлены опорные диски, диаметр которых меньше внутреннего диаметра футеровки. На валу могут быть установлены несколько опорных дисков, но не менее двух. Расстояние между дисками могут быть одинаковыми или различными, в зависимости от конструктивного исполнения мельницы. Во внешней зоне опорных дисков, перпендикулярно им, установлены оси вращения мелющих элементов. Эти оси могут быть выполнены, например, как цилиндрические валы, установленные между двумя соседними опорными дисками и закрепленными в них. Число установленных осей между двумя дисками зависит от конструктивного исполнения мельницы, но их не может быть менее двух. При этом целесообразна симметричная установка осей по кругу, т.к. это обеспечивает лучший баланс вращения ротора при работе мельницы.A rotor having a shaft is installed in the mill body. The rotor shaft is installed along the axis of the working chamber, passes through the top cover of the housing and is connected to a drive that provides rotation of the shaft during operation of the mill. In the area of the working chamber on the shaft, perpendicular to it, supporting disks are installed, the diameter of which is smaller than the inner diameter of the lining. Several support discs can be installed on the shaft, but not less than two. The distance between the discs can be the same or different, depending on the design of the mill. In the outer zone of the supporting discs, perpendicular to them, the rotation axis of the grinding elements are installed. These axes can be made, for example, as cylindrical shafts mounted between two adjacent support disks and fixed in them. The number of axles installed between the two discs depends on the design of the mill, but they cannot be less than two. In this case, it is advisable to symmetrically set the axes in a circle, because this provides the best balance of rotor rotation during mill operation.

На осях вращения установлены мелющие элементы. На одной оси вращения, по высоте, могут быть установлены несколько мелющих элементов. Мелющие элементы имеют корпус, изготовленный из металла, в котором закреплена мелющая вставка из керамического композиционного материала алмаз - карбид кремния - кремний. Мелющие элементы установлены на осях вращения так, что центр тяжести элемента не совпадает с осью вращения, и при вращении ротора обеспечивается поворот мелющего элемента на оси вращения и прижатие мелющей вставки к поверхности футеровки. Использование мелющего элемента с металлическим корпусом и мелющей вставкой повышает надежность конструкции мельницы по сравнению с установкой полностью керамических мелющих элементов непосредственно на оси вращения. Керамические композиты алмаз - карбид кремния - кремний имеют существенно более низкую прочность (по сравнению с металлом) при растягивающих напряжениях, возникающих в мелющем элементе при работе мельницы, а также большую хрупкость, что может привести к разрушению керамических элементов при эксплуатации. Мелющая вставка, изготовленная из керамического композита и закрепленная в корпусе мелющего элемента, обеспечивает необходимую износостойкость элемента в целом. Кроме того, такая вставка может быть легко заменена новой при техническом обслуживании мельницы без снятия мелющих элементов с осей вращения.Grinding elements are installed on the axes of rotation. On one axis of rotation, in height, several grinding elements can be installed. The grinding elements have a housing made of metal, in which a grinding insert of a ceramic composite material diamond - silicon carbide - silicon is fixed. The grinding elements are mounted on the axes of rotation so that the center of gravity of the element does not coincide with the axis of rotation, and when the rotor rotates, the grinding element is rotated on the axis of rotation and the grinding insert is pressed against the surface of the lining. The use of a grinding element with a metal body and a grinding insert increases the reliability of the mill design compared to the installation of fully ceramic grinding elements directly on the axis of rotation. Ceramic composites diamond - silicon carbide - silicon have a significantly lower strength (compared with metal) at tensile stresses arising in the grinding element during mill operation, as well as greater brittleness, which can lead to destruction of ceramic elements during operation. A grinding insert made of a ceramic composite and fixed in the housing of the grinding element provides the necessary wear resistance of the element as a whole. In addition, such an insert can be easily replaced by a new one during maintenance of the mill without removing the grinding elements from the axis of rotation.

Мельница работает следующим образом. Привод мельницы обеспечивает вращение ротора. При этом мелющие элементы, в которых центр тяжести смещен относительно оси их вращения за счет действующей на них центробежной силы, поворачиваются на осях вращения, перемещая тем самым мелющую вставку к поверхности футеровки. Мелющие вставки прижимаются к поверхности футеровки и скользят по ней с угловой скоростью вращения ротора.The mill operates as follows. The mill drive provides rotor rotation. In this case, the grinding elements in which the center of gravity is displaced relative to the axis of their rotation due to the centrifugal force acting on them, rotate on the rotation axes, thereby moving the grinding insert to the surface of the lining. Grinding inserts are pressed to the surface of the lining and slide on it with the angular velocity of rotation of the rotor.

Исходные продукты - порошкообразные материалы, подвергаемые измельчению, подают через патрубок ввода, расположенный выше рабочей камеры. Опускаясь за счет собственного веса в рабочую камеру, частицы порошка отбрасываются ротором на поверхность футеровки и подвергаются истирающему воздействию движущихся по поверхности футеровки мелющих вставок, вызывая тем самым разрушение частиц и измельчение материала. Увеличение окружной скорости вращение ротора увеличивает как линейную скорость движения мелющей вставки по поверхности футеровки, так и силу прижатия мелющей вставки к поверхности футеровки. Тем самым осуществляют регулирование степени измельчения исходных материалов. Если по высоте мельницы, на осях вращения, в зоне рабочей камеры, установлено несколько мелющих элементов, то измельчаемый материал после воздействия на него верхних мелющих элементов под собственным весом опускается в зону воздействия на него следующих по высоте элементов. Тем самым достигается повышение степени измельчения порошкообразных материалов, которые затем, под собственным весом, выводятся из мельницы через выходной патрубок, расположенный ниже рабочей камеры.Starting materials — powdered materials to be ground, are fed through an inlet pipe located above the working chamber. Sinking down due to its own weight into the working chamber, the powder particles are discarded by the rotor on the surface of the lining and are subjected to abrasion by the grinding inserts moving along the surface of the lining, thereby causing the destruction of the particles and grinding of the material. The increase in peripheral speed, the rotation of the rotor increases both the linear speed of the grinding insert on the surface of the lining, and the pressing force of the grinding insert to the surface of the lining. Thereby, the degree of grinding of the starting materials is controlled. If several grinding elements are installed along the height of the mill, on the axis of rotation, in the zone of the working chamber, then the crushed material after exposure to the upper grinding elements under its own weight falls into the zone of influence of the next highest elements on it. Thereby, an increase in the degree of grinding of powdered materials is achieved, which then, under their own weight, are removed from the mill through an outlet pipe located below the working chamber.

Использование в конструкции мельницы футеровки и мелющих вставок из керамического композиционного материала алмаз - карбид кремния - кремний существенно увеличивает ресурс работы мельницы и расширяет области ее применения. Это связано с тем, что использованный в конструкции мельницы керамический композит обладает высокой твердостью (до 55 ГПа) и высокой износостойкостью. Тем самым предлагаемая мельница может быть использована для измельчения особо твердых материалов, например оксид алюминия, карбид кремния, карбид бора, имеющих меньшую твердость, чем композит (20, 23, 40 ГПа соответственно), тогда как известные мельницы подобного конструктивного исполнения не могут быть применены в этих случаях. Высокая твердость композита и изготовленных из него футеровки и мелющих вставок определяет очень низкий износ этих элементов мельницы, что не только обеспечивает эффективное использование мельницы без замены соответствующих элементов, но и позволяет получать чистые измельченные порошки, не загрязненные «намолом» деталей измельчающих устройств.The use of lining and grinding inserts made of ceramic composite material diamond - silicon carbide - silicon in the mill design significantly increases the life of the mill and expands its field of application. This is due to the fact that the ceramic composite used in the construction of the mill has high hardness (up to 55 GPa) and high wear resistance. Thus, the proposed mill can be used for grinding particularly hard materials, for example, aluminum oxide, silicon carbide, boron carbide, which have a lower hardness than the composite (20, 23, 40 GPa, respectively), while the known mills of this design can not be applied in these cases. The high hardness of the composite and the linings and grinding inserts made of it determines the very low wear of these elements of the mill, which not only ensures the efficient use of the mill without replacing the corresponding elements, but also allows us to obtain pure powdered powders that are not contaminated with “grinding” parts of grinding devices.

Предлагаемая мельница может быть использована при измельчении порошкообразных материалов в жидких средах. В этом случае измельчаемый материал подается в мельницу в виде суспензии, например, в воде. При измельчении в жидких средах предпочтительна подача суспензии в рабочую камеру снизу, а вывод готового продукта - сверху. Принципы работы мельницы аналогичны измельчению на ней сухих порошков.The proposed mill can be used for grinding powdered materials in liquid media. In this case, the material to be ground is fed into the mill in the form of a suspension, for example, in water. When grinding in liquid media, it is preferable to feed the suspension into the working chamber from below, and the output of the finished product from above. The principles of the mill are similar to grinding dry powders on it.

Таким образом, предложенная мельница имеет повышенный ресурс работы за счет малого износа мелющих элементов и футеровки, обеспечивает расширение областей ее применения, включая измельчение особо твердых материалов, а также высокую эффективность как за счет увеличения межремонтного ресурса по замене изношенных элементов мельницы, так и простоты замены мелющих вставок при техническом обслуживании, при сохранении надежности механических свойств мелющих элементов, корпус которых изготовлен из металла.Thus, the proposed mill has an increased service life due to the low wear of the grinding elements and the lining, provides an expansion of its application areas, including grinding of particularly hard materials, as well as high efficiency due to an increase in the overhaul life for replacing worn mill elements, and ease of replacement grinding inserts during maintenance, while maintaining the reliability of the mechanical properties of grinding elements, the housing of which is made of metal.

Claims

A mill for fine grinding of materials, including a closed housing with inlets for input and output of products, in which a cylindrical working chamber with an external water jacket and an inner lining is located and installed in the chamber along its axis is a vertical rotor connected to a rotation drive in the form of a shaft and connected to it horizontal supporting disks on which grinding elements are fixed on the axis of rotation, the center of gravity of which is offset from the axis of rotation, characterized in that the grinding elements consist of metal the housing and the grinding insert fixed on it, which during rotation of the element is in contact with the surface of the lining, and the grinding inserts and the lining of the working chamber are made of ceramic composite material containing diamond - 20-75% vol., silicon carbide - 20-75% vol. silicon - 3-40% vol.