Ударная мельница

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Для измельчения материалов в промышленности используют различные виды мельниц, принцип действия которых обусловлен основными способами разрушения: раздавливанием, истиранием, раскалыванием, ударом и резанием [1–7]. При производстве тонкодисперсных материалов в больших объемах в условиях промышленности эти способы остаются практически незаменимыми благодаря высоким показателям надежности оборудования и простоте его обслуживания, несмотря на то, что КПД некоторых мельниц довольно невысок и измельчение – достаточно энергоемкий процесс. Поэтому правильный выбор оборудования и требования, предъявляемые к технологии, во многих отраслях промышленности стимулируют поиск новых способов и подходов к решению проблем, связанных с измельчением различных по прочности материалов.

Идея использования сжатой струи газа для измельчения твердого материала получила достаточно много вариантов конструктивного оформления [8]. Принцип работы таких мельниц заключается в следующем: измельчаемый материал подается в помольную камеру, где подхватывается струями газа-энергоносителя и разгоняется до высоких скоростей. Движущиеся с большой скоростью частицы сталкиваются либо друг с другом, либо с отбойной плитой, в результате происходит их интенсивное разрушение. Дополнительное измельчение осуществляется при трении частиц друг о друга и о стенки помольной камеры. Отсутствие мелющих тел позволяет получать дисперсный материал с низким и даже нулевым содержанием продуктов износа [9]. Размеры частиц готового продукта можно регулировать в широком диапазоне, причем ударную мельницу обычно снабжают классификатором [10]. Во время работы сжатый газ подают в камеру измельчения через сопла. Сопла имеют два варианта исполнения – конические и сопла Лаваля [11]. Конические сопла обычно применяют для непрочных материалов, а также в спиральных струйных мельницах. Режим работы сопла Лаваля в мельницах ударного действия отличается от расчетного и не дает тех преимуществ сверхзвукового течения струи, которое повышает эффективность размола, особенно в случае измельчения тугоплавких металлов. Специальные ударные мельницы имеют сопла для формирования встречных потоков материала [12]. В этом случае ожидаемый результат в виде повышения эффективности не подтверждается практически – при встрече потоков наблюдается большая область стагнации, и такой принцип ударного размола оказывается неэффективным при измельчении тугоплавких металлов.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для количественного определения распределения частиц по размерам использовали поляризационный микроскоп Meiji MT-9930 проходящего и отраженного света в комплекте со встроенным программным обеспечением Thixomet Lite, позволяющим использовать указанный в [13] металлографический метод случайных секущих.

Для исследований структуры и элементного состава поверхности частиц применяли растровый электронный микроскоп DualBeam VERSA 3D HighVac. Анализ энергодисперсионных спектров проводили с помощью фирменного программного обеспечения, позволяющего в качестве выходных данных получать химический состав образцов, включая расчет погрешностей измерений и статистическую обработку данных.

Рентгенофазовый анализ порошков проводили с использованием дифрактометра Rigaku SmartLab SE (CuK_α-излучение), снабженного полупроводниковым 1D детектором D/Tex Ultra 250 SL с линейной скоростью счета 256 × 10⁶ имп./с. Программное обеспечение Smart Lab, Match3!, Powder Cell с базой данных ICDD PDF2 (2020 г.) позволяет характеризовать материалы методом Ритвельда.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В лаборатории физико-химических основ кристаллизации Института физики твердого тела РАН (ИФТТ РАН) была разработана эффективная ударная мельница, которая позволяла измельчать стружку тугоплавких металлов для повторного использования в электрометаллургии [14]. Благодаря применению “чистого удара” измельченный материал имел характерную осколочную форму, что затрудняло его применение в устройствах со шнековой подачей, например, в 3D-принтерах. Поэтому разработка ударной мельницы для дробления стружки тугоплавких металлов и получения материала с округлой формой частиц, пригодной для равномерного перемещения в шнековом транспортере при подаче в зону плавления, является актуальной задачей. После серии экспериментов конструкция ударной мельницы была дополнена элементами, представленными на кинематической схеме (рис. 1). Технического результата достигают за счет использования стержневых отбойников, расположенных каскадом в области первого диска Маха, а отбойная плита расположена в зоне турбулентности и снабжена винглетами с отверстиями для сепарации измельченного металла.

 

Рис. 1. Кинематическая схема ударной мельницы: 1 – корпус; 2 – сопло Лаваля; 3 – стержневые отбойники из молибдена; 4 – отбойная плита из молибдена; 5 – винглеты с отверстиями; 6 – подача газа-энергоносителя; 7 – подача молибденовой стружки

 

Устройство работает следующим образом. Газ-энергоноситель (аргон) подается в сопло Лаваля 2 под давлением 1 МПа через входной патрубок 6 и на выходе сопла приобретает скорость ~400 м/с. Стружка тугоплавкого металла попадает в сопло по патрубку 7. Приобретая ускорение и разгоняясь до сверхзвуковых скоростей, она сталкивается со стержневыми отбойниками, выполненными из того же тугоплавкого металла и расположенными каскадом в области первого диска Маха. Испытывая многократные соударения с отбойниками, стружка разрушается и попадает в зону турбулентности, где стоит отбойная плита 4. Испытывая вихревой движение вдоль поверхности отбойной плиты, частицы подвергаются абразивному износу и приобретают округлую топологию поверхности, пригодную для равномерного перемещения в шнековом транспортере. Достигая винглетов с отверстиями 5, частицы измельченного металла сепарируются и оседают на дно корпуса 1. Цикл измельчения закончен.

На рис. 2 представлен порошок после однократного размола стружки. Рентгенофазовый анализ порошка показал однофазный состав продукта помола – молибден с кубической объемно-центрированной решеткой типа α-Fe (a = 3.14 Å, Z = 2, пространственная группа Im3m). По данным энергодисперсионного анализа фракционный состав порошка содержит не менее (70 ± 3)% основной фракции с характерным размером частиц 1.0 ± 0.2 мм (рис. 3). На рис. 4 представлено изображение пылевой фракции осколочной формы, извлеченной из сепаратора. Отношение массы пылевой фракции к массе основного продукта помола составляет 1 : 9. При анализе энергодисперсионных спектров было обнаружено, что примесный состав по концентрации суммарно не превышает 500 млн^–1 [15], что соответствует по чистоте марке молибденового порошка ПМ99,95, выпускаемого промышленностью.

 

Рис. 2. Порошок после однократного размола стружки

 

Рис. 3. Фракционный состав порошка

 

Рис. 4. Изображение пылевой фракции осколочной формы

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Благодаря применению предложенной конструкции ударной мельницы измельченный материал имеет однородную структуру с минимальным содержанием пылевой фракции в продукте помола и химическим составом, соответствующим марке молибденового порошка ПМ99,95. Продукт помола пригоден для дальнейшего применения в электрометаллургии в устройствах со шнековой подачей, например, в 3D-принтерах. С помощью предложенного устройства значительно снижаются энергетические затраты и повышается эффективность переработки вторичного сырья.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках государственного задания Института физики твердого тела российской академии наук (ФТТ РАН).

Конфликт интересов. Авторы заявляют, что в данной работе у них нет конфликта интересов.

Об авторах

А. С. Ажгалиева

Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН

Email: bdn@issp.ac.ru
Россия, Черноголовка

Д. Н. Борисенко

Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: bdn@issp.ac.ru
Россия, Черноголовка

Н. Н. Колесников

Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН

Email: bdn@issp.ac.ru
Россия, Черноголовка

А. А. Жохов

Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН

Email: bdn@issp.ac.ru
Россия, Черноголовка

Список литературы

Дополнительные файлы