Именно в России созданы планетарные мельницы, способные развивать высокие ускорения и обеспечивать быстрое и эффективное измельчение различных материалов в промышленном масштабе.
Принцип действия планетарных мельниц
В планетарных мельницах обычно имеются 3 или 4 барабана, вращающихся вокруг центральной оси и одновременно вокруг собственных осей в противоположном направлении (подобно движению планет вокруг Солнца). В барабаны загружают измельчаемый материал и мелющие тела (обычно шарики). Частицы измельчаемого материала претерпевают множество соударений с мелющими телами и стенками барабана. Эффективность планетарных мельниц обусловлена высокой кинетической энергией мелющих тел, благодаря большой скорости их движения создающих высокие напряжения в активируемом веществе.
Планетарная мельница МПП-1 (ТТД).
Сравнение с традиционным измельчительным оборудованием
При вращении обычной вращающейся шаровой мельницы мелющие тела измельчают материал, падая под действием силы тяжести. Гравитационное ускорение = 1 G. В планетарных мельницах используется центробежное движение барабанов с высокими ускорениями. Ускорение в лабораторных планетарных мельницах = 28-60 G и выше. Ускорение в планетарных мельницах промышленного типа = 20 G. Ясно, что силы, действующие на
Планетарная мельница МПП-1 (ТТД).
измельчаемый материал в планетарных мельницах, не менее чем в десятки раз превышают силу воздействия на материал в традиционном измельчительном оборудовании. Процесс измельчения в планетарных мельницах происходит значительно быстрее и эффективнее. Например, в производстве тонкого порошка карбида вольфрама (WC) рядовым событием является измельчение порошка в шаровой мельнице в течение 130 часов. В планетарной мельнице характерное время измельчения WC до субмикронного размера составляет 15-30 мин. Энергонапряженность (в англоязычной литературе – energy density, плотность энергии) мельницы можно оценить, разделив ее мощность на объем рабочей камеры. Энергонапряженность планетарной мельницы может в 1000 раз превышать соответствующие параметры шаровых мельниц. Планетарные мельницы, использующие высокие ускорения, характеризуются наиболее высокой энергонапряженностью по сравнению с аттриторами, вибро-мельницами, струйными мельницами и дезинтеграторами. На рынке лабораторного оборудования известны планетарные мельницы зарубежных производителей.
Реально используемые в них ускорения обычно не превышают 7-8 G. Промышленных аналогов для них нет. В рамках проекта «Активация» проводилось сравнение эффективности измельчения в различных лабораторных планетарных мельницах. В мельнице российского производителя размер частиц в 120–180 нм для карбида вольфрама достигался в 18–30 раз быстрее, чем в зарубежном рыночном аналоге. В литературе можно даже встретить утверждение, что планетарные мельницы принципиально невозможно масштабировать и создать оборудование большой производительности. Действительно, задача непрерывной загрузки и выгрузки материала для барабанов, вращающихся с высокой скоростью, является технически сложной. Однако, она была успешно решена, и в настоящее время на рынке представлен типоразмерный ряд планетарных мельниц промышленного типа, созданных в России.
Планетарные мельницы периодического и непрерывного действия
При работе с планетарной мельницей периодического действия необходимо загрузить мелющие тела и материал в барабаны, установить их в устройство крепления, произвести помол и выгрузить порошок. В мельницах непрерывного действия, как следует из их названия, процесс подачи и выгрузки материала осуществляется непрерывно. На рынке имеются планетарные мельницы периодического действия с объемом загружаемого материала в 1 барабан от 75 мл до 2,4 л. Поскольку имеется 4 барабана, а измельчение происходит быстро, производительность их может достичь 36 кг/ч. Мельницы большой производительности используют ускорения 20 G. В режиме самоизмельчения крупность исходного материала может достигать 60 мм для самой крупной из мельниц периодического действия. Их главная задача — выполнять малые производственные программы в промышленных условиях. Область их применений включает подготовку проб к физико-химическому анализу, смешивание компонентов, механическое легирование (сплавление), получение тонких и сверхтонких порошков для порошковой металлургии, использование в небольшом производстве пигментов, абразивных материалов, фармацевтических препаратов, избирательное измельчение при разведке драгметаллов и алмазов, активацию концентратов перед гидрометаллургией.
Планетарная мельница МПП-2 (ТТД).
Планетарная мельница МПП-3 (ТТД).
Измельчение различных материалов имеет свои особенности. Для некоторых материалов требуется использовать футеровки и работать в атмосфере инертного газа. Планетарные мельницы непрерывного действия, представленные на рынке, характеризуются производительностью от 20 кг/ч до 12 т/ч для порошка менее 10 мкм. Они сочетают высокую эффективность получения супертонких порошков и компактность. Удельная производительность планетарных мельниц в 10-30 раз превышает удельную производительность традиционного измельчительного оборудования. Недостатки обычных шаровых мельниц хорошо известны: большие габаритные размеры, огромный расход энергии и низкая эффективность измельчения. Планетарные мельницы не требуют массивного дорогостоящего фундамента, а их эксплуатационные расходы в несколько раз меньше, чем для обычного измельчительного оборудования.
Планетарная мельница МП-4 (ТТД). Производительность по порошку
Планетарная мельница МП-5 (ТТД). Производительность по порошку
Сухое измельчение в промышленном масштабе предполагает использование технологических линий, включающих, кроме мельницы, классификатор, фильтр и вентилятор. Организация масштабного и эффективного производства тонкодисперсных и наноструктурированных порошков требует создания технологий на основе планетарных мельниц, обладающих техническими характеристиками, которые позволяют отказаться от нескольких стадий дробления-измельчения, применяемых в традиционных технологических схемах. При высоких ускорениях барабанов в результате интенсивной механической обработки происходит изменение физико-химических свойств порошков. Механически активированные частицы обладают повышенной реакционной способностью и легче вступают в химические реакции, чем порошки, полученные другими методами.
Мелющие тела (стальные шары) в барабанах. В комплектацию лабораторной планетарной мельницы входят барабаны 3х различных размеров.
Механически активированные керамические порошки спекаются при более низких температурах, чем неактивированные. Используя измельчительное оборудование нового поколения, можно достичь не только уменьшения размера частиц, но и получить механически активированные порошки с новыми физико-химическими свойствами. Использование планетарных мельниц перспективно в порошковой металлургии, для механического легирования и создания дисперсно-упрочненных сплавов. В результате механического легирования сплавов на основе алюминия (проект «Активация») при значительном ускорении процесса были достигнуты высокая степень покрытия твердой фазы металлом, хорошие адгезия и распределение твердой фазы в металлической матрице. Полученные результаты и анализ литературы однозначно свидетельствуют о перспективности применения планетарных мельниц в самых различных областях, в которых необходим тонкий помол (один из наиболее дорогостоящих переделов в крупнотоннажном производстве).
Области применения планетарных мельниц:
— производство и регенерация катализаторов
— производство фармацевтических препаратов
— измельчение и плакирование абразивных материалов
— активация концентратов руд для гидрометаллургии и пирометаллургии
— переработке трудноизмельчаемых твердых отходов
— производство строительных материалов, сухих строительных смесей
Источник
Планетарная мельница своими руками
Организация масштабного и эффективного производства тонкодисперсных и наноструктурированных порошков требует создания технологий на основе планетарных мельниц, обладающих техническими характеристиками, которые позволяют отказаться от нескольких стадий дробления-измельчения, применяемых в традиционных технологических схемах.
Процесс измельчения материалов является одним из энергоемких. С этой точки зрения определенный интерес представляют планетарные мельницы, у которых усилие разрушения создается инерционными силами. В таких мельницах можно легко изменить не только величину усилия, но и частоту циклов воздействия.
В планетарных мельницах обычно имеются 3 или 4 барабана, вращающихся вокруг центральной оси и одновременно вокруг собственных осей в противоположном направлении (рис. 1). В барабаны загружают измельчаемый материал и мелющие тела (шарики). Частицы измельчаемого материала претерпевают множество соударений с мелющими телами и стенками барабана. Эффективность планетарных мельниц обусловлена высокой кинетической энергией мелющих тел, благодаря большой скорости их движения создающих высокие напряжения в активируемом веществе.
Рис. 1. Принцип действия ланетарной мельницы
Удельная производительность планетарных мельниц в 10-30 раз превышает удельную производительность традиционного измельчительного оборудования. Недостатки обычных шаровых мельниц хорошо известны: большие габаритные размеры, огромный расход энергии и низкая эффективность измельчения. Планетарные мельницы не требуют массивного дорогостоящего фундамента, а их эксплуатационные расходы в несколько раз меньше, чем для обычного измельчительного оборудования [1].
Разработанная конструкция планетарной мельницы периодического действия представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Общий вид планетарной мельницы
Планетарная мельница периодического действия содержит кожух 15, в котором размещены помольные барабаны 11 с загрузочными отверстиями и крышками 14. На верхнем водиле закреплены крышки. Каждое водило снабжено двумя рычагами 4, диаметрально установленными на соответствующей планшайбе с возможностью поворота и соединенными с элементами установки помольных барабанов. Помольные барабаны при вращении взаимодействуют с внутренней поверхностью кожуха. Планетарная мельница содержит смонтированную на основание 1 центральную полую колонну 2, на которой закреплена основная планшайба 3, установлены водила 4 и дополнительная планшайба 5. Планшайба посредством колонны связанна клиноременной передачей 6 с электродвигателем 7. Колонна 2 вращается в подшипниковом узле 8.
Планшайба 3 посредством пальцев 9 сопряжена с водилом 4. Водила 4 посредством подшипников скольжения 10 сопряжены с помольными барабанами 11 гуммированными по наружной поверхности. В помольный барабан 11 вставляется стакан 12 с мелющими телами. Для закрепления помольных барабанов 11 служит механизм зажима, выполненный конструктивно аналогично конструкции планшайбы 3 с водилами 4. Дополнительная планшайба 5 жестко соединена со штоком 13 силового гидроцилиндра. Крышки 14 помольных барабанов смонтированы в подшипниковых узлах и имеют возможность вращаться в них. Поверхностью качения помольных барабанов 11 является кожух 15, который одновременно защищает от выброса помольных барабанов в случае выхода из строя механизмов зажима.
Планетарная мельница работает следующим образом. В исходном положении в помольный барабан 11 устанавливается гильза 12, заполненная размалываемым материалом и свободными мелющими телами, например шарами. Посредством штока 13 силового гидроцилиндра опускают дополнительную планшайбу 5. При этом крышки 14 закрывают загрузочное отверстие. В таком положении включается электродвигатель 7 и начинается процесс размола.
Под действием центробежной силы, действующей на помольные барабаны, они прижимаются к поверхности кожуха 15. В зоне контакты помольных барабанов и кожуха возникает сила трения, помольные барабаны начинают обкатываться по поверхности кожуха. После окончания процесса размола двигатель выключается, открывают помольные барабаны, из которых извлекаются сменные стаканы и на их место устанавливаются другие, подготовленные к работе [2].
Контакты между барабанами и кожухом и напряжения, возникающие между ними, играют не маловажную роль в данной конструкции, так как вращение барабанов вокруг собственной оси происходит за счет силы трения между кожухом и барабаном.
В данной работе рассматривается моделирование конструкции планетарной мельницы периодического действия при взаимодействии помольных барабанов и внутренней поверхности кожуха. Моделирование выполнено на основе программы ANSYS Workbench[3].
В построенной модели имеются две контактные области: между кожухом и ободками барабана; между внутренней поверхностью барабана и упрощенной моделью мелющих тел. Для того чтобы обозначить контактные области необходимо в структурной панели выбрать меню «Connections» и создать новый контакт. Далее ANSYS предложит выбрать контактные поверхности, выбираем внутреннюю поверхность кожуха типа «target» и поверхность ободков барабана типа «contact» (рис. 3).
Рис. 3. Контактные поверхности между барабаном и кожухом
В результате построена конструкция планетарной мельницы, а именно кожух и барабан, указаны контактирующие поверхности, заданы свойства материала, а также получена дискретная модель объекта.
Следующий этап – обозначение нагрузок, действующих на модель. Центробежная сила направлена вдоль радиуса кожуха, перпендикулярно плоскости упрощенной модели мелющих тел. В результате расчета получены распределения минимальных и максимальных напряжений по всем осям, и деформации в любой точке, как в кожухе, так и в помольных барабанах (рис. 4,5).
Рис. 4. Распределение напряжений на поверхности кожуха
Рис. 5. Распределение напряжений на поверхности барабана
После окончания расчетов получили максимальные значения напряжений в зоне контакта 79 МПа. Максимальное допускаемое напряжение, возникающее в области контакта, для стали равно 430 МПа. Значения, полученные в результате проведения эксперимента, не превышают значений допускаемых контактных напряжений, то есть выполняется условие прочности по контактным напряжениям, поэтому можно утверждать, что при заданных начальных условиях не будет наблюдаться разрушение и деформация кожуха планетарной мельницы и остается большой запас прочности.
При начальных условиях элементы планетарной мельницы не подвержены разрушению и имеют большой запас прочности. Поэтому для дальнейшего развития и модернизации планетарной мельницы, были проведены еще два эксперимента с большим значением силы, с которой барабан действует на внутреннюю поверхность кожуха. Было решено использовать еще два значения силы: 200000 Н и 400000 Н.
При проведении эксперимента с центробежной силой равной 200000 Н, были получены следующее максимальное значение контактных напряжений: 205 МПа. Данные значения не превышают максимальное допускаемое напряжение, следовательно, при увеличении силы в 2 раза в зоне контакта кожуха и барабана, не будет наблюдаться разрушение и деформация. Поскольку квадрат угловой скорости пропорционален силе, то можно сделать вывод, что при увеличении квадрата угловой скорости, с которой вращается барабан, в 2 раза, можно уменьшить время измельчения руды при этом детали мельницы не будут подвержены сильному износу.
При силе равной 400000 Н, значения максимальных контактных напряжений следующие: 434М Па. Контактное напряжение, возникшее на поверхности барабана, превышает допустимое значение напряжения, следовательно, барабан, при силе 400000Н будет подвержен разрушению.
Частоту вращения барабана можно увеличить, приблизительно в 1,5 раза, при этом детали мельницы не будут подвержены разрушению, и уменьшится время необходимое для измельчения руды.
Также в нашей работе был проведен аналитический расчет максимальных контактных напряжений по данной формуле
где Е – модуль упругости, p – давление, R1 – радиус ободков барабана, R2 – радиус кожуха. Результаты, полученные с помощью программного комплекса ANSYS Workbench и рассчитанные аналитическим путем, а также их расхождение в процентном соотношении приведены в таблице. Как видно из таблицы, при нагрузке в 400кПа значение максимальных напряжений превышает предельно допустимое 430Мпа, следовательно, модель будет подвержена разрушению.
Результаты расчетов, полученные в данной работе, свидетельствую о том, что моделирование взаимодействия барабана и кожуха было выполнено успешно. Что касается полученных конечных результатов, программный пакет ANSYS Workbench полностью подходит для расчета подобных задач и дает достоверную картину распределения напряжений и деформаций в объекте исследования.
полученное в ANSYS(МПа)
