Способ вихревого измельчения материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение предназначено для тонкого измельчения полидисперсных материалов. Способ вихревого измельчения материалов включает ввод струи в полость камеры измельчения, подачу исходного материала с вовлечением его в вихревой поток и вывод его вместе с энергоносителем, при этом высокоскоростной вихрь организуют внутри полости измельчения с преимущественно спиралевидными линиями тока, начинающимися у оси тора, а заканчивающими у его осевой окружности. Устройство для вихревого измельчения материалов включает корпус с внешними средствами для подачи исходного материала с образованием высокоскоростного вихря, камера измельчения образована двумя торообразными поверхностями, имеющими общий центр и ось, при этом внешняя торообразная поверхность имеет радиус торообразующей окружности, примерно равный радиусу осевой окружности тора. Перед осевым отверстием корпуса установлено сопло, внутренняя торообразная поверхность имеет сквозные отборные отверстия, сообщенные с отводными патрубками. Изобретение позволяет уменьшить степень износа стенок рабочей камеры при помоле и повысить качество измельченного материала. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области техники для измельчения материалов в вихревых камерах и может быть использовано для тонкого измельчения полидисперсных материалов в различных отраслях промышленности, например: горнорудной, химической, строительной, энергетической, пищевой, медицинской.

Известен способ вихревого измельчения материала, включающий тангенциальный ввод струй энергоносителя под углом к соответствующему радиусу зоны измельчения, ограниченной боковой и торцевыми стенками помольной камеры, с образованием высокоскоростного вихря, подачу исходного материала в камеру с вовлечением его в вихревой газовый поток и вывод целевого продукта (патент US N 3648936, B 02 C 19/06, 1970).

Известно также газодинамическое устройство для вихревого измельчения материала, содержащее помольную камеру, снабженную средствами для подачи исходного материала, каналами для подачи энергоносителя и патрубком для вывода целевого продукта, которое дополнительно содержит газоструйные излучатели высокого давления и при этом каждый канал подачи энергоносителя связан с полостью помольной камеры через соответствующий газоструйный излучатель, а угол выхода струй энергоносителя относительно соответствующего радиус помольной камеры равен 60-85^o (Евразийский патент ЕР N 0004 B1, B 02 C 19/06, 19/08, 1997).

Известно также и газодинамическое устройство для вихревого измельчения материала, содержащее цилиндрическую помольную камеру, тангенциальные резонаторы Гельмгольца и перемещаемые патрубки для подачи материала, энергоносителя и вывода продуктов помола (А.С. СССР N 1282894, кл. B 02 C 19/00, 1983).

Известны также широко применяемые разные конструкции мельниц струйного типа, в которых измельчение материала происходит за счет соударения разогнанных высокоскоростной струей газа частиц измельчаемого материала с твердой мишенью.

Недостатком устройств является значительный износ торцевых и боковых стенок помольной камеры при взаимодействии их с измельчаемым материалом, что, кроме износа агрегата, приводит также к повышенному содержанию примесей в продукте помола. Особенно существенно указанный недостаток проявляет себя при помоле твердых абразивных веществ, когда процесс износа и количество примеси особенно значительны.

Наиболее близким по технической сущности изобретением к предложенному способу является способ вихревого измельчения материалов, включающий ввод струи энергоносителя в полость камеры измельчителя под углом к радиусу зоны измельчения с образованием высокоскоростного вихря, подачу исходного материала с вовлечением его в вихревой поток и вывод целевого продукта - измельченного материала вместе с энергоносителем (SU N 1282894, кл. B 02 C 19/00, 15.01.1987).

Наиболее близким по технической сущности изобретением к предложенному устройству является устройство для вихревого измельчения материалов, включающее корпус с внешними средствами для подачи исходного материала, внешними патрубками для подачи энергоносителя под углом к радиусу зоны измельчения с образованием высокоскоростного вихря и вовлечением в вихревой поток измельчаемого материала, и внешними патрубками для транспортирования целевого продукта - измельченного материала с выходящим потоком энергоносителя, а также элементами сепарации и отделения целевого продукта от энергоносителя (SU N 1282894, кл. B 02 C 19/00, 15.01.1987).

Недостатком известных способа и устройства является высокая степень износа стенок рабочей камеры при помоле и низкое качество измельчаемого материала.

Задачей изобретения является уменьшение степени износа стенок рабочей камеры при помоле и, как результат, повышение качества (чистоты) измельченного материала и увеличение срока службы рабочей камеры.

Указанная задача достигается тем, что в способе вихревого измельчения материалов, включающем ввод струи энергоносителя в полость камеры измельчителя под углом к радиусу зоны измельчения с образованием высокоскоростного вихря, подачу исходного материала с вовлечением его в вихревой поток и вывод целевого продукта - измельченного материала вместе с энергоносителем, согласно изобретению высокоскоростной вихрь организуют внутри полости в виде торообразного вихря с преимущественно спиралевидными линиями тока, начинающимися у оси тора, а заканчивающимися у его осевой окружности, при этом полость образована двумя преимущественно торообразными поверхностями, имеющими общий центр и ось симметрии: внешней поверхностью, у которой радиус торообразующей окружности равен радиусу осевой окружности тора, усеченной в центральной области с одной стороны от экваториальной плоскости между центром тора и плоскостью, перпендикулярной ее оси, с образованием отверстия, и внутренней поверхностью, имеющей частично проницаемые границы, у которой радиус торообразующей окружности меньше радиуса торообразующей окружности внешней поверхности, а радиусы их осевых окружностей приблизительно равны, вводят высоконапорную профилированную струю энергоносителя вместе с измельчаемым материалом внутрь этой полости через отверстие в ней вдоль ее оси по направлению к ее центру и организуют вывод энергоносителя вместе с измельченным материалом, соединяя эту полость через внутреннюю торообразную поверхность с внешней атмосферой.

Указанная задача также достигается тем, что устройство для вихревого измельчения материалов, включающее корпус с внешними средствами для подачи исходного материала, внешними патрубками для подачи энергоносителя под углом к радиусу зоны измельчения с образованием высокоскоростного вихря и вовлечением в вихревой поток измельчаемого материала, и внешними патрубками для транспортирования целевого продукта измельченного материала с выходящим потоком энергоносителя, а также элементами сепарации и отделения целевого продукта от энергоносителя, согласно изобретению имеет камеру измельчения в корпусе, образованную двумя торообразными поверхностями, имеющими общий центр и ось, при этом внешняя торообразная поверхность выполнена с удаленной центральной частью корпуса от центра до его осевого отверстия с одной стороны от экваториальной плоскости и имеет радиус торообразующей окружности, примерно равной радиусу осевой окружности тора, при этом перед осевым отверстием установлено сопло, формирующее струю энергоносителя, истекающую из осевого отверстия в полость и направленную вдоль оси камеры измельчения через ее центр; внутренняя торообразная поверхность, осевая окружность которой примерно совпадает с осевой окружностью камеры измельчения, имеет сквозные отборные отверстия, сообщенные с отводными патрубками.

В основу базового способа положено применение для решения поставленных задач интенсивных концентрированных турбулентных тороидальных вихрей - класса вихревых течений, не применяемого ранее в вихревых измельчителях. Течения такого вида сохраняют большинство свойств линейных вихрей, необходимых для решения задач измельчения, дополняя их новыми и облегчая управление процессом помола.

Базовый способ представляет из себя следующее решение.

Способ вихревого измельчения материала, включающий ввод струи газа - энергоносителя в полость камеры измельчителя под углом к радиусу зоны измельчения с образованием высокоскоростного вихря, подачу исходного материала с вовлечением его в вихревой поток и вывод целевого продукта - измельченного материала вместе с газом, отличающийся тем, что высокоскоростной вихрь организуют в виде торообразного вихревого кольца с преимущественно спиралевидными линиями тока, начинающимися вблизи оси тора, а заканчивающимися вблизи его осевой окружности, размещают его внутри полости, образованной двумя преимущественно торообразными поверхностями, имеющими общий центр и ось тора - внешней, у которой радиус торообразующей окружности r₁ равен радиусу осевой окружности тора R₁, усеченной в центральной области с одной стороны от экваториальной плоскости между плоскостью, перпендикулярной ее оси, и центром тора с образованием отверстия, и внутренней, у которой радиус торообразующей окружности r₂ < r₁, а радиус осевой окружности R₂~R₁, имеющей частично проницаемые границы, вводят высоконапорную профилированную струю газа вместе с измельчаемым материалом внутрь этой полости через отверстие в ней вдоль ее оси по направлению к ее центру и организуют вывод газа вместе с измельченным материалом, соединяя эту полость через внутреннюю торообразную поверхность с внешней по отношению к полости атмосферой.

При реализации этого способа в устройстве существенно уменьшается трение измельчаемого материала о стенки по сравнению с устройствами, основанными на линейных вихрях, так как, во-первых, устранены торцевые стенки, характерные для большинства устройств линейного типа, и при этом не потеряна устойчивость, целостность и компактность течения. Значит трение о торцевые стенки отсутствует. Во-вторых, за счет существенного расширения газа при движении от центра к кольцевой оси тора, существенно снижается тангенциальная скорость вблизи поверхности полости, в которой происходит измельчение, что также приводит к уменьшению интенсивности взаимодействия измельчаемого материала с поверхностью. В-третьих, поверхность торообразной полости не имеет резких локальных изломов формы, приводящих к образованию застойных зон (таких как область вблизи соприкосновения боковых и торцевых стенок цилиндра), вредных вторичных течений с образованием приповерхностных вихрей и т.п., что приводит к более точному согласованию основного течения с приповерхностным слоем и в результате также приводит к уменьшению трения. В-четвертых, зоны повышенного износа локализованы, что позволяет предусмотреть для них особую защиту или замену (последнее относится прежде всего к устройству, реализующему описываемый принцип).

Среди различных действующих одновременно механизмов измельчения следует особо отметить следующий. В тороидальной полости на фоне основного тороидального течения образуется "ячеистая" структура, состоящая из интенсивных вторичных вихрей, порождающая ячеистую структуру поля давлений. Частицы материала пересекают эту структуру с большой скоростью, что приводит к возбуждению в них внутренних колебаний, что в конечном итоге приводит к их разрушению.

Указанные вторичные вихревые структуры присутствуют и в линейных вихрях. Их наличие отмечено в работе [1]. В известных нам публикациях по измельчению материалов использование таких ячеистых структур не зафиксировано.

Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что вихревые измельчители рассматриваемого типа полноценно функционируют и без дополнительных механизмов измельчения (типа резонаторов), хотя и с меньшим эффектом.

В ячеистой структуре соседние вихри вращаются в противоположных направлениях и начинает работать механизм измельчения, связанный с частыми интенсивными соударениями частиц материала во встречных потоках на границах сопряжения вихрей. Локальная структура течения внутри торообразного вихря представляет собой турбулезированный сдвиговый слой с разными скоростями соседних параллельных участков. Частицы материала, перемещаясь поперек этого слоя, сталкиваются между собой, что также приводит к их измельчению.

Во вращающемся потоке на частицы действуют центробежные силы и силы динамического давления со стороны движущегося газа. Скорость потока газа имеет две основные составляющие - вращательную и центростремительную (к кольцевой оси тора). Баланс сил, действующих на частицы вдоль радиуса кольцевой оси определяется соотношением массы частиц и эффективной площади их поверхности. Поэтому достаточно мелкие частицы увлекаются газом к выходу - к кольцевой оси, а более крупные удаляются от выхода, продолжая движение в вихревом потоке - осуществляется саморегулирующаяся классификация измельчаемого материала.

В базовом способе измельчаемый материал, увлекаемый высоконапорной струей газа с большой скоростью ударяется о противоположную поверхность полости камеры измельчения. Трение и износ камеры измельчения в этой зоне максимальные.

Для устранения этого недостатка предлагается дополнительно усечь внешнюю торообразную поверхность в центральной области со стороны экваториальной плоскости, противоположной отверстию, между плоскостью, перпендикулярной ее оси, и центром, а образовавшееся отверстие закрыть участком преимущественно плоской непроницаемой поверхности, сопряженной по границам с внешней поверхностью полости. Следствием такого решения оказывается образование мишени- "наковальни" для дробления материала, поступающего с набегающим потоком, что приводит к увеличению производительности измельчения.

Функционально наковальня обеспечивает следующие свойства, уменьшающие трение измельчаемого материала о поверхность.

Мишень локализует зону взаимодействия, обеспечивает столкновение практически под прямым углом к поверхности, устраняя касательный удар - минимизируется трение между этой поверхностью и измельчаемым материалом.

Оптимальное для конкретного материала соотношение вихревого и струйного измельчения варьируется за счет изменения диаметра входного сопла и давления перед ним.

Способ вихревого измельчения материалов с использованием наковальни эффективен для измельчения твердых и хрупких материалов, однако при измельчении слипающихся материалов (например, известняка) на наковальне образуется нарост из материала, часто неправильной формы, который не только локально искажает течение, являясь причиной повышенного истирания прилегающих областей, но и существенно уменьшает роль ударного дробления, образуя мягкую подушку.

Кроме того наковальня приводит к потере полного давления в потоке и его локальной скорости, что необходимо компенсировать повышенным энергообеспечением.

Для устранения этих отрицательных эффектов применяется следующее решение.

В решении по базовому способу усекают внешнюю торообразную поверхность в центральной области со стороны экваториальной плоскости, как и в способе с наковальней, но образовавшееся отверстие закрывают обтекаемой навстречу потоку поверхностью, преимущественно конической формы. При этом слипающийся материал интенсивно сдувается потоком с конуса. Конус обеспечивает локальный разворот потока с образованием подстилающего слоя ниже по течению, а вследствие уменьшения потерь полного давления энергопотребление уменьшается.

Другой вариант организации мишени - сами частицы измельчаемого материала, направленные навстречу друг другу. Для этого навстречу входной струе воздуха, симметрично ей относительно экваториальной плоскости организуют вторую струю, более тонкую, точно таким же способом, как и основную струю. При этом отношение расходов газа через встречные отверстия балансируют так, чтобы не нарушать существенно основное вихревое течение, а подачу измельчаемого материала организуют вместе с обоими входящими в камеру струями или только с одной из них.

Встречная струя газа может выполнять все те же функции что наковальня и конус, включая защиту от истирания прилежащих областей поверхности камеры измельчения. При этом полностью отсутствует "истирание" самой струи. Как и твердая мишень, встречная струя локально поворачивает поток, образует ниже по основному потоку вблизи поверхности слой, демпфирующий трение.

Если встречная струя сопоставима по диаметру с основной струей, то скорость их столкновения ограничена условием сохранения мощного основного вихревого течения.

Делая встречную струю существенно тоньше основной струи, мы помещаем ее в чехол основной струи и не портим основной вихрь. При этом скорость встречной струи можно сделать достаточно большой и таким образом увеличить энергию столкновения частиц измельчаемого материала, находящихся во встречных потоках.

Такой аналог струйной мельницы, являющийся в данном случае элементом общей измельчающей системы, причем элементом, согласованным и полезным, выполняющим в системе еще и другую задачу - уменьшение трения о поверхность. С другой стороны, и общая система обслуживает этот струйный измельчитель - организует рецикл (повторную подачу недоизмельченного материала в зону струйного измельчения) и отвод продуктов измельчения.

Встречная тонкая струя может комбинироваться с наковальней или конусом, усиливая общую эффективность механизма уменьшения трения - пристеночного слоя и являясь дополнительным измельчающим механизмом.

При работе тороидального измельчителя частицы измельчаемого материала, отскакивая от мишени, могут попадать в зону, близкую к кольцевой оси тора и увлекаться потоком газа на выход из камеры измельчения, не достигнув требуемой степени измельчения.

Для устранения этого недостатка, улучшения структуры течения в целом, а также для образования элемента акустического резонатора, усиливая и организуя акустическое излучение от входящей струи газа в центральной части камеры измельчения, образуют незамкнутую поверхность, огораживающую ее центральную область, включая входное отверстие и противоположный относительно экваториальной плоскости участок внешней тороидальной поверхности от кольцевой оси, выбирая ее форму таким образом, чтобы она одновременно служила экраном, фокусирующим соплом, элементом акустического резонатора, элементом эжекторного ускорителя (совместно с входящей струей) и не ухудшала существенно вихревое течение в полости, что обеспечивается центральной частью преимущественно торообразной поверхности, усеченной плоскостями, перпендикулярными оси полости, расположенными по разные стороны от экваториальной плоскости, причем радиус осевой окружности этой поверхности ₃ ≈ R₁, а радиус торообразующей окружности r₃ выбирают так, что r₂ < r₃ < r₁.

Форму этого элемента выбирают близкой к форме линий тока, чтобы минимально исказить поток.

Экран, отделяющий кольцевую ось тора от его оси, предотвращает прямое попадание недоизмельченных частиц в выходную зону течения и одновременно фокусирует поток частиц материала в центр. Несмотря на то, что такая фокусировка предусмотрена самой организацией тороидального течения, относительно крупные частицы все же недостаточно эффективно управляются газовым потоком. Твердая граница устраняет этот недостаток.

Экран-сопло втекающей струей газа за счет эжекции разгоняет поток, образуя мощное течение в канале, которое не только разгоняет частицы материала в нем, способствуя дроблению на мишени, но и стабилизирует и симметризует основной тороидальный вихрь.

Поскольку входящая струя создает в центральной области тороидального вихря акустическое излучение, то экран-сопло одновременно выполняет роль резонатора и элемента, фокусирующего направление акустических возмущений. Экран ограждает также основное (внешнее) течение от проникновения из центра лишних возмущений, которые в ряде случаев могут исказить вихревую решетку.

В результате центробежной сепарации мелкие частицы измельчаемого материала располагаются ближе к центру вращения - кольцевой оси тора, а крупные на более удаленных орбитах. Это ухудшает вовлекаемость мелких частиц в скоростной поток вблизи оси тора, что, во-первых, не приводит к их должному разгону в наиболее скоростной части потока, а, во-вторых, не позволяет эффективно фокусировать их поток на наковальню или в область встречной струи.

Во всех газодинамических устройствах сравнительно мелкие частицы следуют за потоком и в процессе измельчения участвуют слабо. Например, в струйных мельницах измельчение происходит в основном в момент первого лобового удара. Его эффективность в значительной степени зависит от величины частиц. Крупные частицы сталкиваются эффективнее. Однако, как правило, крупная частица при столкновении рассыпается не только на мелкие, но и на крупные осколки. Измельчение мелких порошков происходит малоэффективно.

Для увеличения эффективного размера частиц, и таким образом, увеличения срока и улучшения качества их измельчения без потери накопленного фактора мелкости в центральной части торообразной полости в окрестности ее оси проводят коагуляцию наиболее мелких фракций измельчаемого материала - первичного и находящегося на промежуточной стадии измельчения. При этом время измельчения увеличивается несущественно, поскольку коагулированная частица очень легко распадается на вихревой решетке, так как перепады давления проникают через ее пористую структуру.

В предлагаемом решении измельчение мелкодисперсной фракции улучшено за счет рецикла соударений и автоматической сепарации в основном только мелкой фракции. Тем не менее, процесс измельчения такого типа может продолжаться достаточно длительно, поскольку струйный механизм дробления мелких частиц малоэффективен. В предлагаемом способе измельчение происходит в основном на вихревой решетке. Для увеличения числа соударений частиц в центре тора необходимо устранить неоднородность распределения материала вдоль радиуса. Для этого предлагается способ вихревого измельчения материалов, отличающийся тем, что разрушают слоистую структуру распределения материала в центральной части полости камеры измельчения в окрестности ее оси.

Увеличение однородности приведет к увеличению относительного количества мелких частиц вблизи оси тора и, значит, увеличит как число соударений их с мишенью, так и скорость соударений.

Приведенный выше прием коагуляции усилит этот эффект.

В приведенном выше базовом способе организации торообразного вихря весь газ выходит через зону вблизи кольцевой оси полости. При этом около кольцевой оси тора образуется мощное течение, способное увлечь на выход не только мелкие, но и достаточно крупные частицы. Процесс измельчения происходит в основном на удалении от этой зоны. Для улучшения степени измельчения материала предлагается способ, отличающийся от базового тем, что на внешней тороидальной поверхности полости организуют дополнительный выход газа с измельченным материалом и источник акустического излучения в виде кольцевой щели, симметричной относительно оси симметрии, или в виде системы отверстий, организуя при этом поворот потока в зоне щели или отверстий снаружи полости под острым углом к течению в полости для обеспечения здесь локально центробежной классификации.

Частичный отвод газа через внешнюю тороидальную поверхность приводит к уменьшению центростремительной составляющей скорости и уменьшению скорости вблизи кольцевой окружности. В результате меняется соотношение центробежной и центростремительной составляющей силы, действующей на частицы измельчаемого материала и, значит, на выход попадают более мелкие частицы.

Кроме этого, отток газа увеличивает вращательную составляющую скорости базового тороидального вихря, интенсифицируя его и увеличивая мощность вторичных течений, в частности вихревой ячеистой структуры, что приводит к интенсификации процесса дробления. Перераспределение расходов и скоростей позволяет получить тот же эффект при меньших энергозатратах, либо больший эффект при тех же энергозатратах.

Для того, чтобы через тангенциальный выход не вылетали недоизмельченные крупные частицы материала, его необходимо снабдить классификатором. Типичным классификатором для такого случая, является крутой поворот потока. Крупные частицы материала по инерции проскакивают поворот и увлекаются далее вихревым течением, а мелкие, увлекаемые потоком газа, поступают на выход. Можно также организовать перед выходом уступ, например, в виде трамплина. За ним образуется мелкий вихрь, который также является классификатором.

Описанный выше способ измельчения является единым механизмом полностью согласованных между собой и взаимообусловленных процессов. Устранение каких-либо из них не приведет к потере его работоспособности, но может ухудшить его характеристики.

Предлагаемый способ может быть реализован в устройстве в полном объеме, включая вариантные части и при этом будет работать наиболее эффективно. Тем не менее, по соображениям разумной достаточности, экономичности, производственных сложностей изготовления или технологического обеспечения процесса измельчения в целом, а также по соображениям максимальной простоты и ремонтоспособности для эксплуатации в облегченных условиях может оказаться целесообразным применение некоторых его сокращенных вариантов. Кроме того, приведенный способ достаточно универсален для разных измельчаемых материалов. Может оказаться, что для некоторых материалов, при их поточном производстве достаточно будет применить только часть из приведенных механизмов.

Итак, задача уменьшения истирания стенок помольного устройства при измельчении материала решена тем, что в способе вихревого измельчения материала камеру измельчения, в отличие от аналогов и прототипа, выполняют в форме тора, а струю энергоносителя (газа) пропускают через центр этой зоны вдоль оси камеры, создавая в зоне измельчения мощный торообразный вихрь, сопровождающийся мощными вторичными течениями. В окрестности кольцевой оси тора благодаря расположенному там полому торообразному патрубку с отверстиями, соединенному посредством отводящих патрубков с внешней атмосферой, образуют зону более низкого давления, чем в остальной части торообразной полости, и тем самым обеспечивают необходимую структуру вихря.

Таким образом принципиально устраняют истирание торцевых стенок камеры - у тороидальной камеры эти поверхности отсутствуют. Кроме того, организованное таким образом течение имеет значительно меньшую касательную составляющую скорости у поверхности камеры по сравнению с течениями цилиндрического типа, что также снижает ее износ. При этом зоны повышенного износа локализованы, что позволяет предусмотреть для них особую защиту или замену.

Ввод энергоносителя с исходным материалом производится в центр тора через разгонное сопло, расположенное напротив наковальни, изготовленной из высокопрочного материала. Выход газа-носителя с измельченным материалом осуществляется через отверстия торообразного отборника, располагающегося внутри зоны измельчения соосно с ней.

Образованный в камере интенсивный торообразный вихрь обеспечивает центробежную классификацию частиц измельчаемого материала. Этот же вихрь обеспечивает разгон (совместно с входящей из разгонного сопла струей) и повторную подачу крупных частиц на наковальню, а механизм вихревой классификации обеспечивает отвод из зоны измельчения только частиц, достигших определенного малого размера.

Мощные вторичные трехмерные течения внутри торообразного вихря и в зонах его сопряжения с внутренней поверхностью рабочей камеры способствуют как интенсивному перемешиванию материала, так и организации его самоистирания при соударении частиц. Одновременно с этими процессами в устройстве происходит дробление частиц за счет акустического излучения. В базовой конфигурации инициирующие акустические излучения вырабатываются при истечении сверхзвуковой струи из разгонного сопла и в зонах мощных вторичных течений. Устройство может быть дополнительно снабжено известными типами акустических излучателей для увеличения процента акустического измельчения.

Предлагаемый способ реализован в устройстве, в основном повторяющем его структуру с рядом дополнений. Устройство изготовлено и опробовано. Получены положительные результаты его предварительных испытаний.

На фиг. 1 приведена общая блок-схема помольного агрегата; на фиг. 2 - схема вихревого измельчителя, являющегося предметом настоящего изобретения.

Устройство для измельчения материалов, блок-схема которого приведена на фиг. 1, состоит из измельчителя материала 3, системы подачи сжатого чистого сухого воздуха 1, системы подачи измельчаемого материала 2, системы дополнительной сепарации и осаждения продуктов измельчения 5 и системы управления и контроля работы устройства 4.

Патентуемым элементом устройства является измельчитель 3 на фиг. 1.

Измельчитель содержит корпус 1 (фиг. 2) с полостью 1а (камерой измельчения), которая имеет преимущественно тороидальную форму с большим радиусом тора, приблизительно равным малому радиусу. Входной патрубок 2 соединен с разгонным соплом 3, служащим для ввода материала и газа-носителя в центральную зону камеры вдоль ее оси. Напротив сопла, симметрично ему относительно центра тора, расположена "наковальня" 7. Деталь 76, на которой закреплена наковальня 7, - сменная. Вместо "наковальни" может быть установлен обтекаемый элемент приблизительно конической формы 7а. Между осью камеры и отборником помещен экран-сопло 6 в форме участка торообразного слоя, закрепленный на перемычках 6а. Выгрузочные патрубки 4 соединены с отборным патрубком 5, имеющим преимущественно тороидальную форму, расположенным внутри полости 1а приблизительно соосно с ней относительно их эллиптических осей. Патрубок 5 имеет отверстия 5а, соединяющие его внутреннюю полость с полостью 1а камеры измельчения.

Устройство для измельчения материалов работает следующим образом. Материал, подлежащий измельчению, подается из дозатора через загрузочный патрубок в камеру предварительного смешения, попадая в ней в поток энергоносителя. Затем материал, смешанный с энергоносителем, поступает через сопло 3 со сверхзвуковой скоростью в камеру 1, где измельчается при ударах о "наковальню", в результате акустического воздействия, в результате самоистирания в потоках газа (в первую очередь в зонах больших градиентов давления и в зонах встречных потоков вторичных течений).

Измельченный материал поступает вместе с вытекающим из рабочей камеры потоком энергоносителя в отборник 5. При этом крупные частицы, имеющие большее отношение (масса)/(эффективная площадь поверхности) благодаря центробежным силам не могут быть увлечены выходящим потоком газа, остаются в зоне измельчения и поступают на рецикл. Таким образом обеспечивается автоматическая центробежно-стоксовая классификация измельчаемого материала непосредственно в зоне измельчения.

Готовый продукт удаляется через выгрузочный патрубок, соединенный с циклонным осадителем и, возможно, другими фильтрующими устройствами.

Экран-сопло 6 препятствует прямому попаданию крупных частиц измельчаемого материала после их отскока от "наковальни" непосредственно в зону, близкую к выходному патрубку. Одновременно он выполняет роль сопла, фокусирующего поток частиц и газа в зоне наковальни, как впервые поступающих из сопла 3, так и поступающих в эту зону повторно в результате рецикла, обусловленного вихревым течением. Этот же элемент способствует дополнительному ускорению повторно поступающих в зону наковальни частиц и газа благодаря эффекту эжекции, создаваемому струей газа из сопла 3.

Для повышения чистоты продукта (устранения дополнительных примесей от взаимодействия частиц измельчаемого материала с поверхностью устройства) вместо "наковальни" может быть установлен обтекаемый элемент приблизительно конической формы, приводящий, однако, как показали проведенные нами эксперименты, к уменьшению общей производительности за счет отсутствия прямых соударений разогнанных газом частиц материала с твердой поверхностью - мишенью.

Предлагаемое устройство реализует вышеизложенный способ измельчения. Кроме того, для повышения эффективности его работы добавлено дополнительное техническое решение - предварительный разгон материала перед поступлением его в измельчитель.

По функциональной структуре устройство построено так же, как и способ. Базовое устройство работоспособно и без дополнительных элементов, хотя работает без них менее эффективно.

В описание устройства включен не только сам измельчитель, являющийся собственно изобретением, но и схематично то его окружение (среда), в котором предполагается его функционирование.

Газодинамическое устройство для измельчения насыпных материалов, включающее вихревой измельчитель, снабженный внешними средствами для подачи исходного материала, внешними патрубками для подачи энергоносителя, сжатого газа, и внешними патрубками для транспортирования целевого продукта - измельченного материала с выходящим потоком газа, а также элементами сепарации и отделения целевого продукта от газа-носителя (осаждения) известны ранее типов, в котором ввод в полость камеры измельчения струи газа-носителя и исходного материала, предназначенного для измельчения, производится под углом к радиусу зоны измельчения с образованием высокоскоростного вихря и вовлечением в вихревой поток измельчаемого материала, а вывод измельченного материала из вихревого измельчителя производится вместе с выходящим из него газом, после чего производится отделение материала от газа, отличающееся тем, что вихревой измельчитель, реализующий предлагаемый базовый способ измельчения, состоит из: корпуса, имеющего преимущественно торообразную полость - камеру измельчения, у которой радиус торообразующей окружности примерно равен радиусу осевой окружности тора, причем с одной стороны от экваториальной плоскости в полости имеется осевое отверстие, соосное с ней, а центральная часть корпуса от отверстия до центра удалена; входного сопла, формирующего струю газа, истекающую из осевого отверстия в полости и направленную вдоль оси камеры измельчения через ее центр; торообразного отборного патрубка, осевая окружность которого примерно совпадает с осевой окружностью камеры измельчения, имеющего на своей поверхности сквозные отверстия, соединяющие его внутреннюю полость с полостью камеры измельчения; отводных патрубков, соединяющих внутреннюю полость отборного патрубка с атмосферой, внешней по отношению к камере измельчения через отверстия в ней, одновременно являющихся элементами крепления отборного патрубка внутри камеры измельчения.

Базовое устройство действует в соответствие с принципами, изложенными в базовом способе.

Корпус камеры должен обладать необходимой прочностью для того, чтобы выдерживать усилия, создаваемые давлением внутри его полости, не деформироваться при работе и не допускать такой утечки воздуха через неописанные в конструкции отверстия, при которой его функционирование нарушится.

Сопло выполняют таким образом, чтобы получить хорошо сформированную струю газа.

Организация оттока газа в окрестности кольцевой оси тора должна удовлетворять условиям способа.

Торообразный вихрь самоформируется в камере измельчения при достижении достаточного расхода газа через входное сопло.

При этом существенно, что в окрестности кольцевой оси тора располагают полый торообразный полупроницаемый патрубок, соединяя его посредством отводящих патрубков с внешней атмосферой, образуя тем самым зону давления, более низкого, чем в остальной части торообразной полости, и тем самым обеспечивают необходимую структуру вихря.

Для реализации способа измельчения материала с использованием наковальни в базовом устройстве дополнительно устанавливают мишень, расположенную симметрично входному соплу напротив него на поверхности усеченной центральной части торообразной полости, имеющую форму диска, сопряженного по радиусу с локальным радиусом тора в месте сопряжения, и изготовленную из материала повышенной прочности, стойкого к истиранию и обладающего повышенной упругостью, чтобы увеличить эффективность дробления материала при лобовом ударе и его отскок после удара. Для мягких и пластичных материалов требование прочности наковальни не актуально.

Для оптимизации процесса измельчения слипающихся материалов базовое устройство вместо наковальни снабжено обтекаемым элементом преимущественно конической формы, направленным вершиной-острием навстречу вытекающей из входного сопла струе, изготовленным из материала повышенной прочности и стойкого к истиранию.

Для реализации способа с использованием встречных струй устройство дополнительно снабжают вторым входным соплом, создающим встречную струю газа со взвешенным в ней измельчаемым материалом, и располагают его напротив первого с противоположной стороны экваториальной плоскости на оси камеры измельчения, диаметр которого, как правило, меньше диаметра первого, причем при реализации базового способа край выходного отверстия этого сопла сопряжен с тороидальной внутренней поверхностью камеры измельчения, а при реализации способов с наковальней или конусом диаметр выходного отверстия этого сопла меньше диаметра наковальни или основания конуса, соответственно.

Чтобы встречная струя газа не тормозила существенно основную входную струю, она должна быть либо достаточно слабой, выполняющей роль демпфера, уменьшающего трение, либо, значительно тоньше основной струи.

Для реализации базового способа с экраном в базовом устройстве дополнительно размещают в камере измельчения экран-сопло, имеющий форму, близкую к форме центральной части торообразного слоя со скругленными торцевыми краями, и закрепленный штангами-перемычками на отводящем патрубке.

Для реализации способа со сверхзвуковым соплом в базовом устройстве входное сопло камеры измельчения имеет профиль сверхзвукового сопла, а высоконапорную струю газа вводят со сверхзвуковой скоростью.

В описываемом варианте устройства сверхзвуковая струя обеспечивает сразу три функции, описанные в способе.

Истечение высоконапорной струи, как известно, сопровождается акустическим излучением. Особенно ярко это выражено при истечении сверхзвуковой струи. Частота излучения зависит от профиля сопла и величины перепада давления на нем. Акустические колебания, возмущая поток, усиливают процессы перемешивания в нем, увеличивая его однородность за счет нарушения слоистой структуры распределения материала в потоке в приосевой зоне.

При воздействии акустического излучения на пылесодержащий поток газа в нем могут происходить процессы коагуляции - мелкие частицы объединяются в группы-комочки, слипаясь между собой. Условия для протекания процессов коагуляции приведены, например, в статье [2], где этот процесс применялся для повышения эффективности пылеосаждающих устройств. Для осуществления способа требуется высоконапорная струя, позволяющая создать высокий уровень акустических колебаний.

Известно также, что акустическое поле, создаваемое сверхзвуковой струей, может иметь периодическую структуру, т.е. образовывать стоячие волны - решетку перепадов давления. Этот процесс также неоднократно исследовался (см. например, [3]).

Для реализации способа с тангенциальным газоотводом в базовом устройстве дополнительно делают наклонную коническую щель, расположенную в корпусе измельчителя соосно с полостью камеры измельчения, с перемычками или группы небольших наклонных отверстий, оси которых проходят через окружность с центром на оси камеры измельчения равномерно по ее длине и пересекаются в одной точке на оси камеры, причем щель и отверстия наклонены в сторону, противоположную движению потока, а угол наклона как щели, так и каждого из отверстий относительно тороидальной поверхности полости камеры в месте их сопряжения составляет не более 45 градусов.

В предлагаемом варианте устройства классификация материала в области "тангенциального" выхода, разделяющего его на выводимый и остающийся в камере измельчения, произведена по классической схеме: крутой разворот потока выводным отверстием в сторону, противоположную направлению исходного потока в окрестности отводящего отверстия. Процесс классификации и разделения материала для этого случая разъяснен при описании способа.

Для более эффективного измельчения материалов в базовом устройстве перед входным соплом (входными соплами) камеры измельчения устанавливают прямолинейный разгонный патрубок (патрубки), соединенный в торце с входным соплом через сопло сопряжения, в который подается сжатый газ и измельчаемый материал, выполняющий одновременно роль камеры смешения и предварительного разгона частиц измельчаемого материала. Разгонный патрубок устанавливают, как правило, вертикально, а потоки в нем направляют вниз.

Неудачно организованная подача материала может значительно ухудшить работоспособность описываемого устройства. Приведенный здесь вариант осуществления ввода значительно повышает эффективность устройства как в плане производительности, так и в плане увеличения доли мелкодисперсной фракции в конечном продукте измельчения.

Материал, поступающий через входное сопло (сопла) в камеру измельчения вместе с газом, как правило имеет скорость ниже скорости газового потока. Это тормозит поток и уменьшает скорость столкновения материала с мишенью. Значительная энергия тратится на разгон материала в торообразном вихре.

Степень разгона материала во входном сопле ограничена длиной сопла. Поэтому организованный предлагаемым способом предварительный разгон материала оказывается очень эффективным. Измельчитель при этом потребляет меньше энергии и работает более стабильно и производительно.

Для осуществления эффективного предварительного разгона необходимо обеспечить достаточно большую скорость газа в патрубке предварительного разгона. Для этого он делается небольшого диаметра, который должен быть все же значительно меньше диаметра наиболее узкой части сопла и выбирается так, чтобы не нарушить работу сопла.

Размеры патрубка проектируются одновременно с проектированием сопла, чтобы обеспечить их совместимость и максимальный общий эффект.

Устройство для вихревого измельчения материалов может являться комбинацией вышеприведенных устройств в различных их сочетаниях с целью достижения максимального эффекта для отдельных видов помольных работ, причем эффективность определяется экспериментально или на основании предыдущего опыта эксплуатации измельчителей описываемого типа.

Для удобства эксплуатации и обслуживания, а также для возможности варьировать конфигурацию, устройство желательно выполнять разборным с легко заменяемыми базовыми элементами - входным соплом, наковальней, отводящим торообразным патрубком.

Особое внимание следует обратить на легкость замены наковальни без разбора остальной части устройства. В процессе эксплуатации наковальня изнашивается. Этот процесс необходимо периодически контролировать и производить ее замену. Для этого она может быть выполнена, например, в виде ввинчивающегося элемента, захватывающего прилегающий участок торообразной поверхности.

Основной технической задачей, решаемой изобретением, является уменьшение степени износа стенок рабочей камеры при помоле и, как результат, повышение качества (чистоты) измельченного материала и увеличение срока службы рабочей камеры.

Дополнительная важная задача, решаемая изобретением, - создание эффективного комплексного способа и устройства для помола материала, сочетающего в себе свойства разных типов измельчителей, в том числе вихревых и струйных мельниц. Причем в предлагаемом способе физические процессы, используемые при оптимизации процесса измельчения, являются самоорганизующимися, а не внедренными принудительно в существующие способы и устройства. Несмотря на сочетание многих приемов измельчения в одном устройстве, оно остается конструктивно относительно простым, что также можно отнести к ее преимуществам.

Особенностью предлагаемого способа измельчения и устройства, его реализующего, является комплексное обеспечение не только функций измельчения, но и частичной классификации конечного продукта, являющееся полезным побочным эффектом предлагаемого решения.

Одновременно без дополнительных затрат решается задача обеспечения необходимого числа повторных соударений частиц измельчаемого материала с мишенью или многократного вовлечения струй энергоносителя с измельчаемым материалом в зону измельчения. Необходимое количество соударений (рециклов) регулируется автоматически на выход поступают только частицы, не превышающие заданного размера измельчения.

Описанная конструкция устройства за счет выбора режима работы и незначительной вариации ее конструкции может работать и как чисто вихревая мельница, и как чисто струйная мельница, обогащенная способом многократных соударений частиц с мишенью и автоматической регулировкой необходимого для каждой индивидуальной частицы числа рециклов.

Значительная часть изобретений по рассматриваемой тематике основана на добавлении к выбранному прототипу дополнительных свойств (например, дополнительных резонаторов). При этом способ или устройство усложняется. В нашем случае новое базовое решение получается не добавлением новых свойств к прототипу, а преобразованием прототипа таким образом, чтобы у него появились новые свойства. Полученное базовое решение дополняется новыми свойствами, улучшающими его характеристики или позволяющими использовать его в специфических условиях.

Комбинируя наборы дополнительных свойств с базовым решением, можно получать помольные устройства, эффективные для решения различных частных задач измельчения (например, для разной твердости исходного материала, для разной степени налипания его на поверхности, для оптимизации соотношения "степень измельчения - производительность" и т.п.).

Разработанный способ измельчения включает такую оптимизацию вихревого измельчителя, при которой все процессы происходят самосогласованно, усиливая в ряде случаев эффект друг друга или даже порождая совместно другие положительные свойства, иногда не менее важные.

ЛИТЕРАТУРА 1. Заславский Б. И. , Юрьев Б.В. О структуре течения в вихревой камере//Журнал прикладной механики и технической физики, 1998, Т.39, 1.

2. Авдеенко А. Н., Штейнберг А.М. Акустическая обработка дымовых газов для улучшения их очистки в пылеуловителях различных типов, с.221-224//Обеспыливание в металлургии//Под ред. к. т.н. Я.А. Штромберга - М.: Металлургия, 1971.

3. Сулейманов Ш. Структура возмущений на частоте дискретного тона в сверхзвуковой струе, истекающей в затопленное пространство, 1992, с.266-269//Научные основы турбулентных явлений//Сборник научных трудов. Отв.ред. акад. В.В.Струминский - М.: Наука, 1992.

Формула изобретения

1. Способ вихревого измельчения материалов, включающий ввод струи энергоносителя в полость камеры измельчителя под углом к радиусу зоны измельчения с образованием высокоскоростного вихря, подачу исходного материала с вовлечением его в вихревой поток и вывод целевого продукта - измельченного материала вместе с энергоносителем, отличающийся тем, что высокоскоростной вихрь организуют внутри полости в виде торообразного вихря с преимущественно спиралевидными линиями тока, начинающимися у оси тора, а заканчивающимися у его осевой окружности, при этом полость образована двумя преимущественно торообразными поверхностями, имеющими общий центр и ось симметрии: внешней поверхностью, у которой радиус торообразующей окружности равен радиусу осевой окружности тора, усеченной в центральной области с одной стороны от экваториальной плоскости между центром тора и плоскостью, перпендикулярной ее оси, с образованием отверстия, и внутренней поверхностью, имеющей частично проницаемые границы, у которой радиус торообразующей окружности меньше радиуса торообразующей окружности внешней поверхности, а радиусы их осевых окружностей приблизительно равны, вводят высоконапорную профилированную струю энергоносителя вместе с измельчаемым материалом внутрь этой полости через отверстие вдоль ее оси по направлению к ее центру и организуют вывод энергоносителя вместе с измельченным материалом, соединяя эту полость через внутреннюю торообразную поверхность с внешней атмосферой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что навстречу входной струе энергоносителя, симметрично ей относительно экваториальной плоскости организуют вторую струю, и организуют баланс расходов энергоносителя так, чтобы не нарушать основное вихревое течение, а подачу измельчаемого материала осуществляют вместе в обеими входящими в камеру струями энергоносителя или только с одной из них.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в центральной части торообразной полости в окрестности ее оси проводят коагуляцию наиболее мелких фракций измельчаемого материала - первичного и находящегося на промежуточной стадии измельчения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разрушают слоистую структуру распределения материала в центральной части полости камеры измельчения в окрестности ее оси.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что создают зону периодического изменения плотности в направлении движения потока смеси энергоносителя и материала в центральной части полости камеры измельчения в окрестности ее оси.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на внешней тороидальной поверхности полости организуют дополнительный выход энергоносителя с измельченным материалом и источник акустического излучения в виде кольцевой щели, симметричной относительно оси, или системы отверстий, образуя при этом поворот потока в зоне этих отверстий снаружи полости под острым углом к течению в полости для обеспечения локальной центробежной классификации.

7. Устройство для вихревого измельчения материалов, включающее корпус с внешними средствами для подачи исходного материала, внешними патрубками для подачи энергоносителя под углом к радиусу зоны измельчения с образованием высокоскоростного вихря и вовлечением в вихревой поток измельчаемого материала, и внешними патрубками для транспортирования целевого продукта - измельченного материала с выходящим потоком энергоносителя, а также элементами сепарации и отделения целевого продукта от энергоносителя, отличающееся тем, что камера измельчения в корпусе образована двумя торообразными поверхностями, имеющими общий центр и ось, при этом внешняя торообразная поверхность выполнена с удаленной центральной частью корпуса от центра до его осевого отверстия с одной стороны от экваториальной плоскости и имеет радиус торообразующей окружности примерно равный радиусу осевой окружности тора, при этом перед осевым отверстием установлено сопло, формирующее струю энергоносителя, истекающую из осевого отверстия в полость и направленную вдоль оси камеры измельчения через ее центр, внутренняя торообразная поверхность, осевая окружность которой примерно совпадает с осевой окружностью камеры измельчения, имеет сквозные отборные отверстия, сообщенные с отводными патрубками.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что симметрично входному соплу напротив него на поверхности усеченной центральной части торообразной полости расположена мишень, имеющая форму диска, сопряженного с внутренней поверхностью камеры измельчения и изготовленная из материала повышенной прочности.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что симметрично входному соплу напротив него на поверхности усеченной центральной части торообразной полости расположен элемент конической формы, направленный вершиной навстречу вытекающей из входного сопла струи.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что имеет второе входное сопло, создающее встречную струю энергоносителя со взвешенным в ней измельчаемым материалом, расположенное на оси камеры измельчения напротив первого сопла, причем край выходного отверстия этого сопла сопряжен с тороидальной внутренней поверхностью камеры измельчения.

11. Устройство по пп. 7 и 10, отличающееся тем, что диаметр выходного отверстия этого сопла меньше диаметра мишени или основания конуса, соответственно.

12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в камере измельчения размещен экран-сопло.

13. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в корпусе измельчителя соосно с полостью камеры измельчения выполнена наклонная коническая щель с перемычками или группа небольших наклонных отверстий, оси которых проходят через окружность с центром на оси камеры измельчения равномерно по ее длине и пересекаются в одной точке на оси камеры, причем щель и отверстия наклонены в сторону, противоположную движению потока, а угол их наклона к тороидальной поверхности в месте их сопряжения составляет не более 45^o.

14. Устройство по п.7, отличающееся тем, что перед входным соплом камеры измельчения установлен прямолинейный разгонный патрубок, соединенный в торце с входным соплом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2