Размещено на сайте 20.03.2008.

 ПРЕДИСЛОВИЕ КАФЕДРЫ ПРОГНОЗОВ

При выполнении одного из консультационных проектов, в поле зрения Кафедры Прогнозов попал такой класс оборудования как дробилки или устройства для измельчения.

В самом деле!

Это те машины, без которых человечество не может провести ни одну Научно – Техническую Революцию.

Особенно отчётливо это понимается сегодня в эпоху композитов, где есть не только проблема разрушения, но и проблема перемешивания ингредиентов при создании новых материалов.

Некоторые источники утверждают, что на нужды размельчения материалов тратится 10% всей вырабатываемой энергии.

Процессы разрушения материалов пристально изучаются учёными уже не одно столетие, а многие процессы разрушения материалов до сих пор являются областью только эмпирических знаний и использования инженерных формул, так как математические модели этих процессов весьма сложны.

Для каждого из разработанных способов разрушения есть свой класс дробилок.

Существует четкая зависимость между размером частицы и расходом энергии на ее разрушение. Измельчение требует затрат энергии тем больше, чем выше требуемая степень измельчения. Это тот естественнонаучный предел развития, который преодолевается в эволюции машин для дробления.

Приближаясь к решению задач измельчения в микро и нано области приходится всё чаще задумываться о новых технических решениях. Иногда техническая мысль возвращается к очень старым решениям, чтобы вдохнуть в них новые технологические возможности и эта спиральность развития техники перестаёт быть умозрительным образом из курса диалектики.

При этом, уже 110 лет люди используют шаровые мельницы для измельчения горных пород, строительных материалов, веществ для приготовления лекарств, парфюмерных продуктов и это, пожалуй, наиболее распространённая сегодня технология.

КПД этих устройств не превышает 1 процента. Но обойтись без них пока невозможно.

Однако, наряду с этим типом оборудования существуют и многие другие разновидности: планетарные, струйные, роторные, молотковые , вибрационные, ультразвуковые, взрывные, ударно-вихревые и центробежно - ударные, о которых наш рассказ.

Очевидно, что новинки в этой области так же важны, как важным оказалось изобретение полупроводникового транзистора, так сильно изменившего мир.

Великий банкир Натан Ротшильд  придумал афоризм, который стал крылатым после того, как его использовал Уинстон Черчилль: «Тот, кто владеет информацией, тот владеет Миром». Сегодня этот афоризм можно дать в современной транскрипции так: «Тот, кто является Главным Продавцом компонентов электроники – тот владеет Миром», Нефть и её продукты – это кровь мировой экономики, а электронные компоненты это нервные окончания, пронизывающие абсолютно все отрасли. Но без мелких порошков электроника не может и именно поэтому новые способы измельчения материалов так важны. И вообще, микро и нано порошки это сырьё для современной и завтрашней индустрии.

Оказалось, что после ряда усовершенствований, давно изобретённая машина может стать вполне конкурентоспособной для задач новых технологий.

План наших предстоящих выпусков будет построен так.

Сегодня мы покажем исторический обзор развития мельниц, основным принципом которых является самоизмельчение материала, где вещество дробит само себя.Согласитесь, что в ТРИЗ этот инженерный приём хорошо известен как «Принцип однородности», который в этом классе устройств работает в содружестве с принципом «Самообслуживание».

Однако, кроме этого, в этом типе оборудования возможно и одновременное разделение по фракциям и ещё много других интересных решений, которые и определили интерес Кафедры Прогнозов к этим машинам.

В следующий четверг мы расскажем об истории создания и стремительного расцвета фирмы «Новые Технологии». Согласитесь, что продать 200 единиц новой техники за 5 лет, добившись оборота в 12 млн. долларов, БЕЗ специального серьёзного финансирования не так просто, но как оказалось, вполне возможно. Современные инновационные процессы в нашей стране идут и Кафедра Прогнозов запланировала серию материалов на тему «практика реальной инноватики в России».

Новые компании и новые продукты делают вполне конкретные люди, которых смело можно называть «менеджерами специального назначения», поэтому в следующем выпуске мы опубликуем интервью с основателями этой компании к.ф-м.н Владимиром Игнатовым и к.т.н. Александром Красновым.

Это тем более интересно, что сегодня речь идёт уже о следующей компании, которая будет штурмовать как раз рынки микро и нано порошков для электроники.

А после всех разговоров об особенностях изобретательства в процессах управления венчурными компаниями и вывода новых товаров на рынок мы обсудим все аспекты исполнения закономерностей развития техники на примере ударно вихревых и центробежно – ударных аппаратов дробления.

По мнению Кафедры Прогнозов у этих машин огромное будущее.

Приятного чтения.
С уважением, ведущий рубрики Кафедра Прогнозов
Юрий Даниловский.

Центробежно-ударный способ дробления известен достаточно давно и в последнее время находит все большее применение.

Достаточно сказать, что первый патент на дробилку типа "камень о металл" получен Ц. Мелером в Германии еще в 1877 г. Разработанная им конструкция предполагала несколько стадий дробления в одном аппарате. Для этого на одном валу было расположено нескольких ускорителей (роторов). Эта идея так и осталось нереализованной. В наши дни она представляется нерациональной из-за низкой надёжности столь сложной конструктивной схемы.

Все известные на сегодняшний день промышленные центробежно-ударные дробилки имеют один ускоритель. Однороторный вариант схемы Ц. Мелера с открытым ротором, снабжённым радиальными разгонными ребрами, использован для дробления "камень о металл" в дробилке "Торнадо" фирмы "Верко стил", США (рис.1). В центральной части сварного ускорителя предусмотрен распределительный конус. Цилиндрический корпус дробилки закрыт крышкой. Фиксация крышки на замках обеспечивает удобный доступ в дробильную камеру. Соосно ускорителю в крышке расположен загрузочный бункер и питающий патрубок. Брони крепятся к внутренней стенке корпуса.

Кроме того, дробилки типа "камень о металл" с открытым ротором выпускала компания "Spokane Crasher", США. Рёбра в ускорителе дробилки были съемными и выполнены из специальных сталей. С целью снижения износа ускорителя и повышения его динамической уравновешенности специалисты фирмы "Spokane Crasher" установили броневые плиты так, чтобы обеспечить при ударе прямой угол. Это было важно как для эффективности дробления, так и для снижения износа, поскольку минимизирует влияние рикошетов осколков. В дробилках с реверсивным приводом применялись броневые плиты симметричной угловой формы. Дробилки "Spokane Crasher" типа "камень о металл" в свое время успешно заменили в США на предприятиях по производству строительных материалов конусные дробилки мелкого дробления. Однако в результате внедрения дробилки "Спокейн" эксплуатационные затраты на большинстве предприятий выросли в связи с тем, что открытый ускоритель с незащищенными ребрами и угловая отражательная футеровка подвержены высокому абразивному износу. Именно поэтому область применения дробилки типа "камень о металл" ограничена в основном переработкой строительных материалов низкой твёрдости, например, известняк и сланец.

Расширение сферы применения центробежно-ударной дробилки в 80-е годы произошло благодаря появлению компании "Barmac Associates", Новая Зеландия, и её дробилки типа "камень о камень" с вертикальным валом. История дробилки и компании Barmac началась в 70-х годах ХХ века и связана с именем Джима Макдоналда (Jim McDonald). Он ведал работами в карьере в Kiwi Point недалеко от Веллингтона, столицы Новой Зеландии. В карьере брали щебень для городских дорог, включая защитное покрытие. Новозеландские требования к кубовидности покрытия уже тогда были весьма жёсткими. Чтобы соответствовать им, были необходимы ударные дробилки, однако стоимость эксплуатация на высоко абразивных материалах была слишком велика. Джим Макдоналд нашёл способ защитить от абразивного износа вращающийся барабан (ускоритель), в котором разгоняется щебень в ударной дробилке. Для этого он применил сам щебень. Хотя идеи такого рода не новы, но в центробежно-ударных дробилках конструктивная концепция ускорителя, предложенная Джимом Макдоналдом, до сих пор остаётся непревзойдённой.

Джим Макдонолд начал эксперименты в песочнице, на заднем дворе своего дома. Работы были продолжены вместе с коллегами в карьере. На основе проведенной работы Джим создал вертикальную ударную дробилку VSI (типа Canica), в которой дробимый материал служил защитой ускорителя и отбойной плиты. Результаты испытаний в Kiwi Point были превосходными, однако передний край ускорителя изнашивался очень быстро: закаленная сталь могла продержаться 2-3 часа. Решение - металлокерамический композит на основе карбида вольфрама и кобальта - подсказал Брайен Бэйтли (Bryan Baitley) на одной из конференций, после официальной части. Он и стал совладельцем интеллектуальной собственности новой компании "Barmac", названной по начальным буквам обоих изобретателей.

Первый образец дробилки "Бармак Ротопактор" создан в 1975 г. В 1981 г. было продано около 40 образцов, к 1988 г. - более 800.

Принцип самофутеровки, принятый для защиты ускорителя и отражательной поверхности дробилки, предполагает закрытый ускоритель. Сегодня данное решение используют многие производителей центробежных дробилок. Способ формирования самофутеровки состоит в следующем (рис.2). Перед началом работы новый ускоритель, штатно установленный в дробилку, приводится во вращение с номинальной или меньшей скоростью. В него понемногу подаётся доступный некрупный сыпучий материал, который образует на разгонных лопастях ускорителя защитный слой самофутеровки. Момент окончательного образования защитного слоя ускорителя песком определяется по тому, что песок появляется в разгрузочном отверстии дробилки. Затем подается горная масса, содержащая куски произвольной крупности, допустимой по техническим требованиям. Её движение происходит во внутренних каналах ускорителя по ранее образованному слою песка.

Остальные участки (поверхности ускорителя, незащищенные самофутеровкой) защищены износостойкими съёмными деталями, выполненными из специальных материалов. Это кромка окна, кольцевые пластины ускорителя и его центральная зона, куда поступает питание. В современных дробилках обычно применяют сменные кольца, распределительный конус, подкладные листы из чугуна.

Применяемые марки чугунов отличаются особой твёрдостью (достигаемой за счёт высокого содержания карбида хрома - до 30%), а также высокой прочностью и ударной вязкостью (их обеспечивают специальные легирующие добавки и режимы термообработки). Чугунный конус (колпак) устанавливают в ускорителе в центре на нижней кольцевой пластине. Он прикрывает шлицевое соединение ускорителя с приводным валом (крепится одним болтом) и встречает удар ещё не закрученного потока горной массы.

Так называемые подкладные листы, которые представляют собой профилированные чугунные пластины, образуют "берега" потока горной массы и защищают от абразивного износа в каналах ускорителя внутреннюю поверхность верхней и нижней пластин. По совместительству пластины играют роль главных деталей силового каркаса ускорителя. Самофутеровка защищает от износа разгонные рёбра силового каркаса, то есть "дно" потока горной массы.

Для защиты кромки окна и удержания слоя самофутеровки в конце разгонного канала устанавливается стальная концевая лопатка. Для повышения ее износостойкости применяют одну или несколько твёрдосплавных вставок. В качестве вставок чаще всего используют спечённый твёрдый сплав - композиционный материал на основе карбида вольфрама со связкой из кобальта. Наиболее распространенная марка - ВК-8 (92 массовых % карбида вольфрама и 8% кобальта).

В процессе работы горная масса постепенно вытесняет речной песок, уплотняется и образует сплошной сцементированный слой самофутеровки. Уплотнение самофутеровки и её сцепление (адгезия) с металлом обычно столь велики, что её удаётся отбить от ускорителя (при необходимости ремонта и замены футеровки) только с помощью молотка и зубила.

Описанная выше компоновка ускорителя "Barmac" стала прототипом ускорителя для современных центробежно-ударной дробилки, так как сочетает минимальный износ и удобство замены съёмных деталей на демонтированном ускорителе.

Защита отражательной поверхности камеры дробления во многих дробилках, и в том числе дробилке "Титан", также обеспечивается слоем самофутеровки. На периферии камеры дробления располагается горизонтальная кольцевая площадка, на которой сама же измельчаемая горная масса образует коническую поверхность с естественным углом откоса (рис 3).

Куски горной массы дробятся в основном на этой конической отражательной поверхности при соударении со слоем самофутеровки. Значительная часть осколков отражается от неё вверх. При их падении под действием силы тяжести они повторно соударяются с потоком из ускорителя. Но эффективность использования кинетической энергии кусков в дробилках "камень о камень" при прочих равных ниже, чем в дробилках "камень о металл". Эффективность ударного взаимодействия снижается из-за того, что удар потока камней, вылетающих из ускорителя, приходится по касательной к кольцевой отбойной поверхности самофутеровки. Но острый угол, характеризующий соударение, увеличивается при увеличении зазора между ускорителем и отбойной поверхностью.

Испытания при переработке сталеплавильных и оловянных шлаков, хромовой и железной руды, гранитов, кварцитов, каолинов, известняков и фосфатов подтвердили высокую эффективность, экономичность и надёжность дробилки "Бармак Ротопактор". Спрос на них увеличился, и в середине 80-х годов к производству центробежной дробилки приступили фирмы "Бармак Америка", США, и "Крофт Имприсэ", Великобритания. В настоящее время производится около 20 типоразмеров центробежных дробилок производительностью от 50 до 500 т/ч.

Современные производители центробежных дробилок

Широкое распространение и успех дробилки "Бармак Ротопактор" обеспечили популярность принципу центробежно-ударного дробления, который до этого не рассматривался в качестве серьёзной альтернативы традиционным способам. Эти события заметно оживили рынок. Хотя дробилки "Бармак Ротопактор" реализуют принцип дробления "камень о камень", шире стали применяться и дробилки, дробящие "камень о металл". К производству и модернизации центробежно-ударной дробилки активно приступили фирмы, не занимавшиеся этой техникой прежде, а также те, которые ранее уже выпускали данную продукцию, в частности, конструкции типа "Tornado" или "Spokane".

Компания "Сидэррэпидс Айова", США, выпускает дробилки VSI с электрическим и дизельным приводом. Открытый ускоритель снабжён разгонными ребрами, выполненными из материала с высоким содержанием карбида хрома. Отражательная поверхность состоит из угловых отбойных плит, установленных на кольцевой обечайке. С целью снижения износа отбойных плит обечайка может быть повёрнута вокруг своей оси.

Kolberg Pioneer, США. Одна из крупнейших американских компаний, выпускающих дробилки центробежно-ударного типа. По конструкции достаточно близка фирме Barmac. Установки Kolberg Pioneer применяются при дроблении гранита, базальта и речного гравия и характеризуются низким абразивным износом вследствие реализации принципа дробления "камень о камень".

Компания Krupp , Германия, выпускает центробежно-ударные дробилки серии "Тайфун". Допустимая линейная скорость 60 м/с ускорителя диаметром 700-1100 мм.

Фирма SBM, Австрия, выпускает дробилки различных типоразмеров с ускорителем диаметром 800, 1000 и 1200 мм. Линейная скорость ускорителя составляет 60 -74 м/с. Для защиты отражательной поверхности используется самофутеровка.

Несмотря на успехи американских и западноевропейских фирм на зарубежном рынке центробежно-ударных дробилок по-прежнему лидирует компания "Barmac", входящая в настоящее время в "Metco Minerals". Также одним из крупнейших производителей такого типа дробилки является Sandvic. Конструкция выпускаемых ими дробилки "Merlin" аналогична конструкции дробилки "Barmac".

Недостатки центробежной дробилки на подшипниковой опоре

Как было уже замечено, развитие техники ударного дробления-измельчения хрупких материалов сдерживает два основных противоречия: между необходимостью увеличения скорости соударения с целью повышения эффективности ударной дезинтеграции, с одной стороны, и снижением ресурса опорных подшипниковых узлов, а также ростом ударно-абразивного износа рабочих органов при увеличении скорости удара, с другой стороны.

Низкий ресурс и высокая чувствительность традиционных подшипниковых опорных узлов к ударным радиальным нагрузкам не позволяли увеличивать скорость удара куска руды о неподвижную преграду до требуемых при дезинтеграции руд значений, 70 - 100 м/с, если крупность максимальных кусков остаётся в пределах 40 - 70 мм. Таким образом, в случае использования подшипникового узла для достижения высокой производительности требуется сделать нелегкий выбор: либо крупность питания, либо скорость удара.

В результате, дробилки на подшипниковой опоре имеют ряд ограничений. Так, например, крупность исходного питания не должна превышать 50 - 60 мм (для абразивных материалов), диаметр ротора (ускорителя) должен быть не более 1 м, его линейная скорость ограничена 60 - 70 м/с для максимальных типоразмеров. При данных ограничениях область применения ударной дезинтеграции ограничена в основном получением кубовидного щебня или искусственного песка, а измельчение руды до крупности ниже 5-10 мм становится неэффективным. Из-за малой скорости и, следовательно, низкого коэффициента измельчения высока степень возврата на додрабливание. Очевидно, что ударные дробилки, разработанные с применением традиционных подшипниковых узлов, пока не могут конкурировать с конусными дробилками мелкого дробления, стержневыми мельницами и мельницами полусамоизмельчения в существующих схемах рудоподготовки.

Воздушная опора - расширение возможностей центробежной дробилки

Для преодоления ограничений, накладываемых на скорость вращения ускорителей в дробилках на подшипниковых опорах, в ЗАО Новые технологии были продолжены исследования и разработки по созданию нетрадиционных опорных узлов дробилки, а также совершенствованию мер борьбы с ударно-абразивным износом узлов и деталей дробилки, начатые в 1980-90 гг. в рамках программ Минсредмаша. Учредителем ЗАО Новые технологии является российское межрегиональное научно-производственное объединение, специализирующееся на добыче благородных металлов - ОАО Полиметалл. Исследования, выполненные силами специалистов и научных коллективов, создавших новую технику и влившихся позднее в МНПО "Полиметалл", позволили решить проблему опорных узлов, описанную выше. Для этого в конструкции центробежных машин была применена так называемая воздушная опора, первые упоминания (патенты) о которой можно встретить еще в начале ХХ века.

Благодаря простой, но эффективной и надежной конструкции удалось решить ряд проблем, которые ранее считались неразрешимыми. Опора представляет собой две полусферы, в зазор между которыми нагнетается воздух. Требуется небольшое давление воздуха, достаточно типового напорного вентилятора. Роторная часть "всплывает" и выбирает ось вращения под действием внешних факторов. При этом значительно снижается чувствительность к дебалансу (по сравнению с подшипниковыми аналогами - до 5-10 раз). Практически устраняются технические ограничения на размеры и скорость вращения роторных систем.

Концепция новой воздушной опоры доказала свою эффективность опытом практического применения в течение вот уже 15 лет и расширила диапазон линейных скоростей роторных систем при центробежной дезинтеграции до 100 м/с и более. В рамках этой концепции диаметры роторов, а вместе с ними и единичная производительность оборудования ограничены только техническими возможностями машиностроительных предприятий и условиями транспортировки.

Дальнейшее совершенствование техники ударной дезинтеграции связано с уменьшением ударно-абразивного износа рабочих органов. Роль износа возрастает с ростом скорости ускорителя, но уменьшается с ростом его диаметра. Это связано с тем, что одинаковая скорость на выходе достигается на большей длине, т.е. на большем роторе меньшее ускорение, а, следовательно, и меньше и износ за счет уменьшения прижимных сил. Научно-технические и машиностроительные работы ЗАО Новые технологии продолжаются в обоих направлениях: по модернизации опорных узлов и снижению износа рабочих органов.

Перспективы развития ударной центробежной дезинтеграции

Очевидно, что в столь динамично развивающейся области техники, как ударная дезинтеграция, не может быть окончательных решений. Современное оборудование, реализующее способ центробежно-ударного дробления-измельчения, также является лишь очередным этапом в развитии техники ударной дезинтеграции твёрдых материалов. В настоящее время можно уверенно говорить о том, что основной тенденцией развития техники дезинтеграции хрупких материалов является вытеснение новым, энергонапряжённым оборудованием (в том числе ударного типа) традиционного оборудования, реализующего принципы раздавливания, истирания и низкоскоростного удара.

По мере того, как центробежно-ударные установки будут осваивать мелкое дробление (измельчение) руд, всё более актуальными будут становиться среднее и грубое ударное дробление горных пород, переработка отходов, а также тонкое и сверхтонкое ударное измельчение полезных ископаемых и техногенного сырья, в том числе керамики, металлов, полимеров и смесей этих материалов.

Основные достоинства установок ударной центробежной дезинтеграции:

Высокая степень сокращения крупности за счёт высокой плотности вводимой мощности

Возможность организации как сухого, так и мокрого процесса дробления-измельчения

Стабильный гранулометрический состав продукта, так как он не зависит от износа рабочих органов

Простое управление гранулометрическим составом продукта путем изменения скорости вращения ротора

Низкая энергоемкость и металлоемкость, низкий уровень капитальных затрат, возможность организации процесса дезинтеграции под открытым небом

Удобный контроль износа рабочих органов и низкая трудоемкость технического обслуживания

Возможность селективного дробления и встроенной классификации

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ.

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.