Механические процессы

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Измельчение - это процесс увеличения поверхности твердых материалов путем их раздавливания, раскалывания, истирания и удара. метод измельчения выбирают в зависимости от крупности и физико-механических свойств измельчаемых материалов. процессы измельчения разделяются на дробление (крупное, среднее и мелкое), измельчение (тонкое и очень тонкое) и резание. Классификация – это процесс разделения однородного сыпучего материала по величине его частиц. Процесс измельчения характеризуется степенью измельчения , т.е. отношением среднего размера куска материала до измельчения к среднему размеру куска после измельчения: (1), где Dср – средний размера куска материала до измельчения, мм; dср - средний размер после измельчения, мм. Обычно куски измельчаемого материала и куски, получаемые в результате измельчения имеют неправильную форму. Для практических целей желательно характеризовать величину отдельного куска одним размером. за этот размер обычно принимают диаметр отверстий сит, через которые просеивают сыпучий материал до и после измельчения. Дробление и измельчение проводят в открытых или замкнутых циклах. В открытом цикле материал проходит измельчающую машину один раз. В открытом цикле проводят крупное и среднее дробление, когда не требуется получать зерна конечного продукта определенного размера. При наличии мелочи в исходном материале его предварительно отсеивают и присоединяют к конечному продукту. при измельчении в замкнутом цикле материал неоднократно проходит через дробилку. измельченный продукт поступает в классификатор. зерна размерами больше допустимого предела возвращаются в ту же дробилку. В зависимости от начальных (dн) и конечных (dк) размеров наибольших кусков и частиц материала измельчение подразделяется на следующие виды: Вид измельчения dн, мм dк, мм Крупное 1500…2000 250…25 Среднее 200…25 25…5 Мелкое 25…5 5…1 Тонкое 5…1 1…0,075 Коллоидное 0,2…0,1 до1·10-4 Крупное и среднее измельчение проводят сухим способом, а мелкое и тонкое – мокрым способом обычно в воде. При этом резко снижается образование пыли. Работа, затрачиваемая на измельчение, складывается из работы, расходуемой на деформацию объема разрушаемого куска АД, и работы, расходуемой на образование новой поверхности АП. Полная работа внешних сил выражается уравнением Ребиндера: , (1) где - коэффициент пропорциональности, равный работе деформирования единицы объема тела; - изменение объема разрушаемого тела; - коэффициент пропорциональности, равный работе, затрачиваемой на образование единицы новой поверхности; - приращение вновь образованной поверхности. В случае крупного дробления с малой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на образование новой поверхности. Учитывая, что , получим: , (2) где D - характерный размер куска. Таким образом, работа дробления пропорциональна объему дробимого куска. Для дробления с большой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на деформирование объема куска. Тогда, учитывая, что , получим: . (3) Таким образом, работа дробления пропорциональна величине вновь образованной при дроблении поверхности. Все измельчающие машины делятся на дробилки и мельницы. Дробилки применяют для крупного и среднего дробления, мельницы - для среднего, мелкого, тонкого и коллоидного измельчения. Ко всем измельчающим машинам предъявляют общие требования: равномерность кусков измельченного материала; удаление измельченного материала из рабочего пространства; сведение к минимуму пылеобразования; непрерывная и автоматическая разгрузка; возможность регулирования степени измельчения; возможность легкой смены быстро изнашивающихся частей; небольшой расход энергии на единицу продукции. Для разделения смеси зернистых материалов на фракции с узкими пределами размеров частиц применяют три вида классификаций: • механическая классификация заключается в рассеве сыпучих материалов на ситах, решетах или других устройствах; • гидравлическая классификация – разделение смеси твердых частиц на фракции в зависимости от скорости оседания частиц в жидкости; • воздушная сепарация - разделение смеси твердых частиц на фракции в зависимости от скорости отстаивания частиц в воздухе. Механическая классификация применяется для разделения частиц размерами от нескольких сантиметров до долей миллиметра. Для рассеивания материалов используют металлические или другие сита, решета из металлических листов со штампованными отверстиями, решетки из параллельных стержней – колосников. Крупность всей массы сыпучего материала оценивают по содержанию в ней классов определенной крупности, т. е. по ее гранулометрическому составу. Ориентировочный диапазон крупности (мкм) для некоторых методов анализа: Ситовый анализ, в том числе на микроситах     100 000 – 10   Отмучивание 40 – 5 Оптическая микроскопия 50 – 0,25 Гравитационная седиментация 40 – 1 Центробежная седиментация 5 – 0,05 Электронная микроскопия 1 – 0,005 Наиболее часто для контроля процессов грохочения, дробления и измельчения применяют ситовый анализ. Ситовый анализ - определение гранулометрического или фракционного состава измельченных сыпучих материалов. Ситовой анализ применим для материалов с размерами частиц (зерен) 0,05-10 мм; для анализа крупнозернистых и кусковых материалов используют, как правило, грохочение. Ситовой анализ осуществляют просеиванием проб материала через набор стандартных сит с квадратными или прямоугольными отверстиями, размер которых последовательно уменьшается сверху вниз. В результате материал разделяется на классы, или фракции, в каждой из которых частицы незначительно различаются размерами. При просеивании часть материала, размеры частиц которого меньше размера отверстий d, проходит через сито (фракция -d, или проход), а остальная часть с более крупными частицами остается на сите (фракция + d, остаток, или сход). Число фракций, получаемых при просеивании через набор из n сит, составляет n + 1 и не должно быть менее 5 и более 20. Сита изготавливают из плетеных или тканых сеток (стальная, медная, латунная проволока; шелковая, капроновая, нейлоновая нить) либо штамповкой из металлических листов (решета). Для анализа очень тонких слипающихся порошков (размеры частиц 0,005 - 0,1 мм) применяют микросита, представляющие собой никелевую фольгу с расширяющимися книзу (для предотвращения забивки) квадратными отверстиями. Отношение размеров отверстий каждого и соседнего нижележащего сит, или модуль набора сит, суммарная площадь отверстий составляет 0,36 % от общей площади поверхности сита (эта величина также постоянна для всего набора сит). Сита обозначают номерами, соответствующими размеру стороны отверстия сита в свету, выраженному в миллиметрах или микронах (например, сито № 5 имеет отверстия с длиной стороны 5 мм). Ситовой анализ можно производить вручную или механически (устройство с различными приводами) и в зависимости от крупности, свойств материала и необходимой точности анализа сухим либо мокрым способом. При сухом способе проба материала предварительно перемешивается и высушивается (при температуре 105 - 110 °С). Минимальная масса пробы определяется размерами наиболее крупных частиц. Например, для частиц размерами 0,1; 0,3; 0,5; 1; 3; 5-10; мм составляет соответственно 0,025; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 2,25-18 кг. Пробу засыпают на верхнее сито и весь комплект сит встряхивают 10-30 мин. При просеивании тонкодисперсных материалов, склонных к агрегированию, в нижнее сито помещают резиновые шайбы либо пробки для растирания образовавшихся комков. После просеивания остаток на каждом сите взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г и вычисляют содержание ω (% по массе) фракций в исходной пробе: (4), где mфр - масса каждой фракции, г; mисх – масса пробы материала, г. В каждой фракции находят средний характерный размер, как полусумму нижнего и верхнего размеров сит: (5), где - средний размер каждой из фракций, мм. Средний диаметр исходного материала Dср вычисляют по формуле: (6). В случае необходимости очень точного определения гранулометрического состава материалов, растрескивающихся при температуре ниже 105 °С, а также слипающихся или содержащих большое количество мелкой фракции, пробу просеивают мокрым способом. Для этого мельчайшие частицы отмывают слабой струей воды до тех пор, пока слив не станет прозрачным. Остаток на сите высушивают, взвешивают и по разности масс находят количество отмытого шлама. Фракции частиц обозначают номерами сит. Например, если класс получен последовательным просеиванием материала на ситах № 2 и №1, фракцию обозначают следующим образом: -2+1 мм. Результаты ситового анализа представляют графически в виде характеристик крупности, или кривых распределения. Последние подразделяют на дифференциальные (показывают процентное содержание отдельных фракций в материале) и интегральные (изображают суммарное процентное содержание всех фракций меньше или больше данного размера). Для построения характеристики крупности на оси абсцисс откладывают размеры зерен материала по классам или номера сит, а по оси ординат – выход соответствующих классов в %. Полученные точки соединяют прямыми линиями, начиная с нуля данных координат. Для оперативного контроля гранулометрического состава материалов на потоке используют различные конструкции автоматических гранулометров. По принципу действия гранулометры разделяют на ситовые, седиментационные, ультразвуковые, лазерные, оптические и т.д. Гранулометры осуществляют контроль одного (определяющего) либо нескольких классов крупности. Контрольные вопросы 1. С какой целью применяют измельчение твердых материалов? 2. На какие виды подразделяется измельчение в зависимости от начальных и конечных размеров частиц? 3. Какими методами производится измельчение твердых материалов? 4. Что представляет открытый и замкнутый цикл измельчения? 5. Как определить степень измельчения? 6. Формула для определения среднего диаметра фракции. 7. Формула для определения среднего диаметра исходного материала. 8. Что представляет собой характеристика крупности? 9. Какие виды классификации используются в промышленности? 10. Что представляет собой ситовой анализ? 11. Из чего складывается работа, затрачиваемая на измельчение твердого материала? 12. Уравнение Ребиндера для крупного и мелкого дробления. 13. Какие типы измельчающих машин применяются в промышленности? В конспекте по оборудованию рассмотреть следующие измельчающие машины: - щековые дробилки; - молотковые дробилки; - валковые дробилки; - дисковые мельницы; - шаровые мельницы; -протирочные машины.