.
Рис. 7. Схема к определению зависимости режимов движения размольных тел от угла их загрузки а1 в барабане мельницы
При установившемся наклоне свободной габаритной поверхности шаровой загрузки моменты М1 и M2 равны:fPR= PRcos1sin, откуда
sin =f/ cos1. (2)
Таким образом, устанавливающийся при вращении барабана мельницы наклон свободной габаритной поверхности шаровой загрузки зависит только от двух величин: коэффициента трения f и угла 1. В свою очередь, угол 1зависит только от относительной загрузки барабана мельницы шарами, т.е. от коэффициента .
По мере увеличения шаровой загрузки угол 1возрастается от 0 до 90°, а cos1уменьшается от 1 до 0. Отсюда следует, что sin и возрастают по мере увеличения шаровой загрузки в барабане мельницы. По формальному требованию sin не может быть больше единицы. Для сохранения режима скольжения размольных тел угол 1 должен определяться величиной f из условия f /cos1< 1.
Формула (2)свидетельствует о том, что наклон свободной габаритной поверхности шаровой загрузки должен непрерывно возрастать по мере увеличения ее объема, но практически он не может возрастать беспредельно: при некотором наклоне шары уже не будут удерживаться на рассматриваемой наклонной поверхности, они будут срываться и скатываться вниз.
Увеличение наклона по мере возрастания объема их загрузки в барабане мельницы будет происходить до тех пор, пока угол наклона не достигнет величины угла естественного откоса для массы шаров.
При дальнейшем увеличении загрузки шаров наклон не будет возрастать, так как скатывающиеся шары будут обеспечивать сохранение наклона свободной габаритной поверхности шаровой нагрузки, соответствующего углу естественного откоса для нее (или для поверхности размольных тел любой другой полиэдрической формы).
Основное условие сохранения скольжения для массы шаров при этом нарушится: из-за недостаточной величины угла момент силы тяжести в этих условиях не может быть равным моменту сил трения и будет меньше его. Вследствие этого скольжение шаров полностью прекратится, все шары будут подниматься вместе со стенкой барабана мельницы и скатываться по наклонной поверхности, ограничивающей шаровую загрузку.
Если известны угол естественного откоса и коэффициент трения шаров (или размольных тел другой формы) о стенку барабана мельницы, то можно рассчитать ту их критическую загрузку, при превышении которой вместо скольжения шаров начинается их перекатывание. Коэффициент тренияfудобнее всего находить экспериментально для конкретного типа размольных тел и барабана мельницы.
Определив экспериментально угол наклона при небольшой относительной загрузке барабана, заведомо обеспечивающей скольжение размольных тел, можно рассчитать коэффициент трения f и, используя его значение, установить наклон (угол ) при любой относительной загрузке барабана мельницы или по углу естественного откоса размольных тел угол 1, соответствующий критической загрузке барабана мельницы.
Режим перекатывания обеспечивает более высокую интенсивность размола, чем режим скольжения размольных тел. Его применение позволяет резко увеличить загрузку мельницы размалываемым материалом и ускоряет процесс размола. Преимущество режима перекатывания представляется естественным, так как в этом случае в работе истирания участвуют все размольные тела, в то время как при режиме скольжения работает лишь небольшая их доля (размольные тела, соприкасающиеся со стенкой барабана мельницы).
Знание условий перехода режима скольжения в режим перекатывания позволяет избегать при разработке новых режимов размола случайного установления режима скольжения, снижающего эффективность размола и повышающего износ стенок барабана мельницы.
Контрольные вопросы и задания
Для измельчения каких материалов целесообразно использовать шаровые мельницы?
Назовите основные виды шаровых мельниц.
Чему равна критическая скорость вращения барабана мельницы?
Назовите основные факторы, определяющие степень помола в шаровых мельницах.
Укажите механизмы перехода мельницы в различные режимы.
Назовите основные режимы работы шаровых мельниц.
Какие усилия (в основном) действуют на измельчаемый материал в режимах интенсивного измельчения и истирания?
-
Как можно предотвратить пыление и агрегатирование порошка при его размоле?
Получение механолегированных порошков. Измельчение материалов в вибрационных, вихревых, планетарных и гироскопических мельницах
План лекции
Получение механолегированных порошков в шаровых мельницах и аттриторах.
Размол материалов в вибрационных мельницах.
-
Размол материалов в планетарных центробежных и гироскопических мельницах.
Размол материалов в вихревых и струйных мельницах.
Получение механолегированных порошков в шаровых мельницах и аттриторах
Несмотря на то, что режим работы шаровой мельницы при скорости вращения барабана больше критической считается крайне неэффективным, на практике применяются высокоскоростные шаровые мельницы, работающие и при этих режимах. Для перевода размольных тел в рабочее состояние, внутри барабана мельницы установлен ряд лопастей. При вращении барабана со скоростью, равной или большей nкр, размольные тела оказываются прижатыми к его цилиндрической поверхности, а лопасти перемешивают их и возвращают в рабочую зону. В такой мельнице получают композитные порошки методом механического легирования путем совмещенного размола двух и более металлов. Отношение массы размольных тел к массе смеси порошков составляет 6 : 1.
Процесс механического легирования во времени можно условно разделить на пять стадий. На первой стадии(< 12 мин) происходит расплющивание и размол отдельных частиц. Вторая стадия (12-30 мин) представляет собой чередование разрушения и перестройки структуры частиц за счет холодного сваривания разнородных частиц с образованием «склепанных» частиц с характерной слоистой структурой. На третьей стадии (30-60 мин) эти «склепанные» частицы разрушаются и исчезают частицы исходных порошков, превращаясь в композиционные частицы со слоистой структурой. В течение четвертой стадии (60-100 мин) нарушается параллельность в расположении слоев в структуре композиционных частиц, а на пятой стадии (> 100 мин) повышается внутренняя однородность (гомогенность) частиц, причем слои разнородных компонентов истончаются, а их число растет. Механическое легирование перспективно для получения порошков дисперсно-упрочненных материалов или таких композиций, компоненты которых обладают малой взаимной растворимостью либо резко различаются температурами плавления.
Одной из разновидностей шаровых мельниц являются так называемые аттриторные устройства (рис.8).
Размольные тела загружают в вертикальный (или горизонтальный) неподвижный барабан, внутри которого со скоростью более 100 об/мин вращается вертикальная лопастная мешалка.
Гребки, наклонно укрепленные на лопастях мешалки, обеспечивают циркуляцию размольных тел и истирание измельчаемого материала. Аттри- торные мельницы конструктивно просты, удобны в эксплуатации и позволяют вести процесс измельчения непрерывно. В результате размола получают порошок с более равномерным распределением частиц по размерам.
Необходимая дисперсность достигается в несколько раз быстрее, чем в обычных шаровых вращающихся мельницах. Аттриторы весьма эффективны при приготовлении смеси высокодисперсных порошков разнородных компонентов, а также могут применяться для получения механолегированных порошков. В отдельных случаях аттриторы используются при получении материалов методом высокотемпературного самораспространяющегося синтеза.
Рис. 8. Схема аттритора: 1 - корпус мельницы (размольная емкость); 2 - водоохлаждаемые стенки корпуса мельницы; 3 - вал мешалки аттритора; 4 - измельчаемый материал; 5 - размольные тела; 6 - лопасти мешалки
Увеличение скорости вращения вала до нескольких сотен оборотов в минуту приводит к проявлению эффекта механолегирования. Отношение массы шаров к массе порошка лежит в пределах от 12 : 1 до 40 : 1. Диаметр размольных тел (чаще всего из хромистоуглеродной стали) - от 4 до 10 мм. Продолжительность процесса - до нескольких десятков часов.
Размол материалов в вибрационных мельницах
В практике порошковой металлургии широко используют вибрационные мельницы, обеспечивающие быстрое и тонкое измельчение обрабатываемых материалов, например карбидов и других тугоплавких соединений различных металлов, при производстве твердых сплавов и др. При производстве порошков используют вибромельницы различных типов и конструкций, различающиеся главным образом по технологическим и конструктивным признакам. В соответствии с технологическими признаками их подразделяют по типу размола (сухое измельчение или мокрое) и характеру работы (периодического действия или непрерывного). К конструктивным признакам относят тип возбудителя колебаний (эксцентриковые или дебалансные), форму корпуса мельницы (цилиндрический, прямоугольный), тип ее опоры и т.д.
Наиболее распространены вибрационные дебалансные мельницы, (рис.9), дебалансный вал которых приводится во вращение от электродвигателя через эластичную муфту.
Рис. 9. Схема вибрационной мельницы: 1 - электродвигатель; 2 - соединительная муфта; 3 - корпус мельницы; 4 - загрузочный люк; 5 - размольные тела; 6 - деба- лансный вал; 7 - амортизаторы (пружины)
Вращение дебалансного вала вызывает колебания корпуса мельницы, загруженной размольными телами и измельчаемым материалом. Частота вращения вала составляет от 1 000 до 3 000 об/мин, амплитуда колебаний корпуса мельницы - 2-4 мм.
Размольные тела, получая частые импульсы от стенок корпуса мельницы, совершают сложные движения. Они подскакивают, соударяются и скользят по стенкам корпуса мельницы. В результате трения о стенки мельницы они начинают вращаться. На частицы измельчаемого материала действуют ударные, сжимающие и срезывающие усилия переменной величины. Ударный импульс единичного размольного тела в вибромельнице по сравнению с ударным импульсом в шаровой вращающейся мельнице относительно невелик.
Однако большое число размольных тел в единице объема корпуса мельницы и высокая частота их колебаний обеспечивают интенсивное измельчение обрабатываемого материала. Суммарное число импульсов i , сообщаемых размольным телам в единицу времени, можно оценить по формуле
(3)
где V - объем корпуса мельницы, дм3; k - число размольных тел, размещающихся в 1 дм3 объема корпуса мельницы; - коэффициент заполнения корпуса мельницы размольными телами (обычно составляет 0,75-0,85); n- частота вращения вала, об/мин (обычно 1 000-3 000 об/мин); z - число импульсов, сообщаемых каждому из размольных тел корпусом мельницы за одно его круговое качание; В - коэффициент, учитывающий дополнительное число импульсов, сообщаемых за один оборот вала каждому размольному телу соседними размольными телами.
Если условно принять k = 1 250 шт./дм3 (при среднем диаметре шаров 10 мм), = 0,8, n= 1 500 об/мин, z = 1 (за один оборот вала каждому из размольных тел сообщается только один импульс), B= 1 (т.е. не учитывать увеличение частоты воздействия за счет импульсов, дополнительно сообщаемых каждому шару соседними с ним шарами), то число импульсов, сообщаемых размольным телам в корпусе мельницы объемом 200 дм3, составит i = 3 108 импульсов в минуту.
Это на несколько порядков выше числа импульсов, сообщаемых размольным телам при измельчении материала в шаровой барабанной мельнице. Благодаря высокой частоте воздействий релаксация материала (самозаживление трещин под действием сил межатомарного сцепления) в вибрационных мельницах проявляется в меньшей степени, а процесс измельчения протекает значительно быстрее. Время измельчения материала до высокодисперсного состояния (в большинстве случаев) не превышает нескольких часов (5-6 ч). Исследования порошка, полученного в вибрационной мельнице, показывают наличие большого числа частиц округлой формы, что свидетельствует о существенной роли истирающих воздействий на измельчаемый материал как со стороны размольных тел, так и со стороны частиц самого материала (явление самоистирания).
Основные показатели режима виброразмола (коэффициент заполнения рабочего объема корпуса мельницы размольными телами и измельчаемым материалом, соотношение между ними, продолжительность процесса и др.) обычно устанавливают экспериментально с учетом свойств измельчаемого материала и требуемой дисперсности получаемого порошка.
Размол материалов в планетарных центробежных и гироскопических мельницах
Планетарные центробежные (ПЦМ) и гироскопические мельницы используются для получения сравнительно небольших объемов нано- и ультрадисперсных порошков. В планетарных центробежных мельницах тонкое измельчение трудноразмалываемых материалов производится во много раз быстрее, чем в мельницах других типов. Время измельчения материалов в ПЦМ чаще всего не превышает нескольких десятков минут (10-30 мин).
Наиболее распространенный вариант ПЦМ состоит из корпуса-шкива, на котором установлены обоймы для крепления барабанов мельницы (рис.10). Электродвигатель приводит во вращение корпус оси промежуточных зубчатых колес и обоймы.
Закрепленные в обоймах барабаны вращаются вместе с корпусом- шкивом и одновременно вокруг своей оси в направлении, противоположном направлению вращения корпуса. В процессе вращения корпуса-шкива барабаны получают ускорение до 35g.
Рис. 10. Схема планетарной центробежной мельницы: 1 - редуктор; 2 - опорный стол; 3 - корпус-шкив с механизмом привода барабанов; 4 - барабан с размольными телами, обоймы для установки барабанов; 5 - электродвигатель
Во время вращения барабана размольные тела в нем располагаются в виде сегмента, форма и положение которого не изменяются во времени, массив шаров движется вместе с барабаном, а каждый шар (единичное размольное тело) движется по окружности, центром которой является ось барабана.
По достижении «зоны отрыва» размольные тела начинают перекатываться в сегменте и вращаться вокруг собственных центров тяжести, что обеспечивает измельчение обрабатываемого материала за счет его истирания.
На эффективность помола в ПЦМ оказывают влияние геометрические параметры агрегатов мельницы (расстояние от оси корпуса-шкива до оси барабана, диаметр барабана), угловая скорость корпуса-шкива, скорость вращения барабана. Для эффективной работы ПЦМ («отрыва» размольных тел) экспериментально подбирается оптимальное соотношение скоростей вращения корпуса-шкива и барабанов (передаточное отношение).
Наиболее существенный недостаток размола в ПЦМ и гироскопических мельницах - значительное загрязнение измельчаемого порошка примесью, образующейся результате истирания стенок барабанов и размольных тел.
Для того чтобы увеличить срок службы барабанов мельницы и уменьшить загрязнение измельчаемого порошка, рабочую поверхность барабанов покрывают керамической клепкой. Размольные тела, применяемые для работы мельницы также изготавливают из керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия.
Для тонкого измельчения материалов наряду с ПЦМ используют и так называемые гироскопические мельницы. Барабан этих мельниц одновременно вращается относительно горизонтальной и вертикальной осей. Размольные тела внутри барабана совершают сложные движения, аналогичные движению размольных тел в ПЦМ. Оптимальное соотношение скоростей вращения барабана относительно вертикальной и горизонтальной осей составляет от 1 : 1 до 1 : 5.
Размол материалов в вихревых и струйных мельницах
При измельчении в таких мельницах ударные и истирающие усилия возникают при соударении частиц обрабатываемого материала; загрязнение порошка материалом рабочего органа и стенок мельницы существенно уменьшается, а также устраняются явления, связанные с привариванием к стенкам мельницы обкованных, но не измельченных частиц.
В рабочей камере вихревой мельницы друг против друга расположены пропеллеры или била (рис. 11), вращающиеся в противоположных направлениях при высоких (порядка 3 000 об/мин), но обязательно равных скоростях.
Мерные отрезки металлической проволоки из бункера поступают в вихревой поток, создаваемый пропеллерами или билами, сталкиваются друг с другом и измельчаются. Насосом в рабочую камеру нагнетается газ (воздух, азот и др.), с помощью которого уже измельченные частицы удаляются из рабочего пространства мельницы и направляются в ее приемную камеру.
Скорость газового потока регулируют так, чтобы из рабочей камеры мельницы удалять частицы определенных размеров (чаще всего в интервале 60-350 мкм).
Когда сила струи газа, подаваемого в рабочую камеру, превысит инерционные (гравитационные) силы, действующие на частицу измельчаемого материала, она будет вынесена из рабочего пространства мельницы.
В приемной камере мельницы крупные частицы оседают на дно и периодически возвращаются в рабочую камеру, где подвергаются дальнейшему измельчению. Более мелкие частицы вместе с потоком газа поступают в отсадочную камеру, где выпадают, накапливаются и периодически выгружаются в емкости для порошка.
Частицы порошка, полученного в вихревых мельницах, могут быть осколочной, чешуйчатой или сферической формы, однако во многих случаях на поверхности частиц материала наблюдаются характерные углубления, отчего их форма напоминает тарелку. Поэтому частицы подобной формы получили название тарельчатых.
Для измельчения стружки металлообработки пропеллеры заменяют одним центральным валом со специальными билами.
В результате вихревого измельчения могут получаться достаточно мелкие, проявляющие склонность к самовозгоранию (пирофорные) порошки. Для предотвращения самовозгорания в рабочую камеру мельницы вводят какой-либо инертный или нейтральный к материалу порошка газ, к которому добавляют до 5 % кислорода. Кислород, содержащийся в газе, образует на поверхности частицах порошка защитную оксидную пленку.
Рис. 11. Вихревая мельница: 1 - рабочая камера мельницы; 2 - бункер для загрузки измельчаемого материала; 3 - приемная камера; 4 - пропеллеры; 5 - отсадочная камера; 6 - насос для подачи газа в рабочую камеру; 7 - порошок; 8 - емкость для выгрузки порошка из отсадочной камеры
Производительность вихревых мельниц сравнительно невелика - не более 15 кг порошка в час у мельницы мощностью около 30 кВт. Более эффективны и производительны струйные мельницы, обеспечивающие сверхтонкое измельчение материала за счет энергии вводимых в рабочую камеру мельницы (со звуковой и даже сверхзвуковой скоростью) потоков сжатого газа (воздуха, азота и др.) или перегретого пара. Материал, подаваемый в рабочую камеру мельницы, находится в постоянном движения, испытывая многократные соударения, которые приводят к его интенсивному истиранию (самоизмельчению). Так же как и в вихревых мельницах, измельченный материал (частицы размером от 1 до 5 мкм) удаляется из рабочей камеры потоком газа или пара.
Контрольные вопросы и задания
Перечислите основные этапы получения механолегированных порошков.
Какие преимущества имеют механолегированные порошки перед обычными?
Что такое аттритор?
Объясните принцип устройства вибрационных мельниц.
Какие усилия действуют на материал при его измельчении в вибрационных мельницах?
Опишите механизм измельчения материалов в вихревых и струйных мельницах.
Каким образом измельченный порошок удаляется из рабочей камеры вихревой мельницы?
Объясните принцип действия центробежных и гироскопических мельниц.
Каковы размеры частиц порошка, получаемого в центробежных и гироскопических мельницах?
-
Назовите достоинства и недостатки измельчения порошков в центробежных и гироскопических мельницах.
Получение порошков ультразвуковым измельчением в жидких средах. Измельчение материалов в аппаратах магнитного индукционного вращателя
План лекции
Измельчение ультразвуком.
Измельчение в аппаратах магнитного индукционного вращателя.
Измельчение ультразвуком
Металлические порошки различной крупности могут быть получены ультразвуковым диспергированием твердого вещества в жидкости.
Ультразвук представляет собой упругие колебания и волны, частота которых лежит в пределах от 10 кГц до нескольких десятков гигагерц (низкочастотные колебания - 15-100 кГц, средних частот - 100 кГц - 10 МГц, высокочастотные - 10 МГц-1 ГГц; свыше 1 ГГц - гиперзвук).
Распространяясь в жидкости, твердом веществе или газе, упругие колебания создают звуковую волну, которая образует в соответствующей среде сгущения и разрежения с частотой налагаемых колебаний. Наличие в данной среде примесей (прежде всего микрочастиц) приводит к возникновению в ней давления, избыточного по отношению к атмосферному.
В жидкостях помимо твердых примесей имеется огромное число газовых пузырьков размером от десятых долей до сотен микрометров. Под воздействием ультразвука определенной мощности эти пузырьки (полости) активно пульсируют, растягиваясь и сжимаясь в фазе разрежения или сгущения ультразвуковых колебаний.
Эти пульсирующие полости (пузырьки) называют кавитационными, а процесс их развития во времени - ультразвуковой кавитацией. Однако кави- тационные процессы наступают лишь для тех пузырьков, начальный радиус которых R0 больше критического радиуса Rкр, но меньше резонансного Rрез(т.е. такого размера, когда частота собственного колебания пузырька совпадает с частотой налагаемого поля). При R0 < Rкр пузырьки вследствие действия сил поверхностного натяжения не участвуют в кавитации (при данной частоте колебаний), а при R0
|
