Способы и теории измельчения

Дробление основано на действии внешних сил — сжатии, растяжении, изгибе или сдвиге, которые проявляются в максимальной степени в ослабленных сечениях куска, вызванных дефектами его структуры (размером и формой), слоистостью, пористостью и трещиноватостью. Для процессов дробления наиболее важные характеристики — прочность (крепость) и дробимость кусков.

Метод измельчения выбирается в зависимости от крупности и физико-механических свойств измельчаемых материалов. На практике при измельчении обычно имеет место несколько сопутствующих видов измельчения.

По характеру применяемых усилий способы измельчения (рис. 7.1) подразделяют на следующие: раздавливание (сжатие куска), раскалывание (эквивалентно растяжению), разламывание (изгиб), истирание, измельчение с помощью удара, резание, распиливание.

Процесс разламывания осуществляется за счет воздействия на материал изгибающих сил Р. Размеры и форма получаемых частиц примерно такие же, как и при раскалывании.

Способы измельчения

Рис. 7.1. Способы измельчения:

а — раздавливание; б — раскалывание с опорной плитой; в — раскалывание между клинообразными рабочими органами; г — размалывание; д — истирание; е — измельчение при стесненном ударе; ж, з — измельчение при свободном ударе; и — резание; к — распиливание

Прочные и хрупкие материалы измельчаются, как правило, раздавливанием и изломом, прочные и вязкие — раздавливанием и истиранием, вязкие материалы средней прочности — истиранием, ударом и раскалыванием. Крупное дробление мягких и хрупких материалов предпочтительно выполнять раскалыванием, среднее и мелкое — ударом. Помол материалов выполняют ударом и истиранием. Предел прочности кусков на растяжение в десятки раз меньше, однако по конструктивным соображениям в современной практике дробления основным разрушающим воздействием является раздавливание.

При раздавливании под действием нагрузки, создаваемой силой Р на нажимную плиту, материал деформируется по всему объему и внутреннее напряжение в нем постепенно повышается. При увеличении внутреннего напряжения выше предела прочности сжатия материал разрушается. При этом образуются частицы различного размера и различной формы.

Процесс раскалывания осуществляется за счет создания больших концентраций нагрузок в местах контакта материала с клинообразным рабочим элементом, на который воздействует сила Р. Форма и размеры образующихся кусков материала, как и при раздавливании, непостоянны. Материал измельчается при меньших нагрузках, а следовательно, и меньших затратах энергии, чем при раздавливании.

Процесс резания осуществляется лезвиями (ножами), под действием которых создается усилие Р, направленное под определенным углом к измельчаемому материалу. Кроме того, ножи совершают движение в плоскости, параллельной плоскости разделения материала. При резании полутвердые и пластичные материалы можно разделить на части заранее выбранных размеров и форм, т. е. в данном случае процесс измельчения является управляемым.

Распиливание осуществляется за счет использования пил, зубья которых представляют собой ножи. Воздействие пилы осуществляется путем нажима ее на измельчаемый твердый материал, а также перемещения пилы в плоскости измельчения. Процессы резания и распиливания полностью управляемы, что позволяет получить куски требуемых размеров.

Процесс истирания применяется при тонком и коллоидном помолах. Этот процесс осуществляется под воздействием на материал сил (сжимающих, растягивающих и срезающих), возникающих за счет перемещения опорной и нажимной плит в противоположные стороны. На нажимную плиту оказывает внешнее воздействие сила Р.

Процесс дробления за счет удара может быть осуществлен в двух вариантах: стесненным ударом, осуществляемым каким-либо твердым ударяющим инструментом, и свободным ударом за счет столкновения измельчаемого материала с твердой поверхностью опорной плиты. Процесс осуществляется из-за напряжений сжатия, растяжения, изгиба и сдвига. В случае сосредоточенной нагрузки получается эффект, подобный тому, что и при раскалывании, а при распределенной нагрузке по всему объему эффект разрушения аналогичен наблюдаемому при раздавливании.

Из перечисленных способов наиболее пригодными, например, для измельчения мяса и мясных продуктов оказались резание и распиливание (машины для крупного измельчения), сочетание резания с раздавливанием, раскалыванием и ударом (машины для среднего и мелкого измельчения), комбинация резания, раздавливания и истирания (машины для тонкого измельчения).

Во всех рассмотренных способах измельчения в материале сначала возникают объемные деформации, которые приводят к тому, что он начинает разрушаться с образованием новых поверхностей. В связи с этим можно утверждать, что полезная работа на дробление расходуется на объемную деформацию разрушаемого материала и на образование новых поверхностей.

Несмотря на широкое распространение машин для измельчения и большое значение этого процесса в производстве, теории, которая подвела бы под процесс измельчения объединяющее математическое выражение, до сих пор не предложено. В теории измельчения основным является определение величины энергии, затрачиваемой на измельчение (работа измельчения).

Поверхностная теория исходит из того, что при измельчении работа расходуется на преодоление сил молекулярного притяжения по поверхностям разрушения материала. Из этой теории следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна вновь образующейся поверхности измельчаемого материала.

Объемная теория исходит из того, что при измельчении работа расходуется на деформации материала до достижения предельной разрушающей деформации. Отсюда следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна уменьшению объема кусков материала перед их разрушением.

Полная работа внешних сил Л выражается уравнением академика П. А. Ребиндера

где Ад — работа, затрачиваемая на деформацию объема разрушаемого куска, Дж; Ап — работа, затрачиваемая на образование новой поверхности, Дж; Кг — коэффициент пропорциональности, равный работе деформирования единицы объема тела; AV — изменение объема разрушаемого тела; К2 — коэффициент пропорциональности, равный работе, затрачиваемой на образование единицы новой поверхности; AF — приращение вновь образованной поверхности.

Формула П. А. Ребиндера не получила широкого распространения ввиду отсутствия надежных рекомендаций по методике выбора значений коэффициентов пропорциональности для конкретного случая.

На основании закона Р. Гука работу деформации материала при сжатии Ад можно определить по соотношению

где а — разрушающее напряжение сжатия, Н/м; АУ — уменьшение объема кусков материала в результате их деформации перед разрушением, м3; Е — модуль упругости материала, Н/м2.

Как видно из уравнения (7.2), работа, затрачиваемая на разрушение материала, зависит от разрушающего напряжения и модуля упругости материала.

С учетом (7.2) получим

В случае крупного дробления с малой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на образование новой поверхности, и, учитывая, что AV ~ D3, получим

где D — характерный размер куска.

Уравнение (7.4) выражает гипотезу Ф. Кика — В. Л. Кирпичева: работа дробления пропорциональна объему дробимого куска.

Для дробления с большой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на деформирование объема куска. Тогда, учитывая, что AF ~ D2,

Это уравнение является выражением гипотезы П. Р. фон Риттингера, согласно которой работа дробления пропорциональна величине вновь образованной при дроблении поверхности.

В случае, когда нельзя пренебречь слагаемыми в уравнении (7.1), получают уравнение

которое носит название уравнения Ф. Бонда: работа дробления пропорциональна среднегеометрическому из его объема и поверхности.

Следует сказать, что все приведенные гипотезы измельчения следует рассматривать именно как гипотезы, но не законы, так как они не подтверждаются практическими результатами процесса измельчения, тем более в широком диапазоне свойств материала и крупности готового продукта.

Работа, затрачиваемая на резание (резание состоит из двух последовательных стадий: сначала лезвие ножа сжимает материал, а затем перерезает его), может быть выражена формулой академика В. П. Горячкина

где Дсж — работа, затрачиваемая на сжатие продукта, Дж; Ап — полезная работа резания, Дж.

Работа сжатия Асж = ЭНСЖ/Н, где Э — условный модуль сжатия материала лезвием ножа, Дж; ксж — высота сжатого слоя, м; h — первоначальная высота слоя материала, м.

Полезная работа Ан = Fp(h-hpe3), где Fp — усилие резания.

Обычно пользуются понятием удельное усилие резания, которое представляет собой усилие, отнесенное к 1 м длины лезвия ножа. Условный модуль сжатия определяется экспериментальным путем. Его величина зависит от свойств материала, вида ножа, усилия и других факторов.

Предпочтительные области применения гипотез: при крупном дроблении (приращение поверхности мало) работу дробления определяют по гипотезе Ф. Кика — В. Л. Кирпичева; при мелком дроблении (измельчении, истирании) — по гипотезе П. Р. фон Риттингера. Уравнение Ф. Бонда достаточно точно применимо при среднем дроблении. Теория дробления позволяет количественно описывать процессы дробления в машинах различных типов и их параметры: работу дробления, мощность двигателя, производительность, наибольшие усилия дробления и т. п.

Расход энергии при измельчении возрастает с уменьшением размера частиц. В связи с этим во избежание непроизводительных затрат крайне важно, чтобы при организации процесса был заранее известен ожидаемый размер частиц после дробления. С целью уменьшения расхода энергии в ряде случаев целесообразно периодически удалять достаточно измельченные частицы из сферы помола.

При измельчении твердых тел одним из важных параметров является степень измельчения

где dH и dK — соответственно, средний размер частиц до и после измельчения.

По размерам частиц, получаемых в результате измельчения, оно бывает крупное, среднее, мелкое, тонкое, сверхтонкое и коллоидное. Характерные размеры частиц до и после измельчения для разных его типов приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Характеристика видов измельчения

Вид измельчения

Средний размер частиц, мм

Степень

измельчения

до измельчения

после измельчения

Крупное

1000—200

Более 100

3—6

Среднее

250—25

10—50

5—10

Мелкое

50—25

2—10

10—50

Тонкое

25—3

0,05—1

До 100

Сверхтонкое (коллоидный размол)

10—0,4

Менее 0,05

До 1000

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >