Устройство для измельчения материалов

 

Изобретение относится к техническим средствам, предназначенным для получения дисперсных порошков, суспензий, эмульсий, аэрозолей для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов, и может быть широко использовано в различных отраслях промышленности: строительной, цементной, химической, пищевой, медицинской и т.п., в частности для измельчения абразивных материалов (алмазов, нитрида бора и пр.). Сущность изобретения: устройство для измельчения содержит камеру с входным патрубком подачи энергоносителя, выходным патрубком и средствами создания локальных искажений силового поля. Средства для создания локальных искажений силового поля, входной и выходной патрубки расположены по периметру камеры в вершинах n-угольника, периметр П которого выбран из определенного соотношения. В соотношение входят значения величин диаметра камеры, числа сторон n-угольника, а также размеры входного патрубка. При этом определенным образом необходимо выдержать соотношение между максимальной и минимальной сторон. 1 ил.

Изобретение относится к техническим средствам, предназначенным для получения дисперсных порошков, суспензий, эмульсий, аэрозолей для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов, и может быть широко использовано в различных отраслях промышленности: строительной, цементной, химической, пищевой, медицинской и т. д., в частности для измельчения абразивных материалов (алмазов, нитрида бора и др.).

Известно устройство для измельчения материалов, выполненное в виде вихревой камеры с узлом вывода измельченного материала в виде двух плоских каналов, примыкающих к крышке и соединенных вне камеры в один канал (1).

Недостатком данного устройства является низкая эффективность помола из-за необходимости многократных соударений измельчаемого материала со стенками камеры, что приводит к значительным энергетическим затратам.

Известно устройство для измельчения материалов, содержащее имеющую профиль спирали Архимеда камеру, на внутренней поверхности которой выполнена по всему периметру зигзагообразная канавка (2).

Недостаткам известного устройства является относительно низкая эффективность измельчения, обусловленная тем, что измельчаемый материал разрушается в основном за счет истирания частиц друг о друга при движении частиц в зигзагообразной канавке.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому является устройство для измельчения материалов, содержащее камеру с входным патрубком подачи энергоносителя, выходным патрубком и средствами создания локальных искажений силового поля (3).

В данном устройстве в силовое поле, под воздействием которого двигается измельчаемый материал, вносятся локальные искажения, приводящие к дополнительному ускорению частиц за счет наличия специальных средств, воздействующих на измельчаемый материал таким образом, что его частицы стремятся изменить знак кривизны траектории своего движения в радиальной плоскости их перемещения и/или угловой скорости вращения. В результате, частица в момент касания стенки имеет ускорение намного большее, чем при движении в силовом поле без локальных искажений, хотя ее траектория и импульс могут оставаться практически неизменными.

Недостатком известного устройства является относительно низкая эффективность измельчения, обусловленная большой неоднородностью дисперсного состава конечного продукта, невозможностью получения частиц субмикронных размеров и относительно высокие удельные энергозатраты.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности измельчения за счет уменьшения неоднородности дисперсного состава конечного продукта, получение частиц субмикронных размеров и снижение удельных энергозатрат.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измельчения материалов, содержащем камеру с входным патрубком подачи энергоносителя, выходным патрубком и средствами создания локальных искажений силового поля, средства создания локальных искажений/ входной и выходной патрубки установлены по периметру камеры в вершинах n-угольника, периметр П которого выбран из соотношения: 1,8 ≅ 1-0,287·sin ≅ 3,1 где d_max - расстояние между максимально удаленными друг от друга двумя точками, принадлежащими внутренней боковой поверхности камеры в поперечном сечении; h - максимальная ширина входного патрубка в поперечном сечении, причем отношение длины минимальной стороны к длине наибольшей стороны n-угольника составляет не менее 0,5.

Поиск, проведенный по источникам патентной и научно-технической информации/ не выявил решений, содержащих признаки, идентичные полной совокупности существенных признаков, приведенных в формуле изобретения. Следовательно, предложенное решение удовлетворяет критерию "новизна".

Анализ решений, известных в науке и технике/ не выявил решений/ содержащих признаки, тождественные отличительным признакам заявленного объекта, что позволяет квалифицировать предложенное решение соответствующим критерию охраноспособности "существенные отличия" (см. п. 6. 0З ЭЗ-2-74).

На чертеже изображена схема описываемого устройства.

Устройство для измельчения материалов содержит камеру 1 с входным патрубком 2 подачи энергоносителя и выходным патрубком 3. Камера 1 содержит средства 4 для создания локальных искажений силового поля, изменяющие знак кривизны траектории движения частицы и/или угловой скорости вращения частиц. К камере 4 подсоединяется узел ввода измельчаемого материала (на чертеже не показан). Средства 4 могут быть выполнены в виде щелей, как показано на чертеже/ или в виде любых других аналогичных узлов, например в виде сопел, установленных так, что поток энергоносителя, выходящий из них, направлен относительно потока основного энергоносителя так, чтобы выполнялось требование по внесению локальных искажений в основное силовое поле. В зависимости от средств создания основного силового поля - вихревой поток газа-носителя, магнитные или электромагнитные поля однозначно или в комбинации может быть выбрана и форма выполнения средств 4.

Устройство для измельчения материалов работает следующим образом.

Поток энергоносителя (например, воздуха или другого газа) подается через входной патрубок 2 в камеру 1, в которой он закручивается и создает суммарное поле центробежных сил (частный вариант основного силового поля). Одновременно с этим, средства 4 создания локальных искажений этого силового поля генерируют в нем ярко выраженные местные неоднородности. Материал, предназначенный для измельчения/ подается через узел ввода в камеру 1. Подача материала может в принципе осуществляться через входной патрубок 2.

Частицы материала подхватываются потоком и двигаются в созданном специфическом силовом поле, многократно ударяясь о стенки камеры. В результате происходит разрушение их на мельчайшие осколки, которые выносятся из камеры 1 потоком энергоносителя. Как было показано выше/ вследствие наличия средств 4 частицы измельчаемого материала приобретают дополнительное ускорение и их измельчение происходит более эффективно.

Физическая сущность описываемого изобретения состоит в следующем. При ударе частицы в ее объеме образуются микродефекты. Характерным свойством всех веществ является то, что повреждения всегда окружены сравнительно большими зонами с выраженными пластичными свойствами, которые препятствуют быстрому росту дефектов и последующему разрушению частицы. Экспериментально обнаружено, что при многократных ударах с частотой свыше 1 Гц пластичные зоны малы, либо вовсе не образуются. В этом случае возникает эффект псевдоохрупчивания материала, и вещество, довольно пластичное, при таком процессе ведет себя как очень хрупкое. Этот эффект объясняется инерционностью молекул и атомов вещества, с одной стороны, и нарушением характеристик колебания атома в кристаллических решетках, с другой.

Одновременно с этим явлением при ударе частица получает упругую энергию, величина которой зависит от свойств материала и скорости удара. В промежутках между ударами эта энергия рассеивается. При увеличении частоты ударов может случиться так, что получаемая частицей энергия не успевает полностью рассеяться, в этом случае происходит ее накапливание в объеме частицы. Таким образом при многократных ударах с большой частотой, во-первых, частица ведет себя как "хрупкое" вещество, и ее предел прочности снижается на 20-30%, а во-вторых, она становится перенапряженной. По достижении упругой энергии критического значения частица разрушается на мельчайшие части. Дальнейшее измельчение осколков происходит по такому же механизму.

Таким образом, для выхода на качественный новый рубеж эффективности измельчения материала в описываемом устройстве необходимо организовать соударения частиц измельчаемого материала о стенку камеры таким образом, чтобы в частицах быстро аккумулировалась упругая энергия. При ударах частиц друг о друга происходит лишь перераспределение энергии между ними. Суммарного накопления упругой энергии не происходит. Это возможно лишь в том случае, когда траектория движущихся частиц будет проходить в районе максимальных скоростей потока энергоносителя, которые в свою очередь должны быть расположены вблизи стенки камеры и концентрироваться около средств локального искажения силового поля, где созданы наиболее благоприятные условия для эффективного удара.

Экспериментально установлено, что такие условия имеют место в том случае, когда среднестатистическая траектория движения частиц проходит по периметру П n-угольника, вершины которого лежат на поперечном сечении рабочей поверхности камеры в местах расположения средств создания локальных искажений силового поля, бокового входного и выходного патрубков, а характеристики подчиняются следующему соотношению: 1,8 ≅ 1-0,287·sin ≅ 3,1 где d_max - расстояние между максимально удаленными друг от друга двумя точками, принадлежащими внутренней боковой поверхности камеры в поперечном сечении, h - максимальная ширина входного патрубка в поперечном сечении.

Также замечено, что при большой неравномерности расположения средств создания локальных искажений силового поля, входного и выходного патрубков, по периметру П n-угольника, удовлетворяющему вышеприведенному соотношению, влияние неоднородностей поля на траекторию частиц вблизи сосредоточения этих средств неэффективно, вследствие их взаимовлияния. Экспериментально установлено, что отношение длины (h_min) минимальной стороны к длине (h_max) наибольшей стороны n-угольника должно составлять не менее 0/5.

Отсюда следует/ что средства 4/ входной и выходной патрубки должны быть расположены в вершинах n-угольника указанными выше характеристиками.

Выбор места расположения средств 4 и их количество осуществляется элементарно из геометрии, удовлетворяющей приведенным соотношением. Т. е. необходимо проверить выполнение вышеприведенных условий и в случае их невыполнения необходимо при проектировании расположить патрубки 2 и 3 и средства 4, а также изменить число сторон n-угольника, чтобы удовлетворялись вышеприведенные условия. Естественно, что в каждом конкретном случае можно варьировать определенными параметрами, входящими в соотношение, не изменяя при этом остальные. При выполнении камеры эллипсной формы d_max представляет собой длину наибольшей оси. Если вышеприведенное условие не выполняется, например при изменении места положения патрубков или средств 4, а также при изменении числа сторон n-угольника, что однозначно достигается изменением числа средств 4, то естественно/ следует уменьшить эллипсоидность.

Таким образом, устройство позволяет реализовать качественно новый механизм разрушения различных материалов. Устройство позволяет измельчать не только сверхтвердые материалы, например, алмазы, нитрид бора и т. п., но и пластичные, в частности фторопласт.

Измельчению подвергались такие материалы/ как дерево, бумага и лед, который при этом не таял, поскольку механизм разрушения соответствует разрушению хрупких материалов.

При этом уменьшается неоднородность состава конечного продукта, снижаются энергозатраты и обеспечивается возможность получения субмикронных размеров измельчаемого материала.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ, содержащее камеру с входным патрубком подачи энергоносителя, выходным патрубком и средствами создания локальных искажений силового поля, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности измельчения за счет уменьшения неоднородности дисперсного состава конечного продукта, получения частиц субмикронных размеров и снижения удельных энергозатрат, средства создания локальных искажений, входной и выходной патрубки установлены по периметру камеры в вершинах n-угольника, периметр П которого выбран из соотношения 1,8 ≅ 1-0,287·sin ≅ 3,1 , где d_max - расстояние между максимально удаленными одна от другой двумя точками, принадлежащими внутренней боковой поверхности камеры в поперечном сечении; h - максимальная ширина входного патрубка в поперечном сечении,
причем отношение длины минимальной стороны к длине наибольшей стороны n-угольника составляет не менее 0,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1