Способ переработки хрупких материалов

 

Использование: в горно-металлургической, строительной и других отраслях промышленности при разрушении хрупких материалов. Сущность изобретения: способ переработки хрупких материалов заключается в измельчении путем циклического воздействия по крайней мере одного рабочего тела на каждый кусок перерабатываемого материала. В процессе цикличного воздействия на измельчаемый материал рабочему телу придают максимально возможное значение скорости. 1 з. п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области дробления и измельчения материалов, преимущественно к разрушению хрупких материалов, и может быть использовано в горно-металлургической, строительной и других областях промышленности.

В настоящее время широко распространены и применяются в расчетах три закона для процессов дробления и измельчения [1] Согласно закону Кирпичева-Кика энергия, затрачиваемая на разрушение (дробление) твердого тела, пропорциональна его объему Δ A K_к ˙ Δ V K_к Δ (D³) или размеру куска в кубе, или A K_кV K_к(D³) (1) где σ_пр величина напряжений, равная пределу прочности измельчаемого материала, Па; K_к коэффициент пропорциональности; V объем куска измельчаемого материала, см³; Е модуль упругости измельчаемого материала, Па; D размер измельчаемого куска материала, см.

Закон Риттингера применяется преимущественно при измельчении. Работа, затрачиваемая на измельчение, пропорциональна величине вновь созданной поверхности или размеру куска в квадрате A≈ f(D²).

Закон Бонда промежуточный между законами Кирпичева-Кика и Риттингера. Затрачиваемая энергия пропорциональна размеру куска в степени 2,5: A f(D^2,5).

Наличие нескольких законов, каждый из которых не полностью отвечает экспериментальным данным указывает на то, что это не законы, а гипотезы и что исследования по выявлению закономерностей разрушения материалов должны быть продолжены.

Математическое выражение этих законов у которых, в правой части уравнения стоит размер всего куска в степени 3; 2 и 2,5 показывают, что рассматривается весь кусок в целом, т.е. заранее предполагается, что разрушающие напряжения распределяются равномерно во всему объему, что и подтверждается формулой (1).

В соответствии с этим и практически во всей технической литературе, посвященной дроблению и разрушению, предполагается, что разрушение куска материала происходит в том случае, когда к нему подводится энергия, достаточная для заполнения всего объема куска разрушающими напряжениями: A_пр= (2) где К коэффициент восстановления с учетом потерь на кинетическую энергию разлета осколков;
m_к масса разрушаемого куска, кг;
Р разрушающее усилие, кг;
Δ l_пр величина деформации, при которой образец разрушается, мм;
М_щ масса ударного инструмента (щеки), кг;
V_щ скорость ударного инструмента, м/с;
ρ_к плотность разрушаемого материала, кг/м³.

Графически схема такого погружения материала изображена на фиг.1. Для простоты разрушаемый образец изображен в виде стержня.

Для наглядности приведем несколько выдержек из технической литературы, подтверждающих господство совокупности этих предпосылок: "Определяющим фактором для разрушения материала в вибрационной дробилке является кинетическая энергия щеки" [2] ".определяющим параметром разрушения образцов является энергия поглощаемая образцом" [3] Аналогичный вывод получен при рассмотрении удара груза по пружине, в котором массой пружины (а следовательно и волновыми процессами протекающими в ней) пренебрегают: "Максимальное смещение (деформация пружины) и максимальное усилие при ударе зависят только от кинетической энергии груза в момент удара и не зависит от массы или скорости груза в отдельности" [4] Все это противоречит выводам волновой теории, учитывающей реальность соударяемых тел, согласно которой при соударении двух тел в каждом из них возникает ударная волна распространяющаяся по всему объему тела со скоростью распространения звуковых волн в данном материале. Деформация тела изменяется по времени и по длине (для стержня) по формуле:
ε l (at-x)
(3) где V_о скорость удара, м/с;
a скорость распространения звука в данном материале, м/с;
F сечение стержня, м²;
ρ_к плотность материала стержня, кг/м³;
m_к масса пуска (стержня), кг;
t время, c;
x текущая координата длины для стержня, м.

Как следует из формулы, максимальное значение относительной деформации равно ε (4) при at x.

Из выражений для относительной деформации легко определяются напряжения, возникающие во фронте ударной волны σ εE E (5) и значение скорости удара при которой образец разрушится V_o a ε_пр= a σ_пр E (6).

Как следует из закономерностей волновой теории, кусок материала может быть разрушен при воздействии на него мелющего тела с определенным значением скорости. При этом не нужно заполнять весь объем разрушаемого образца предельными напряжениями, а следовательно, и энергия, затрачиваемая на его разрушение, может быть меньшей уровня энергии необходимой для разрушения в статических условиях (при V __→ 0). Графическое изображение такого процесса приведено на фиг.2.

Приведем некоторые литературные выдержки, характеризующие волновой процесс и современный уровень теоретических разработок в области разрушения материалов: "Отраженные волны, распространяясь по телу, интерферируют одна с другой. Волны проходят одна сквозь другую без всяких взаимных влияний. Каждая волна распространяется как будто другой не существует. Величины напряжений и скоростей можно получить, векторно складывая напряжения и скорости частиц в отдельных волнах" [5] "Показания датчиков отмечают упругое сжатие ударяемого тела и после окончания удара" [5] "Ни одна из приведенных теорий (волновая теория и теория удара) не рассматривает разрушение тел и не дает методов расчета объемов разрушений. Использование теорий удара в прикладных расчетах становится возможным при полученении общих аналитических закономерностей экспериментальными" [3] "При повторяющихся ударах с частотой (W (10-50) Гц) меньше времени релаксации напряжений (для приведенного примера τ 0,5 сек) в теле образцов менее чем за 1 с фиксировалось накопление напряжений" [6]
В соответствии с уровнем теоретических знаний находится и технический уровень устройств для дробления и измельчения материалов. Из практики известно, что по мере увеличения скоростей повышается способность измельчающих устройств получать тонкодисперсные порошки. Для этих целей применяются струйные мельницы и дезинтеграторы. Относительные скорости в этих устройствах достигают сотен метров в секунду, однако уровень реальных скоростей соударения выявить затруднительно. В обоих случаях удар чаще всего не центральный, в струйных мельницах большое количество энергии затрачивается на скорость разлета частиц после удара, частицы всегда имеют меньшую скорость, чем поток воздуха. В дезинтеграторах значительная скорость реализуется в многослойном потоке частиц и в результате скорость конкретного контакта практически неизвестна и гораздо меньше скорости бил относительно друг друга.

В роторных и молотковых дробилках также достигается высокая окружная скорость (до 50 м/с), однако скоростное воздействие ослабляется тем, что измельчаемый продукт увлекается билами в круговое движение, из-за чего относительная скорость уменьшается. В этих устройствах также низок КПД удара, так как значительная часть энергии тратится на разлет кусков материала после удара, а сам удар чаще всего не является прямым.

В виброщековых дробилках процесс разрушения более экономичен, удар близок к прямому, разлет материала в процессе удара практически отсутствует, воздействие на измельчаемый материал цикличное. Условия измельчения в виброщековой дробилке наиболее близки к предлагаемому методу. Недостаток метода низкая скорость щеки при воздействии на материал до 2,5 м/с [7]
Изобретение направлено на уменьшение удельных энергозатрат при дроблении и измельчении хрупких материалов, а следовательно, повышение производительности процесса, уменьшение металлоемкости машин.

Для этого рабочему телу в процессе циклического воздействия на измельчаемый материал придают максимально возможную для конструкции измельчительного устройства скорость V в диапазоне
aε_пр> V >
(7) где М_щ масса дробящего элемента (щеки), кг;
m_к масса куска дробимого материала
При этом соотношение масс в формуле выбирают в пределах
0,01-100
Из волновой теории удара следует, что напряжения возникающие в соударяющихся телах пропорциональны скорости удара. Вместе с тем ударный инструмент всегда имеет массу и поэтому ударное воздействие выражается не только в возникновении напряжений во фронте ударной волны, но и некоторым уровнем напряжений передаваемый силовым воздействием ударного инструмента. В результате цикличного воздействия на материал [6] с достаточно высокой частотой напряжения в измельчаемом образце накапливаются. Следовательно, разрушение куска измельчаемого материала можно представить как результат суммарного воздействия статического погружения и действия напряжений во фронте ударной волны.

В результате статического воздействия напряжения распределяются равномерно по объему разрушаемого образца, а напряжения от ударной волны распространяются по телу образца, как показано на фиг.2. Графически такое суммарное воздействие изображено на фиг.3.

Сумма напряжений от статического и динамического воздействия равна σ_пр σ₁ +σ₂ (8), где каждая составляющая определяется по формулам:
σ₁= V_щ
σ₂= E V
Cуммарное воздействие определится по формуле:
σ_пр= V 1 +
(9) или, решая уравнение (8) относительно V_щ и заменяя aε_пр получим:
V_щ=
(10)
Из уравнения (9) следует, что разрушение материала может произойти:
при минимальном значении скорости, когда > > 1, тогда V_щ __→ 0 и разрушение материала происходит при статистическом силовом воздействии на него мелющего тела с максимальными затратами энергии
σ_пр= σ₁= V_щ
при максимальном значении скорости, когда
≪ 1 V_щ__→ aε_пр
При этом по мере увеличения скорости удара уменьшается количество энергии, необходимое для разрушения данного куска материала, а следовательно, увеличивается производительность установки или уменьшатся удельные энергозатраты по формуле
A A1
(11) Отсюда и вытекает необходимость применения максимально возможных для данной установки скоростей удара на перерабатываемый материал согласно соотношению (7).

Отношение масс ударного элемента (М_щ) и разрушаемого куска (m_к) в формуле (7) может в реальных условиях различных устройств меняться в широких пределах: от __→ 0 0 в случае отбойного молотка, до __→ ∞ для крупных щековых дробилок и дроблении сравнительно небольших кусков материала высокой прочности.

В данной заявке предложены пределы 0,01 < < 100, При минимальном значении предела 0,1 величина скорости в формуле (7) вплотную приближается к a ε_пр Практически разрушение материала происходит только за счет скоростной составляющей удара, влияние величины кинетической энергии незначительно (10%).

При максимальном значении 100, величина скорости, наоборот, может быть минимальна и разрушение может происходить только за счет кинетической энергии удара. При этом следует подчеркнуть, что во всех случаях увеличение скорости к пределу a ε_пр влечет за собой уменьшение удельных затрат энергии. При малых значениях отношения это выразится в возможности измельчения материала при минимальных затратах энергии, а по мере увеличения этого отношения будет достигаться тот же эффект за счет увеличения производительности установки.

Величина критической скорости V_прa ε_пр для различных хрупких материалов колеблется в пределах 20-100 м/с. Эффективность предлагаемого метода можно обнаружить при величине скорости V ≥ 0,1 V_пр. При крайнем значении V 0,1 V_пр удельные затраты энергии согласно формуле (10) уменьшаются на 20% что может быть обнаружено в процессе эксперимента. Следовательно, нижний предел скорости мелющего тела должен быть не менее 2-10 м/с, и предлагаемый способ может быть применен ко всем тем устройствам, ударные элементы которых способны создать такую и большую скорость. Следует учитывать действительную скорость ударяющего тела относительно куска разрушаемого материала, а не их абсолютное значение; необходимо знать также значение коэффициента восстановления K в ударном процессе, т.е. знать характер ударного воздействия (центральный или нецентральный удар, скорость разлета тел после соударения и т.п.).

Закономерности разрушения материалов в процессе ударного воздействия были получены автором в результате экспериментальных работ на пружинном стенде. В этих экспериментах ударное тело (боек) приобрело скорость в результате силового воздействия пружинного механизма. Испытуемыми образцами служили стержни из углеродистой стали. Скорость в экспериментах достигала 21,7 м/с.

Контрольные испытания проводились в щековой и виброщековой дробилках при скоростях удара 0,6 и 4 м/с. Куски измельчаемого материала (кварцита) в обоих случаях были одинаковыми, массы щек также были примерно одинаковыми.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Как видно из таблицы, экспериментальные данные подтверждают расчетные предпосылки изобретения. Использование заявленного способа позволит при конструировании новых измельчающих механизмов повысить их характеристики по сравнению с существующими и создать новое поколение подобных машин с улучшенными свойствами.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ, включающий измельчение путем циклического воздействия по крайней мере одного рабочего тела на каждый кусок перерабатываемого материала, отличающийся тем, что рабочему телу в процессе циклического воздействия на измельчаемый материал придают максимально возможное для данного измельчающего устройства значение скорости V в интервале, определяемом формулами


где a скорость распространения звуковых волн в измельчаемом материале, м/с;
e_пр предельная относительная деформация, при которой перерабатываемый материал разрушается;
E модуль упругости разрушаемого материала, Па;
σ_пр предельное значение напряжений, при которых измельчаемый материал разрушается, Па;
M_уд масса рабочего тела, кг;
m_к масса куска перерабатываемого материала, кг;
K коэффициент восстановления;
ρ плотность перерабатываемого материала, кг.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что массу рабочего тела для различных типов измельчаемых устройств выбирают в пределах M_уд (0,01 - 100)·m_к.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4