способ переработки хрупких материалов

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;

_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;

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.

Описание изобретения к патенту

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 A K_к V K_к (D³) или размеру куска в кубе, или

A K_кV K_к(D³)

(1) где _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;

l_пр величина деформации, при которой образец разрушается, мм;

М_щ масса ударного инструмента (щеки), кг;

V_щ скорость ударного инструмента, м/с;

_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:

l (at-x)

(3) где V_о скорость удара, м/с;

a скорость распространения звука в данном материале, м/с;

F сечение стержня, м²;

_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 (4) при at x.

Из выражений для относительной деформации легко определяются напряжения, возникающие во фронте ударной волны E E (5) и значение скорости удара при которой образец разрушится V_o a _пр= a _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 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

a_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 _{пр 1} +₂ (8), где каждая составляющая определяется по формулам:

₁= V<sub>щ

2</sub>= E V

Cуммарное воздействие определится по формуле:

_пр= V 1 +

(9) или, решая уравнение (8) относительно V_щ и заменяя a_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

_пр= ₁= V_щ

при максимальном значении скорости, когда

1 V_щ__ a_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 _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 _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 _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.