Шаровая мельница

Машина, используемая для измельчения или смешивания материалов

Разрез шаровых мельниц

Шаровая мельница — это тип мельницы , заполненной мелющими шарами, используемой для измельчения или смешивания материалов для использования в процессах обогащения минералов , красках, пиротехнике, керамике и селективном лазерном спекании . Она работает по принципу удара и истирания: уменьшение размера происходит за счет удара, когда шары падают с верхней части оболочки.

Шаровая мельница состоит из полой цилиндрической оболочки, вращающейся вокруг своей оси. Ось оболочки может быть как горизонтальной, так и под небольшим углом к ​​горизонтали. Она частично заполнена шарами. Мелющими телами являются шары, которые могут быть изготовлены из стали ( хромированной стали ), нержавеющей стали, керамики или резины. Внутренняя поверхность цилиндрической оболочки обычно футерована износостойким материалом, таким как марганцевая сталь или резиновая футеровка. Меньший износ происходит в мельницах с резиновой футеровкой. Длина мельницы примерно равна ее диаметру.

Общая идея шаровой мельницы является древней, но только после промышленной революции и изобретения паровой энергии удалось построить эффективную шаровую мельницу. Сообщается, что она использовалась для измельчения кремня для гончарных изделий в 1870 году. ^[1]

Работающий

Эксплуатация шаровой мельницы

В случае непрерывно работающей шаровой мельницы измельчаемый материал подается слева через конус 60°, а продукт выгружается через конус 30° справа. По мере вращения оболочки шары поднимаются на восходящей стороне оболочки, а затем каскадом падают вниз (или падают на подачу) с верхней части оболочки. При этом твердые частицы между шарами и землей уменьшаются в размере под воздействием удара.

Приложения

Шаровые мельницы используются для измельчения материалов, таких как горнодобывающая руда, уголь, пигменты и полевой шпат для керамики. Измельчение может осуществляться мокрым или сухим способом, но первое выполняется на низкой скорости. Шаровые мельницы часто используются в научной работе для уменьшения размера частиц , устранения агломерации, изменения формы частиц, обеспечения механического сплавления , смешивания, производства порошков и изменения свойств материалов. ^[2] Была разработана шаровая мельница с открытым исходным кодом, которую можно изготовить с помощью 3D-принтера за несколько сотен долларов. ^[3] Она может работать как от сети для лабораторных работ, так и вне сети с солнечными фотоэлектрическими элементами и аккумулятором для полевых работ. ^[3] Смешивание взрывчатых веществ является примером применения резиновых шариков. ^[4] Для систем с несколькими компонентами шаровое измельчение, как было показано, эффективно для повышения химической реактивности твердого тела . ^[5] Кроме того, шаровое измельчение, как было показано, эффективно для производства аморфных материалов. ^[5] Также может быть полезно разделять газы, такие как водород , и хранить их в виде порошка. ^{[6] [7]}

Описание

Настольная шаровая мельница

Шаровая мельница лабораторного масштаба

Высокоэнергетическая шаровая мельница

Шаровая мельница, тип мельницы , представляет собой цилиндрическое устройство, используемое для измельчения (или смешивания) материалов, таких как руды , химикаты, керамическое сырье и краски. Шаровые мельницы вращаются вокруг горизонтальной оси, частично заполненные измельчаемым материалом и шлифовальной средой. В качестве среды используются различные материалы, включая керамические шары, кремневые камешки и шары из нержавеющей стали . Внутренний каскадный эффект измельчает материал до тонкого порошка. Промышленные шаровые мельницы могут работать непрерывно, подавая материал с одного конца и выгружая его с другого конца. Большие и средние шаровые мельницы механически вращаются вокруг своей оси, но маленькие обычно состоят из цилиндрического закрытого контейнера, который установлен на двух приводных валах ( шкивы и ремни используются для передачи вращательного движения). Каменный барабан работает по тому же принципу. Шаровые мельницы также используются в пиротехнике и производстве черного пороха , но не могут использоваться при приготовлении некоторых пиротехнических смесей, таких как флэш-порох, из-за их чувствительности к удару. Высококачественные шаровые мельницы потенциально дороги и могут измельчать частицы смеси до размера всего 5 нм , значительно увеличивая площадь поверхности и скорость реакции.

Измельчение работает по принципу критической скорости. Под критической скоростью можно понимать такую ​​скорость, после которой стальные шары, отвечающие за измельчение частиц, начинают вращаться по направлению цилиндрического устройства, тем самым не вызывая дальнейшего измельчения.

Шаровые мельницы широко используются в процессе механического легирования , ^[8] где они применяются для измельчения и холодной сварки, производя сплавы из порошков. ^[9]

Шаровая мельница является ключевым оборудованием для измельчения дробленых материалов и широко используется в производственных линиях для порошков, таких как цемент, силикаты, огнеупорные материалы, удобрения, стеклокерамика и т. д., а также для обогащения руд черных и цветных металлов. Шаровая мельница может измельчать руды и другие материалы, мокрым или сухим способом. Существует два типа шаровых мельниц в зависимости от способа выгрузки материала: решетчатого типа и переливного типа. Для использования в шаровой мельнице подходят многие типы мелющих тел, каждый материал имеет свои особые свойства и преимущества. Ключевыми свойствами мелющих тел являются размер, плотность, твердость и состав.

• Размер: Чем меньше частицы среды, тем меньше размер частиц конечного продукта. Частицы среды измельчения должны быть существенно больше, чем самые большие куски материала, подлежащего измельчению.
• Плотность: Мембрана должна быть плотнее измельчаемого материала. Это становится проблемой, если мелющая среда плавает поверх измельчаемого материала.
• Твердость: измельчающие тела должны быть достаточно прочными, чтобы измельчать материал, но, по возможности, не настолько жесткими, чтобы изнашивать барабан.
• Состав: Различные приложения для измельчения предъявляют особые требования. Некоторые из этих требований основаны на наличии некоторых измельчающих сред в готовом продукте, в то время как другие основаны на том, как среда будет реагировать с измельчаемым материалом.
• Если важен цвет готового продукта, необходимо учитывать цвет и материал измельчающих тел.
• Если важно низкое загрязнение, то можно выбрать измельчающую среду, которая легко отделяется от готового продукта (например, стальная пыль, полученная из среды из нержавеющей стали, может быть отделена магнитным способом от цветных продуктов). Альтернативой разделению является использование среды из того же материала, что и измельчаемый продукт.
• Легковоспламеняющиеся продукты имеют тенденцию становиться взрывоопасными в порошкообразной форме . Стальные среды могут искрить, становясь источником возгорания для этих продуктов. Необходимо выбирать либо мокрое измельчение, либо неискрящие среды, такие как керамика или свинец .
• Некоторые среды, такие как железо, могут реагировать с едкими материалами. По этой причине нержавеющая сталь , керамика и кремниевые абразивные среды могут использоваться, когда во время измельчения присутствуют едкие вещества.

Камера измельчения также может быть заполнена инертным защитным газом , который не вступает в реакцию с измельчаемым материалом, чтобы предотвратить окисление или взрывные реакции, которые могут возникнуть с окружающим воздухом внутри мельницы.

Преимущества шаровой мельницы

Шаровая мельница имеет ряд преимуществ по сравнению с другими системами: низкая стоимость установки и измельчающей среды; производительность и тонкость помола можно регулировать путем изменения диаметра шара; она подходит как для периодического, так и для непрерывного режима работы; подходит для измельчения в открытом и замкнутом цикле; применима для материалов любой степени твердости.

Разновидности

Помимо обычных шаровых мельниц, существует второй тип шаровых мельниц, называемый планетарной шаровой мельницей . Планетарные шаровые мельницы меньше обычных шаровых мельниц и в основном используются в лабораториях для измельчения образцов материала до очень малых размеров. Планетарная шаровая мельница состоит как минимум из одного размольного стакана, который расположен эксцентрично на так называемом солнечном колесе. Направление движения солнечного колеса противоположно направлению движения размольных стаканов (соотношение: 1:−2 или 1:−1). Размольные шары в размольных стаканах подвергаются наложенным вращательным движениям, так называемым силам Кориолиса. Разница в скоростях между шарами и размольными стаканами создает взаимодействие между силами трения и удара, которое высвобождает высокую динамическую энергию. Взаимодействие между этими силами обеспечивает высокую и очень эффективную степень измельчения планетарной шаровой мельницы.

Смотрите также

• Цементная мельница
• Отделка в барабане
• Вертикальная валковая мельница

Ссылки

1. Линч, А.; Роуленд С. (2005). История шлифования. SME. ISBN 0-87335-238-6.
2. Нейков, Олег Д. (2019), «Введение», Справочник по порошкам цветных металлов , Elsevier, стр. xvii–xxi, doi :10.1016/b978-0-08-100543-9.09993-0, ISBN 978-0-08-100543-9, получено 2023-07-30
3. Mottaghi, Maryam; Rahman, Motakabbir; Kulkarni, Apoorv; Pearce, Joshua M. (июнь 2023 г.). "Шаровая мельница с открытым исходным кодом, работающая от сети переменного тока и фотоэлектрических источников". HardwareX . 14 : e00423. doi :10.1016/j.ohx.2023.e00423. ISSN  2468-0672. PMC 10176261 . PMID  37188059. 
4. Армия США (1989), Техническое руководство Министерства армии: военные взрывчатые вещества (TM 9-1300-214), стр. 10–8.
5. Takacs, Laszlo (январь 2002 г.). «Самоподдерживающиеся реакции, вызванные шаровой мельницей». Progress in Materials Science . 47 (4): 355–414. doi :10.1016/S0079-6425(01)00002-0.
6. "Механохимический прорыв открывает доступ к дешевому, безопасному, порошкообразному водороду". Новый Атлас . 2022-07-19 . Получено 2022-07-28 .
7. Матети, Шрикант; Чжан, Чунмей; Ду, Айджун; Периасами, Сельваканнан; Чен, Ин Ян (9 июля 2022 г.). «Превосходное хранение и энергосберегающее разделение углеводородных газов в нанолистах нитрида бора с помощью механохимического процесса» . Материалы сегодня . 57 : 26–34. doi :10.1016/j.mattod.2022.06.004. ISSN  1369-7021. S2CID  250413503.
8. Флорес-Замора, MI; и др. (2008). "Сравнительное исследование сплавов Al-Ni-Mo, полученных механическим легированием в различных шаровых мельницах" (PDF) . Rev. Adv. Mater. Sci . 18 : 301.
9. Технология механического легирования, Институт обработки материалов