Техника - молодёжи 1977-04, страница 60
А ДОКЛАДЫ ЛАБОРАТОРИИ „ИНВЕРСОР" Доклад № 63 Резервы внедрения, или О пятом способе измельчения АРТЕМ БЕЛОЦЕРКОВСКИЙ, кандидат технических наук (г. Донецк) Издавна человек при измельчении твердых веществ пользовался четырьмя способами: раздавливанием, раскалыванием, истиранием и ударом. Основываясь на теории прочности твердых тел, донецкий ученый, изобретатель Артем Белоцерковский предлагает пятый способ — растяжение. Осуществление этого предложения сулит большие выгоды народному хозяйству. Измельчение — один из древнейших технологических процессов. Археологи находили каменные ступки и пестики даже в раскопках каменного века. Но, что самое удивительное, тогдашние операции, основанные на раздавливании, раскалывании, истирании и ударе (рис. 1), сохранились в своем первозданном виде и в современной промышленности. Неужели эти способы самые лучшие? Нет. Ученые-механики, исходя из теории прочности твердых тел, доказали, что сопротивление любого материала сжатию всегда больше сопротивления растяжению. Это же подтвердили эксперименты: максимальное сопротивление тела оказывают раздавливанию, меньшее — раскалыванию, еще меньшее — истиранию, то есть сдвигу, и минимальное — растяжению. Например, у гранита предел прочности на растяжение 40 кг/см2, а на сжатие — 1400 кг/см2, у мрамора соответственно 60 кг/см2 и 1000 кг/см2, песчаника — 20 и 700 кг/см2, известняка — 40 и 900 кг/см2, алмаза — 3000 и 20 000 кг/см2... Невольно напрашивается вывод: чтобы значительно уменьшить энергоемкость помола и повысить его эффективность, необходимо подвергнуть измельчаемые частицы растяжению. Но как это практически осуществить, если исходный материал уже представляет собой порошок с зер нами менее миллиметра? Каким образом растягивать каждое из них? Тем более, что чем меньше размер частицы, тем выше ее прочность. Решение столь сложной задачи было найдено не сразу. В 1967 году сотрудники Уральского политехнического института Д. Мехонцев, М. Комиссарова и Д. Волков, используя аппарат теории случайных функций (он применяется для вычисления параметров надежности конструкций), показали, что при гидростатическом сжатии поликристаллических несимметричных зерен возникают локальные сдвиговые деформации, которые при больших давлениях могут привести к их разрушению. Поскольку энергоемкость измельчения при сдвиге меньше, чем при раздавливании, следовало ожидать, что этот процесс тонкого помола будет эффективнее. Так оно и оказалось. Однако все же хотелось реализовать самый выгодный способ — растяжение. Мы использовали то обстоятельство, что растягивающие напряжения возникают в материале и вследствие изгиба. Поместили порошок в герметичную эластичную оболочку и несколько раз подвергли его высокому гидростатическому давлению с резким спадом нагрузки после каждого обжатия. Результаты превзошли ожидания. При обработке карбида бора, алмазной крошки, окиси алюминия, кварцевого песка и кокса гидростатическим давлением 9—14 т/см2 размеры частиц сократились (за 3— 5 обжатий) примерно на порядок. Каков же физический механизм нового метода тонкого измельчения? Для лучшего уяснения приведем его грубую модель. Рассмотрим какую-либо частицу в порошке. Она стиснута своими «соседками», на нее действует несколько сжимающих сил. Если заменить эти силы равнодействующей, а многоопорное опирание — двухопор-ным, то частицу можно представить как балочку на двух опорах. Под действием равнодействующей она прогнется вниз, как показано на рисунке 2 (вверху). Теперь представьте себе, что мы внезапно сняли нагрузку (как если бы человек стоял на доске, положенной на два пня, и вдруг подпрыгнул). Частичка «разогнется» в обратную сторону (рис. 2, внизу), то есть ее верхушка испытает растяжение и растрескается. Этот эффект и достигается при циклическом действии высокого гидростатического давления. Критерием применимости нового способа к различным материалам может служить отношение предела прочности на сжатие к пределу прочности на растяжение. Чем выше эта величина, тем эффективнее измельчается материал. В результате проведенных экспериментов мы обнаружили ряд интересных закономерностей, графическая интерпретация которых приведена на рисунке 3. Выяснилось, что, во-первых, для каждого материала при определенном давлении существует граница измельчения. При ее превышении начинается обратный процесс — агрегатирование или спрессовывание. Во-вторых, чем тверже частицы (чем больше их предел прочности о ), тем выше граница измельчения. И наконец, при давлении выше граничного образуются довольно плотные, но сравнительно малопрочные скопления из зерен — агрегаты, промежутки между которыми заполнены более мелкими частицами, поэтому для увеличения КПД помола следует их рассеять. Однако сам по себе предложенный новый способ тонкого измельчения, каким бы он ни был эффективным, мало что дает промышленности. Засыпка порошка в эластичные мешочки, закладка их в контейнер, герметизация и разгерметизаций его при обработке каждой порции — и все это вручную — занимают немало времени. Нужен непрерывный процесс. При разработке такого процесса мы воспользовались тем, что отношение длины Хо зоны распространения давлений Р к длине S зоны их непосредственного действия (рис. 4) в сыпучей среде весьма невелико. Эксперименты с резиновой трубкой, заполненной песком, показали, что даже при гидростатическом давлении порядка нескольких тонн на квадратный сантиметр содержимое трубки не выдавливалось, а длина зоны распространения давления не превышала 3—4 внутренних диаметров D трубки. И вот мы сконструировали и построили устройство для непрерывного тонкого измельчения (рис. 5), на которое получили авторское свидетельство № 326980. Оно состоит из контейнера 1, в рабочей полости 2 которого находится эластичная труба 3, установленного на конусной полой опоре 4 подставки 5. Резиновая труба герметично присоединена к верхнему 6 и нижнему 7 полым штуцерам с помощью хомутов 8. Верхний штуцер закреплен полой гайкой 9. Длина каналов в штуцерах составляет не менее 4—5 их диаметров. Работает устройство следующим образом. В конический бункер 11 засыпают предварительно раздробленный материал, и он заполняет самотеком эластичную трубу и все внутренние полости, образуя столб сыпучей среды. Через отверстие 10 в контейнер подается от гидрокомпрессора жидкость под давлением, превышающим предел прочности частиц на растяжение. При периодическом воздействии этого давления материал, находящийся в рези 1974 |
