Введение

Шаровая мельница – это тип мельницы, заполненной измельчающими шарами, используемый для измельчения или смешивания материалов, применяемых в процессах обогащения полезных ископаемых, производства красок, пиротехники, керамики и селективного лазерного спекания. Она работает по принципу удара и истирания: уменьшение размера происходит за счет ударов шаров, падающих с верхней части корпуса. Шаровая мельница состоит из полого цилиндрического корпуса, вращающегося вокруг своей оси. Ось корпуса может быть как горизонтальной, так и наклонена под небольшим углом к горизонту. Мельница частично заполнена шарами. Измельчающим телом служат шары, которые могут быть изготовлены из стали (хромистой стали), нержавеющей стали, керамики или резины. Внутренняя поверхность цилиндрического корпуса обычно футерована износостойким материалом, таким как марганцевая сталь или резиновая футеровка. В мельницах с резиновой футеровкой износ меньше. Длина мельницы приблизительно равна ее диаметру. Сама идея шаровой мельницы стара, но эффективную шаровую мельницу удалось создать только после промышленной революции и изобретения паровой энергии. Сообщается, что в 1870 году она использовалась для измельчения кременя для керамики.

Работа

В случае непрерывно работающей шаровой мельницы, материал для измельчения подается слева через конус 60°, а продукт выгружается через конус 30° вправо. При вращении корпуса шары поднимаются вверх по восходящей стороне корпуса и затем обрушиваются вниз (или падают на загружаемый материал) с верхней части корпуса. В процессе этого твердые частицы, находящиеся между шарами, измельчаются за счет ударного воздействия.

Приложения

Шаровые мельницы используются для измельчения материалов, таких как горные породы, уголь, пигменты и полевой шпат для керамики. Измельчение может проводиться как в сухом, так и во влажном состоянии, но влажное измельчение выполняется на более низкой скорости. Шаровые мельницы часто применяются в научных исследованиях для уменьшения размера частиц, устранения агломератов, изменения формы частиц, осуществления механического легирования, смешивания, производства порошков и изменения свойств материалов. Была разработана шаровая мельница с открытым исходным кодом, которую можно изготовить на 3D-принтере всего за несколько сотен долларов. Смешивание взрывчатых веществ – пример применения резиновых шаров. Показано, что шаровое измельчение эффективно повышает химическую реакционную способность в твердом состоянии для систем, состоящих из нескольких компонентов. Кроме того, шаровое измельчение эффективно используется для получения аморфных материалов.

Описание

Шаровая мельница, являющаяся типом измельчителя, представляет собой цилиндрическое устройство, используемое для измельчения (или смешивания) материалов, таких как руды, химические вещества, керамическое сырье и краски. Шаровые мельницы вращаются вокруг горизонтальной оси, частично заполненные измельчаемым материалом и измельчающей средой. В качестве измельчающей среды используются различные материалы, включая керамические шары, кремень и шары из нержавеющей стали. Внутренний каскадный эффект приводит материал к состоянию мелкого порошка. Промышленные шаровые мельницы могут работать непрерывно, с загрузкой материала с одного конца и выгрузкой с другого. Крупные и средние шаровые мельницы механически вращаются вокруг своей оси, в то время как малые обычно состоят из цилиндрического контейнера с крышкой, установленного на двух приводных валах (шкивы и ремни используются для передачи вращательного движения). Рок-тумблер (каменная дробилка) работает по тому же принципу. Шаровые мельницы также используются в пиротехнике и производстве черного пороха, но не могут применяться для приготовления некоторых пиротехнических смесей, таких как детонационный порох, из-за их чувствительности к ударам. Высококачественные шаровые мельницы могут быть дорогостоящими и способны измельчать частицы смеси до размеров порядка 5 нм, что значительно увеличивает площадь поверхности и скорость реакции. Измельчение происходит по принципу критической скорости. Критическая скорость – это скорость, после которой стальные шары, отвечающие за измельчение частиц, начинают вращаться в направлении движения цилиндрического устройства, прекращая тем самым дальнейшее измельчение. Шаровые мельницы широко используются в процессе механического легирования, где они применяются для измельчения и холодной сварки, производя сплавы из порошков. Шаровая мельница является ключевым оборудованием для измельчения дробленого материала 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 как в сухом, так и во влажном состоянии. Существуют два типа шаровых мельниц в зависимости от способа выгрузки материала: решетчатые и переливные. Для использования в шаровой мельнице подходит множество видов измельчающей среды, каждый материал обладает своими специфическими свойствами и преимуществами. К ключевым свойствам измельчающей среды относятся размер, плотность, твердость и состав. Размер: чем меньше частицы среды, тем меньше размер частиц конечного продукта. Частицы измельчающей среды должны быть значительно больше, чем самые крупные частицы измельчаемого материала. Плотность: измельчающая среда должна быть плотнее измельчаемого материала. Возникает проблема, если измельчающая среда всплывает на поверхность измельчаемого материала. Твердость: измельчающая среда должна быть достаточно прочной для измельчения материала, но, по возможности, не настолько твердой, чтобы приводить к износу корпуса мельницы. Состав: различные области применения измельчения предъявляют особые требования. Некоторые требования связаны с присутствием частичек измельчающей среды в готовом продукте, другие – с тем, как среда будет взаимодействовать с измельчаемым материалом. Если цвет готового продукта имеет значение, необходимо учитывать цвет и материал измельчающей среды. Если важна низкая степень загрязнения, измельчающая среда может быть выбрана с учетом легкости ее отделения от готового продукта (например, стальную пыль, образующуюся при использовании нержавеющей стали, можно отделить от нежелезных продуктов с помощью магнитной сепарации). Альтернативой сепарации является использование среды из того же материала, что и измельчаемый продукт. Легковоспламеняющиеся продукты в порошкообразном состоянии склонны к взрывам. Стальная среда может давать искры, становясь источником воспламенения для этих продуктов. Необходимо выбирать либо влажное измельчение, либо неискрящую среду, такую как керамика или свинец. Некоторые среды, такие как железо, могут реагировать с коррозионными материалами. Поэтому при наличии коррозионных веществ в процессе измельчения могут использоваться измельчающие среды из нержавеющей стали, керамики и кремня. Камера измельчения также может быть заполнена инертным защитным газом, который не реагирует с измельчаемым материалом, для предотвращения окисления или взрывоопасных реакций, которые могут произойти при контакте с атмосферным воздухом внутри мельницы.

Преимущества шаровой мельницы

Шаровая мельница обладает рядом преимуществ по сравнению с другими системами: низкая стоимость установки и измельчающих тел; производительность и тонкость помола могут регулироваться изменением диаметра шаров; она подходит как для периодической, так и для непрерывной работы; она может использоваться в системах открытого и замкнутого циклов; она применима для материалов любой твердости.

Сорты

Помимо обычных шаровых мельниц, существует второй тип шаровой мельницы, называемый планетарной шаровой мельницей. Планетарные шаровые мельницы меньше обычных шаровых мельниц и в основном используются в лабораториях для измельчения материала образцов до очень малых размеров. Планетарная шаровая мельница состоит как минимум из одной измельчающей банки, расположенной эксцентрично на так называемом центральном диске (солнечном колесе). Направление движения центрального диска противоположно направлению движения измельчающих банок (соотношение 1:-2 или 1:-1). Шлифовальные шары в измельчающих банках подвергаются комбинированным вращательным движениям, так называемым силам Кориолиса. Разница в скоростях между шарами и измельчающими банками создает взаимодействие между силами трения и ударными силами, высвобождающее высокие динамические энергии. Совместное действие этих сил обеспечивает высокую и очень эффективную степень измельчения в планетарной шаровой мельнице.