Для диспергирования минерального сырья находят применение машины, отличающиеся способом воздействия на материал. В одном случае это может быть раздавливание, в другом – удар, истирание или их комбинация [1].

Сегодня основными агрегатами тонкого помола являются шаровые и аналогичные им мельницы. Их рабочие элементы – это броневые плиты барабана и загруженные в него мелющие тела - шары, стержни, диски, а в мельницах самоизмельчения – крупные куски материала. Вращение барабана вызывает подъем мелющих тел, которые, достигнув определенной высоты, падают и скатываются вниз (Рис.1).

Разрушение материала в шаровых мельницах происходит как в результате медленного раздавливания - истирания при скатывании шаров, так и быстрого сжатия от ударов при их падении. Несмотря на абсолютное лидерство среди агрегатов тонкого помола, используемых в много тоннажном производстве порошкообразных материалов, шаровым мельницам присущи и серьезные недостатки. Только от 2 до 20% всей потребляемой энергии расходуется непосредственно на измельчение [2], остальная ее часть идет на преодоление сил трения, образование тепла, звуковых колебаний, вибрации и т.д. В результате проведенных исследований было установлено, что только каждый тысячный удар шара производит работу непосредственно по измельчению [3]. И если грубый помол с получением частиц, размерами в сотые доли миллиметра, не вызывает серьезных затруднений, при более тонком помоле коэффициент полезного действия шаровой мельницы снижается настолько, что ее дальнейшее использование становится экономически не целесообразно. Ограниченность самого способа измельчения, как и реализующего его оборудования, прекрасно отображают слова советского учёного, доктора технических наук Александра Васильевича Волженского: «…большое уменьшение затрат u1101 энергии могут дать лишь те способы, при которых материалы измельчались бы под влиянием прямых разрывающих воздействий на них, а не в результате первоначальных сжимающих сил» [4].

УДАР И СЖАТИЕ

Все твердые материалы характеризуются присущим им сопротивлением измельчению. Разрушение твердого тела происходит в том случае, если подведенной энергии достаточно для преодоления сил внутреннего сцепления. Обычно при механическом диспергировании обрабатываемый материал подвергается действию сжимающих сил с двух сторон (статическое раздавливание - истирание) или с одной стороны (свободный удар). Первый способ измельчения реализуется, например, в щековых, конусных и валковых дробилках, шаровых и вибрационных мельницах, второй способ характерен для дезинтеграторов, мельниц струйных и ударно-отражательных дробилок. Но в любом случае кинетической энергии действующих мелющих тел должно быть достаточно для создания таких напряжений, которые по достижению предельных значений приведут к разрыву целого куска с образованием более мелких фрагментов. При этом расход энергии, необходимой для создания критических напряжений, может существенно различаться, в зависимости как от физико-механических свойств самого измельчаемого материала, так и способа приложения разрушающих сил.

Минеральное сырье, обычно используемое в производстве порошков твердых тел, характеризуется прочностью на сжатие, в 612 раз превосходящей прочность на растяжение, поэтому для его диспергирования целесообразно использовать быстрый удар, а не медленное сжатие. Одни и те же результаты измельчения могут быть достигнуты с разными показателями экономичности процесса, и существующий опыт использования самого распространенного инструмента тонкого помола подтверждает такую возможность. Хотя шаровые мельницы лишь условно можно назвать агрегатом ударного действия, теория и практика их применения позволяет установить четкую зависимость между преобладающим способом разрушения и эффективностью тонкого помола.

Как говорилось выше, способ разрушения материала в шаровых мельницах комбинированный, то есть присутствует и раздавливание - истирание от качения шаров и удары от их падения. От того, u1082 какой способ будет преобладающим, зависит количество энергии расходуемой на образование единицы новой поверхности. Несмотря на простоту устройства, и принципа действия шаровой мельницы, результаты ее технико-экономического использования зависят от множества факторов. Ключевыми из них являются: крупность питания, размер и распределение мелющих тел, объем загрузки, скорость вращения барабана. Последний в большей степени и определяет эффективность работы мельницы, так как ударная составляющая помола - это, прежде всего, масса и скорость «бросания» шаров.                      Механизм «бросания» мелющих тел в шаровой мельнице достаточно хорошо изучен, и большинство вышеперечисленных факторов работают на интенсификацию именно ударного воздействия. Вращение корпуса мельницы увлекает шары, которые, поднявшись на некоторую высоту, отрываются от стенки и падают вниз. При этом шары падают не отвесно, а по параболе. После отрыва от стенки шар продолжает двигаться как тело, брошенное под углом к горизонту со скоростью равной скорости вращения барабана. Акт измельчения происходит в том случае, если кинетической энергии брошенного шара достаточно для преодоления внутренних связей в частицах материала. Чем больше энергия шара, тем выше и его размольная мощность.

Так как масса шара постоянная, увеличение его кинетической энергии возможно, только за счет повышения скорости вращения барабана. Однако сам принцип работы шаровой мельницы исключает такую возможность, как только действующие центробежные силы начинают сильнее прижимать мелющие тела к стенкам барабана, падение шаров, а значит и помол, прекращаются. Поэтому главной задачей расчета параметров шаровой мельницы является определение критической скорости вращения барабана. Если она выбрана, верно, достигается большая высота подъема и скорость «бросания» шаров, если нет – процесс измельчения резко замедляется, а энергорасход мельницы возрастает. Но центробежная составляющая ставит предел максимально допустимой скорости вращения барабана, а значит, эффективность тонкого помола с использованием шаровых мельниц не может быть существенно увеличена, что в свою очередь вызывает необходимость в изыскании таких способов диспергирования, где ударная составляющая была бы реализована в максимально полном объеме.