Известно, что сжатие минеральной частицы между двумя рабочими органами (средами) приводит к измельчению только ее самой, тогда как сжатие частицы между другими приводит к измельчению всех находящихся в контакте частиц (при этом для достижения необходимой крупности продукта требуется менее половины энергии, расходуемой барабанными мельницами). Именно на этом принципе основан процесс измельчения в валках высокого давления. Два вращающихся в противоположных направлениях валка, между которыми сжимается материал, служат измельчающими органами. Требуемое для измельчения давление передается через подвижный (плавающий) валок.
Технология измельчения в валках высокого давления появилась в середине 80-х годов XX столетия. Приоритет ее создания принадлежит профессору Шонерту (Schonert, патент 1986 года). Реализующие этот способ измельчения мельницы носят различные названия: дробилки межчастичного измельчения, пресс-валки, роллер-прессы, Ecoplex, Polycom и т. д.
Отличие пресс-валков от валковых дробилок с гладкими валками заключается в конструктивном исполнении валков
(а точнее – их поверхностей), которые могут изготовляться в трех основных вариантах:
рифлеными;
с наварным (наплавленным) профилем (Hexadur);
оштифтованными (Durapin).
Наличие профилей, сводя к минимуму относительное скольжение материала по поверхности валка, уменьшает его износ. Возможны следующие конструктивные исполнения валков:
валки из прочных литых сегментов используются при низких рабочих давлениях измельчения и высокоабразивном исходном материале; имеют значительную (до 160 мм) толщину изнашиваемого слоя металла; срок службы в зависимости от абразивности материала – от 1500 до 15 тыс. часов; достаточно низкая стоимость;
кованые стальные валки с наварными или наплавленными слоями толщина изнашиваемого слоя – 10–12 мм, причем повторная наварка может производиться на валке, находящемся в машине; срок службы до 17 тыс. часов;
цельнолитые валки используются при высоких давлениях измельчения; толщина изнашиваемого слоя металла до 160 мм; срок службы – до 40 тыс. часов.
Основными узлами пресс-валков являются: валки (два) (рис.1), подшипники валков с корпусами, рама, гидравлическая система прижатия плавающего валка, приводы валков.
Валки пресс-валков
Рис. 1. Валки пресс-валков
В больших установках диаметр валков составляет 1,0–2,8 м; ширина – 0,8–1,6 м; окружная скорость – 1–2 м/с; удельный расход энергии – 1,5–5,0 кВт-ч/т. Установленная мощность двигателей может доходить до 4,5 тыс. кВт, а производительность самых крупных установок достигать 1800 т/ч.
Передающаяся посредством гидроцилиндров сила, действующая на находящийся в зазоре между валками слой материала, составляет порядка 50 кН на 1 см ширины валка (при диаметре валка 1 м). Так как измерить эффективное давление в слое материала, находящегося между валками, практически невозможно, для сравнения пользуются дополнительным критерием – удельной нагрузкой Fs (Н), отнесенной к ширине валка B (м) и его диаметру D (м) – Fs / (B D), Н/м2. (Эта величина ни в коей мере не равна наибольшему давлению Pmax в зазоре). Суммарное усилие, действующее на слой материала, в больших установках достигает 20 тыс. кН.
Механизм измельчения в валках высокого давления проиллюстрирован на рис.2. Валки диаметром D вращаются с окружной скоростью V. В зоне А частицы подаваемого на измельчение материала получают ускорение и транспортируются вниз за счет трения, достигая скорости, близкой или равной V. Если d – расстояние между валками в осевой плоскости, то уплотнение (сжатие) материала должно начаться в том месте, где выполняется пропорция:
Механизм измельчения в валках высокого давления
Рис. 2. Механизм измельчения в валках высокого давления
g / d = ρл /ρи,
где pл – плотность материала в выходящей из валков ленте продукта, ρи – плотность исходного материала при вступлении в рабочую зону.
Это равенство определяет верхнюю границу зоны сжатия Б. При выходе из рабочей зоны лента уплотненного материала немного расширяется в зоне В. Для гладких валков зона сжатия определяется углом, равным 5–70°.
Количество материала М, прошедшее через валки (т/ч), определяется из выражения:
M=V·В·δ·ρ·360
где V – м/с; В – ширина валка, м; δ – толщина ленты на выходе из валков (продукта), м; ρ – плотность материала в ленте, кг/м3.
Равенство верно, если скорость ленты равна окружной скорости валков. В зависимости от вида поверхности валков (грубая или профилированная) толщина ленты может значительно возрастать. Соответственно увеличится производительность.
Исследования показали, что радиальное давление ρr в зоне сжатия материала растет до уровня немного выше осевой линии валков, а затем падает к нижней границе зоны расширения В ленты продукта. Радиальное давление меняется по величине в зависимости от условий работы валков и может достигать 300 МПа. В случае попадания кусков, превышающих размерами рабочий зазор, местные пики давлений могут возникать и в более высоких зонах рабочего пространства. Удалось оценить и величину тангенциальных напряжений ρt, составивших 30–50 % от радиальных.
Можно было бы полагать, что за исключением некоторого краевого эффекта давление вдоль валка относительно большой ширины должно быть постоянным. Однако исследования показали, что даже на полупромышленном образце пресс-валков диаметром 1000 мм и шириной всего 320 мм краевой эффект распространяется до середины валка с обеих сторон.