Оборудование и технологии безопасного измельчения ферросплавов электродного производства

А.Е. Марченко
ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины. 03150, г. Киев, ул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Рассмотрены предпочтительные типы оборудования для обеспечения безопасного измельчения ферроматериалов, применяемых в электродоном производстве. Описаны конструкционные особенности оборудования, их преимущества и недостатки. Библиогр. 6, рис. 8.

Ключевые слова: электродное производство, ферроматериалы, пожаровзрывобезопасное измельчение, щелевая мельница, вибрационная мельница, аэробильная дробилка, виброинерционная дробилка
*Ретроспективный обзор по материалам публикаций в малотиражных изданиях и источниках несварочного профиля.
 
При выборе измельчительного оборудования, предназначенного для пожаровзрывобезопасного измельчения ферросплавов, предпочтение отдается установкам, которые:

• характеризуются низкими удельными затратами энергии на измельчение и, следовательно, незначительным разогревом материала в процессе измельчения;
• имеют небольшие размеры мелющей камеры;
• обеспечивают быстрый вывод измельчаемого материала за пределы мелющей камеры, предотвращая его нагрев, переизмельчение и минимизируя изменение энергетического состояния поверхностного слоя его частиц;
• позволяют изолировать от окружающей атмосферы не только рабочее пространство измельчительной камеры, но также соединения его с узлами загрузки выгрузки, а также в зоне извлечения целевых фракций.

Опыт электродоизготовляющих предприятий показал, что этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяют:

• модернизированная щелевая шаровая мельница института «Гипрометиз» барабанного типа с периферийным просевом;
• двухкамерная стержневая вибрационная мельница трубного типа модели PАLLA-U (фирма KHD HUMbOLDT wEDAG);
• конусная виброинерционная дробилка института «Механобр» (модель КИД 300);
• вертикальная аэробильная дробилка Pluristadio GR 80 (фирма GUSSEO).

Рассмотрим конструкционные особенности перечисленных измельчителей, включая обеспечение требуемой степени пожаровзрывобезопасности процесса измельчения.
Щелевая мельница Гипрометиза. В традиционной технологии измельчения ферросплавов в защитном газе использовалась обычная щелевая мельница «Гипрометиза» с диаметром барабана 700 мм, помещенная в герметичную камеру объемом 25,5 м³. Такая установка имеет следующие недостатки:

• низкая производительность, что обусловлено длительностью подготовительных операций, включающих, в том числе, вывод установки на безопасный режим работы;
• сложность обслуживания;
• большой объем герметизируемой камеры;
• высокая запыленность рабочего пространства и накопление в камере отложений токсичной, пирофорной и взрывоопасной пыли в количестве, превышающем 20 кг в сутки; взметенная во время пылеуборки, она по концентрации может превысить ПДК и нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ).

На основе результатов математического моделирования и производственных экспериментов, выполненных на одной из действующих измельчительных установок этого типа, авторы работ [1, 2] модернизировали схемы и режимы подачи защитного газа, а также систему аспирации, которые обеспечивают пожаровзрывобезопасные концентрации кислорода в активной зоне (8 %) и допустимый уровень запыленности аспирируемого воздуха.
Схема модернизированной установки приведена на рис. 1.
По этой схеме нет необходимости в специальной камере, достаточно штатного кожуха с пятью подводами инертного газа (ИГ) — азота: в полость барабана (точечно через цапфу по трубе 10 мм), в верхнюю и бункерную части кожуха, а также в над- и подситовую зону укрытия виброгрохота и кюбель для готового порошка (перфорированной трубкой, обеспечивающей равномерное пространственное распределение ИГ).
Аспирационные укрытия смонтированы на торцевых стенках мельничного кожуха. Они сообщаются с полостями барабана и кожуха лишь через неплотности в местах прохода цапф, открыты снизу и сужаются кверху. Засасываемый через нижние проемы воздух из помещения, омывая цапфы, увлекает пылевыделения из мельницы в местах указанных неплотностей, практически не нарушая состав защитного газа внутри мельничного кожуха и барабана и сохраняя концентрацию взвешенных частиц в отсосах на достаточно низком уровне. Возрастающая на участке сужения наружных камер скорость аспирируемого воздуха предотвращает осаждение частиц из потока и накопления их на поверхности цапф.
Аспирация узла загрузки кюбеля локализует возможные здесь пылевыделения, а та  же в зоне классификации порошка на вибросите.
Выбранные оптимальные режимы подачи и соотношения удельных расходов азота, поступающего в полость мельницы и в полость между барабаном и кожухом, аэродинамически связанную с виброситом и кюбелем, обеспечивают надежное предотвращение воспламенений и взрывов.
Концентрация пыли на рабочем месте понизилась до уровня общей фоновой запыленности в цеховом пространстве.
Длительность продувки полостей азотом перед пуском мельницы сокращена с 2,0…2,25 ч (проектный вариант размещения измельчительной установки в герметичной камере объемом 25,5 м³) до 15 мин.

Вибрационная мельница модели PАLLA-U представлена на рис. 2.
Установка состоит из подвижной (измельчающей) и неподвижной части. Неподвижная часть в виде жесткой металлической рамы 10 устанавливается на виброизолированном фундаменте 8. Подвижная часть состоит из двух горизонтальных, расположенных друг над другом трубных мелющих камер 5, надежно связанных друг с другом с помощью стальных стяжных хомутов. Вибровозбудительные узлы 3 расположены в промежутке между мельничными камерами, строго по вертикали равноудаленными от них. Каждый из узлов представляет собой короткий дебалансный вал на подшипниках качения, которые, будучи расположенными в защитной трубе, соединены между собой посредством промежуточного вала с крестовинами. Их через карданный вал 11 приводит во вращение асинхронный электродвигатель, смонтированный на консольно вынесенной площадке, расположенной с фронтально-лицевой стороны установки. Подвижная часть установки опирается на неподвижную раму через упругие элементы-амортизаторы 6. Общий вид мельницы представлен на рис. 3 [2–4].

На выходе из камеры установлена торцевая решетка из высокопрочной стали, по размерам и количеству отверстий рассчитанная на максимальный проход готового продукта.
Это позволяет получать его, не опасаясь переизмельчения, без классификации на грохоте. В зависимости от измельчаемого материала 55…65 об. % полости каждой мельничной камеры заполнено цилиндрами, что дополнительно гарантирует недопущение переизмельчения.
При непрерывной подаче материала в камеру трение, возникающее при вибрации на поверхности горизонтальных мелющих цилиндров, позволяет не только измельчать, но и перемещать материал в пространстве между ними по спиральной траектории к выходу из камеры. Производительность мельницы контролируется углом внутреннего трения на разгрузке, типом и размером мелющих тел, крупностью питания, свойствами материала и кругового движения камеры. Степень измельчения зависит, главным образом, от времени удержания частиц в камерах, т. е. от варианта подключения мелющих камер — последовательного, как показано стрелками на рис. 2, параллельного или комбинированного.
По первому режиму материал последовательно проходит верхнюю, а затем — нижнюю камеру. По такому режиму измельчают ферромарганец, ферротитан и ферросилиций. При работе по параллельному режиму измельчаются материалы менее прочные, чем ферросплавы. Материал загружается раздельно в каждую камеру, а на выходе получается целевой продукт. Производительность процесса возрастает вдвое, а достигнутая степень измельчения определится значением коэффициента измельчаемости материала. В производстве электродов по такому режиму измельчают кварцевый песок, рутиловый концентрат и мрамор. Третий режим предназначен для наиболее легко измельчаемых материалов. Их загружают в трубные камеры через центральные люки, а продукты измельчения движутся от центрального сечения к выпускным люкам каждой камеры. Степень измельчения при этом минимальная, а производительность процесса – самая высокая в сравнении с последовательным и параллельным режимами работы.
Режимы и производительность измельчения каждого нового материала выбираются путем проведения предварительных испытаний, по результатам которых определяют вид мелющих тел (стальные шары, цильбепсы, стержни) и режим работы мельницы (частота, амплитуда вибраций, продолжительность измельчения). В бывшем Советском Союзе электродные цехи использовали двухкамерные мельницы PALLA-U для измельчения не только ферросплавов, но и рудоминеральных ингредиентов покрытия. При этом получались порошки более крупнозернистые, чем при использовании других видов проходных барабанных шаровых мельниц, даже с периферийным просевом.
Полости мельничных камер герметизированы уплотнительными термостойкими кольцами, патрубки на входе и выходе соединены с укрытиями загрузочного и приемного узлов эластичными гофрированными переходами.
Мельницы комплектуются генератором углекислого газа и звукоизоляционной капсулой. Поэтому измельчительные установки на базе вибрационных мельниц PALLA–U обеспечивают условия труда обслуживающего персонала, безопасные с точки зрения санитарно-гигиенических предписаний, а при измельчении ферросплавов — еще и нормативных требований пожаро- и взрывобезопасности.

Аэробильная дробилка модели Pluristadio GR 80 итальянской фирмы GUSSEO представлена на рис. 4, а в составе измельчительной установки — на рис. 5. Она состоит из футерованного броней цилиндрического корпуса и ротора — вертикального вала с насаженными на него двумя разнесенными по высоте трехъярусными секциями бил. Нижняя секция 1 оснащена билами бoльшего размера и предназначена для разрушения крупных фракций. Верхняя секция 2 осуществляет тонкое измельчение, она набрана из бил меньшего размера. В пространство между ними шнековый питатель 3 равномерно подает материал на диск нижней секции ротора.
Выполненный в виде центробежного распределителя, ротор, с одной стороны, направляет материал, подлежащий измельчению, в кольцевой зазор вдоль цилиндрической поверхности мельничного корпуса, а, с другой стороны, отражает и устремляет в этот зазор нагнетаемый вентилятором газовый поток. Относительно мелкие частицы материала увлекаются газовым потоком и направляются сквозь била верхней секции ротора
в сепаратор 4, в котором они разделяются на две фракции: мелкая (товарная) фракция уносится и осаждается в циклоне, а крупная возвращается на доизмельчение. Более крупные (тяжелые) частицы какое-то время падают в кольцевом зазоре мельницы вниз, навстречу газовому потоку, попадают под била нижней секции ротора, измельчаются, а затем тоже уносятся вверх, окончательно доизмельчаются верхними билами и тоже направляются в сепаратор 4.

Схема установки для измельчения ферромарганца, ферротитана и ферросилиция на базе аэробильной мельницы Pluristadio GR 80 представлена на рис. 5.
Гранулометрический состав порошка регулируется при настройке мельницы посредством изменения количества бил, подвешенных к дискам роторов, скорости газового потока с помощью жалюзей сепаратора, а также путем изменения частоты вращения рабочего колеса вентилятора. Чем больше скорость газового потока, тем более крупные частицы он подхватывает и устремляет вверх под била верхней секции ротора. Интегральная степень измельчения материала при этом уменьшается, а производительность мельницы возрастает. При уменьшении скорости газового потока помол получается более мелким, но количество измельченного мельницей материала понижается. Поскольку питатель расположен в средней части мельницы, т. е. между верхним и нижним ротором, а газ нагнетается через сопло, установленное под нижним измельчающим диском, переизмельчение материала исключается.
Система герметична. В систему подают СО₂, в случае необходимиости, с добавкой кислорода, в объеме, достаточном для восполнения потерь.
Герметичность системы подтверждается наполнением тканевых фильтрующих рукавов, которыми оборудована мельница и сепаратор. В качестве защитной атмосферы можно использовать смесь азота с кислородом.
Мельница Pluristadio GR 80 имеет небольшой объем рабочей камеры — диаметр 800 мм, а высота 1200 мм. Она легко и быстро, в течение 30 мин, очищается от остатков предыдущего материала. По производительности она обеспечивает потребности в названных ферросплавах цеха мощностью до 12,5 тыс. т электродов в год, из них 70 % с рутиловым и 30 % с низководородным покрытием.
Виброинерционная конусная дробилка КИД-300 [5, 6]. Профиль мелющей камеры виброинерционной конусной дробилки, как и у традиционных вибродробилок конусного типа, образуется бронированными поверхностями сопряженных друг с другом дробящих конусов – неподвижного наружного и вращающегося внутреннего. Наружный конус и сферическая опора внутреннего конуса смонтированы на станине измельчителя. Внутренний конус приводится электродвигателем в движение не через эксцентриковый стакан, как в конусной дробилке обычного типа, а через дебалансный вибровозбудитель. Он располагает гнездом шарообразного профиля для сферической опоры внутреннего конуса и устанавливается под ним на приводном валу. В результате использования такого привода внутренний конус наряду с вращением совершает гирационные движения, т. е. качания, свойственные коническому маятнику.

Равнодействующая обеих центробежных составляющих, прижимающая в пульсирующем режиме внутренний конус к наружному, является силой, измельчающей материал, загружаемый в мельничную камеру дробилки. Рабочие поверхности мелющих тел воздействуют на зерно через окружающие его зерна при циклическом уплотнении слоя в рабочей зоне.
На протяжении короткого времени прохождения мелющей камеры исходный материал пребывает в объемном напряженном состоянии в условиях многократного повторения циклов сжатия, изгиба и разгрузки. В таких условиях материал разрушается преимущественно по законам фрактальной кинетики по наиболее слабым поверхностям. Крупность порошка регулируется положением дебалансира, а производительность дробилки — изменением размера разгрузочной щели, т. е. зазора между футеровками конуса и чаши.
К преимуществам инерционных дробилок типа КИД по сравнению с обычными конусными дробилками с эксцентриковым приводом относят:

• трех-...пятикратное повышение показателя кратности дробления (до 15…18, в сравнении с традиционным показателем на уровне 3…5);
• увеличение выхода годного продукта;
• возможность работы дробилки под завалом, а также пуска и остановки под нагрузкой;
• незначительный уровень запыленности над уровнем слоя измельчаемого материала в зоне загрузки.

В ИПМ им. И.М. Францевича НАН Украины испытали дробилку КИД-300 при измельчении ряда ферросплавов, в том числе ферросилиция марок ФС-45 и феррованадия ФВ-35, с начальным размером кусков 20 мм [6]. Схема опытной установки приведена на рис. 6.
Режимные показатели работы дробилки в ходе испытаний:

• скорость вращения дебалансного вибратора w = 20 с^–1;
• статические моменты дебаланса Мст, (2,52; 3,08 и 3,48 кг•м);
• ширина разгрузочной щели Δ = 6 мм.

Зависимости достигнутых при этом показателей производительности процесса измельчения по массе переработанного материала и полученного целевого продукта, кг/ч, а также по выходу годного продукта, %, величины статического момента дебаланса, приведены на рис. 7.
Приведенные данные показали, что измельчитель КИД-300 можно использовать для приготовления порошков ферросплавов, по зерновому составу соответствующих требованиям технологии производства низководородных электродов общего назначения, с примененным в настоящей работе аспирационным оформлением, обеспечивающим концентрацию пыли в аспирируемом воздухе, не превышающем 1,2 г•м^–3 при производительности отсоса 900 м³•ч^–1 [5].
 
Автор признателен О.Д. Нейкову за конструктивные советы и обсуждение материалов.

Список литературы

1. Нейков О.Д., Марченко А.Е., Недин В.В. и др. (1982) О проблеме взрывоопасности при измельчении ферросплавов. Тр. Всесоюз. конфер. по сварочным материалам. Походня И.К. (ред.). Киев, Наукова думка, сс. 167–172.
2. Васильева Г.И., Нейков О.Д., Черных А.М. и др. (1989) Обеспечение защитных газовых сред в установках по измельчению ферросплавов. Сб. «Металлургические и технологические проблемы электродов с основным покрытием». Доклады II Международной школы стран-членов СЭВ (София, ноябрь, 1989 г.). Киев, Наукова думка, сс. 133–139.
3. Гайрабедьянц Э.Л., Бетчин В.А., Матвеев Н.Н. (1977) Технология и оборудование поточного производства электродов. Технология, организация производства и управления. НИИ Информэнерго.
4. (2009) Новые рубежи. Мельницы PALLA – UO в обогащении. Горная промышленность, 1.
5. Ревкин В.Н., Гиршов В.Л., Финкельштейн Г.А. и др. (1982) Измельчение металлических порошков и стружки. Порошковая металлургия, 4, 12–17.
6. Денисов Г.А., Арделян А.А., Зарогатский Л.П. и др. (1989) Технология измельчения ферросплавов с использованием конусного инерционного измельчителя. Сб. Металлургические и технологические проблемы электродов с основным покрытием. Доклады II Международной школы стран-членов СЭВ, София, ноябрь 1989 г. Киев, Наукова думка, сс. 140–146.