www.ptcer.pl/mccm
J
ANS
IDOR*, M
ARCINM
AZUR**
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków *e-mail: jsidor@agh.edu.pl
**e-mail: mamazur@agh.edu.pl
1. Wprowadzenie
Prace dotyczące nowej technologii rozdrabniania - kru-szenia wibracyjnego zapoczątkowano w Akademii Górniczo– Hutniczej w Krakowie w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Rozpoczęto je w Instytucie Maszyn Górniczych, Prze-róbczych i Automatyki AGH, gdzie opracowano dwa prototypy kruszarki wibracyjnej wyposażone w dwie ruchome szczęki, napędzane dwumasowymi wibratorami bezwładnościowymi. Kruszarki te różniły się miejscem zawieszenia szczęk. Jedna posiadała górne zawieszenie szczęk, a druga dolne [1-3].
W 1992 roku w Katedrze Urządzeń Technologicznych i Ochrony Środowiska AGH (obecnie Katedra Systemów Wytwarzania) opracowano nową kruszarkę wibracyjną KW 40/1 [4], wyposażoną w wibratory kinematyczne z możliwo-ścią regulacji skoku szczęk. Ważną zaletą technologiczną tej kruszarki było uzyskiwanie tego samego granicznego stopnia rozdrobnienia niezależnie od zmiany uziarnienia nadawy, co w kruszarkach z bezwładnościowym
wymusze-Badania procesu rozdrabniania kryształu
górskiego w wibracyjnej kruszarce szczękowej
Streszczenie
Badania procesu kruszenia wibracyjnego kryształu górskiego przeprowadzono w doświadczalnej, wibracyjnej kruszarce szczękowej KW 40/1. W pracy podano schemat, opis techniczny i podstawowe parametry kruszarki. Nadawą były próbki o uziarnieniu 10-30 mm oraz 10-20 mm o masie 1 kg każda. Celem badań było określenie możliwości zastosowania wibracyjnej kruszarki szczękowej do bardzo drobnego kruszenia tego materiału z zachowaniem jego wysokiej czystości. Kryształ górski charakteryzuje się gęstością około 2,65 g/cm3
i twardością 7 w skali Mohsa. Próby przeprowadzono w przypadku dwóch różnych uziarnień nadawy oraz dwóch wielkości szczeliny wylo-towej: e = 1,0 mm i e = 2,5 mm, przy ustalonej częstotliwości drgań szczęk (f = 18 Hz). Zaobserwowano, że proces kruszenia wibracyjnego kryształu górskiego przebiegał bardzo dobrze. Z analizy krzywych składu ziarnowego produktu kruszenia wynika, że około 95% masy produktu zawiera się poniżej wymiaru 5,0 mm, a ponad 30% poniżej 1,0 mm. Korzystne wyniki badań wskazują, że wibracyjna kruszarka szczękowa może być z powodzeniem stosowana do rozdrabniania kryształu górskiego, np. podczas przygotowania do procesu mielenia.
Słowa kluczowe: rozdrabnianie, kruszenie wibracyjne, kruszarka wibracyjna, kryształ górski
EXAMINATION OF CRUSHING ROCK CRYSTAL IN A VIBRATORY JAW CRUSHER
Examinations of the rock crystal vibratory disintegration process were performed in a experimental vibratory jaw crusher type KW 40/1. The work contains a diagram, technical description and basic parameters of the crusher. Rock crystal with two grain ranges of 10-30 mm and 10-20 mm was used as a feed. The aim of the research was to determine possibility of using the vibratory jaw crusher to very fi ne crushing of the material while maintaining its high purity. Crystal rock has a density of about 2.65 g/cm3, and its hardness is 7 on the Mohs
scale. The tests were conducted for the two feed ranges at two values of an outlet gap (e = 1,0 mm and e = 2,5 mm) and a fi xed frequency of jaws vibration (f = 18 Hz). It was observed that the process of vibratory crushing the rock crystal samples went very well. Analyses of size distribution curves show that about 95% of the product mass is below 5,0 mm of particle diameter, and 30% below 1,0 mm. The good results of crushing indicate that the vibratory jaw crusher can be successfully used for crushing rock crystal, e.g. before the fi nal grinding process
Keywords: Comminution, Vibratory crushing, Vibratory crusher, Rock crystal
niem ruchu drgającego szczęk sprawiało pewne kłopoty. Przeprowadzono szereg badań procesu kruszenia wibra-cyjnego, głównie o charakterze technologicznym w zakresie bardzo drobnego kruszenia materiałów o bardzo zróżnico-wanych właściwościach wytrzymałościowych. Wyniki badań wykazały pełną przydatność technologiczną kruszarki, zwłaszcza przy kruszeniu materiałów ceramicznych o wy-sokiej wytrzymałości na ściskanie, takich jak żelazokrzem, azotek glinu czy węglik tytanowo-krzemowy [5]. W roku 1996 przeprowadzono modernizację kruszarki w celu zwiększe-nia jej możliwości technologicznych, głównie możliwości uzyskania drobniejszego uziarnienia produktu kruszenia. Wyniki badań procesu kruszenia typowych surowców mineralnych (dolomitu i kamienia wapiennego) [6-7] oraz przemysłowych odpadów ceramicznych (korundu i krzemu polikrystalicznego) [8] potwierdziły celowość moderniza-cji. Prace badawcze w zakresie kruszenia wibracyjnego różnego rodzaju przemysłowych odpadów ceramicznych kontynuowano w następnych latach [9-11]. Opracowano
również prototyp przemysłowej kruszarki do kruszenia tego typu odpadów [12] o wydajności 0,5-0,8 Mg/godz. Należy dodać, że przemysłowe wibracyjne kruszarki szczę-kowe z bezwładnościowym wymuszeniem ruchu drgającego szczęk są w programie produkcyjnym rosyjskich fi rm Mekha-nobr i Spurt [14]. Wydajność tych kruszarek (przy kruszeniu granitu) wynosi od 1,5 Mg/h do 300 Mg/h.
Otrzymane wyniki wykazały pełną przydatność technolo-giczną kruszarki do uzyskania dużych stopni rozdrobnienia i90 i i50, w jednym stadium rozdrabniania, przy kruszeniu materiałów o zróżnicowanych własnościach fi zycznych. Umożliwiły także dobór najkorzystniejszych parametrów kruszarki i procesu rozdrabniania oraz dostarczyły informacji w zakresie możliwości wyznaczania podatności materiałów na kruszenie wibracyjne. Znajomość tej podatności jest niezbędna do poprawnego doboru parametrów procesu kruszenia wibracyjnego oraz projektowania przemysłowych kruszarek wibracyjnych.
2. Cel i metoda badań
Głównym celem badań procesu bardzo drobnego krusze-nia kryształu górskiego w szczękowej kruszarce wibracyjnej było uzyskanie produktu o jak najmniejszym uziarnieniu przy zachowaniu jego wysokiej czystości. Zachowanie odpowiedniej czystości jest szczególnie ważne podczas przygotowywania produktu do zastosowań w przemyśle farmaceutycznym. Równocześnie zbadano wpływ uziar-nienia nadawy i wielkości szczeliny wylotowej kruszarki na uziarnienie produktu kruszenia, wydajność całkowitą kruszarki, wydajność zewnętrznej klasy ziarnowej 0-1,0 mm oraz stopnie rozdrobnienia i50 i i90.
Badania przeprowadzono w wibracyjnej kruszarce szczękowej typu KW 40/1 w Katedrze Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych AGH. Do badań użyto dwa rodzaje próbek kryształu górskiego o masie 1 kg każda. Próbki oznaczone symbolem „1” miały postać przedstawioną na Rys. 1 oraz następujący skład ziarnowy: klasa 10-20 mm – 58% i klasa 20-30 mm – 42%. Próbki oznaczone symbolem „2” przedstawiono na Rys. 2, a wymiary ich ziaren zawierały się w przedziale 10-20 mm.
Kryształ górski jest to przezroczysta odmiana kwarcu charakteryzująca się gęstością około 2,65 g/cm3 i twardością
7 w skali Mohsa. Dzięki swoim właściwościom optycznym kryształ górski jest stosowany w soczewkach i pryzmatach, a jego właściwości piezoelektryczne są wykorzystywane do kontroli drgań obwodów elektrycznych. Materiał wyko-rzystany do badań nad procesem kruszenia, po zmieleniu w młynie wibracyjnym, był następnie stosowany w przemyśle farmaceutycznym.
3. Stanowisko badawcze laboratoryjnej,
wibracyjnej kruszarki szczękowej
Stanowisko badawcze wibracyjnej kruszarki szczękowej typu KW 40/1 przedstawiono na Rys. 3, a schemat jego budowy na Rys. 4.
Zespół roboczy kruszarki stanowią dwie ruchome szczę-ki (1) zamocowane wahliwie u dołu. Układy sprężyste (6) dociskają obie szczęki do rolek napędowych wibratorów kinematycznych (2). Jedna ze szczęk ma mechanizm
re-gulacji szczeliny wylotowej (5). Oba wały wibratora sprzę-żone są przekładnią łańcuchową (7), przenoszącą moment napędowy z silnika elektrycznego (8). Ruch obu szczęk zachodzi w sposób przeciwsobny, to znaczy jednocześnie szczęki zbliżają się do siebie lub od siebie oddalają. Szczęki kruszarki posiadają wymienną gładką wykładzinę stalową wykonaną ze stali odpornej na korozję, dopuszczoną do kontaktu z farmaceutykami, spełniającą wymagania GMP oraz GHP. Konstrukcja szczęk umożliwia zamocowanie na nich wykładzin ceramicznych lub wykładzin wykonanych z odpornych na zużycie tworzyw polimerowych. Kruszarka Rys. 1. Próbka “1” kryształu górskiego.
Fig. 1. A sample “1”of rock crystal.
Rys. 2. Próbka “2” kryształu górskiego. Fig. 2. A samples „2”of rock crystal.
ma możliwość regulacji skoku obu szczęk. Układ zasilania silnika elektrycznego (9) zapewnia zasilanie silnika oraz bez-stopniową regulację prędkości obrotowej wałów wibratora, a tym samym częstotliwości drgań szczęk. Układ ten pełni jeszcze rolę zabezpieczenia kruszarki przed uszkodzeniem wskutek dostania się do strefy kruszenia elementów meta-lowych. Rozwiązanie techniczne kruszarki chronione jest patentem [4].
W skład stanowiska wchodzą: laboratoryjna wibracyjna kruszarka szczękowa KW40/1, zespół zasilania i regulacji prędkości obrotowej silnika kruszarki – przetwornik częstotli-wości, układ pomiaru poboru mocy – watomierz rejestrujący, układ pomiaru częstotliwości drgań, układ odpylania i oczysz-czania powietrza oraz przesiewacz wibracyjny z kompletem sit, waga laboratoryjna, stoper i komplet szczelinomierzy.
4. Program, realizacja i wyniki badań
Program badań obejmował określenie wpływu uziar-nienia nadawy i wielkości szczeliny wylotowej kruszarki na uziarnienie produktu kruszenia, wydajność całkowitą kruszarki, wydajność zewnętrznej klasy ziarnowej 0-1,0 mm
oraz stopnie rozdrobnienia i50 i i90. Próby wykonywano przy ustalonej częstotliwości drgań szczęk równej 18 Hz. Zasila-nie kruszarki wykonywano ręczZasila-nie, starając się, aby strefa kruszenia była wypełniona w około 50% wysokości – przy takim wypełnieniu kruszarka uzyskiwała największą wy-dajność. Każdą próbę powtarzano dwukrotnie, a końcowe wyniki stanowią średnią arytmetyczną z dwóch prób. Analizę sitową nadawy i produktu kruszenia wykonywano na sucho zgodnie z normą PN–C–04501:1971. Wydajność całkowitą kruszarki (kg/godz) obliczano z ilorazu masy próbki i czasu kruszenia liczonego od rozpoczęcia procesu kruszenia do jego zakończenia. Wydajność klasy ziarnowej 0-1,0 mm określono poprzez iloczyn wydajności całkowitej i procen-towej zawartości tej klasy w produkcie kruszenia.
Pierwsza seria badań miała na celu określenie wpływu wymiaru szczeliny wylotowej kruszarki na badane wskaźniki. Wykonano po dwie próby, wykorzystując próbki oznaczone symbolem „1”, dla wielkości szczeliny wylotowej wynoszą-cej 1,0 mm i 2,5 mm. Krzywe składu ziarnowego produktu kruszenia przedstawiono na Rys. 5, a pozostałe wyniki tej serii badań w Tabeli 1.
Rys. 3. Stanowisko badawcze wibracyjnej kruszarki szczękowej [13]. Fig. 3. A test stand of the vibratory jaw crusher [13].
Rys. 4. Schemat budowy laboratoryjnej, wibracyjnej kruszarki szczękowej KW-40/1 oraz jej stanowiska badawczego: 1 – szczęka, 2 – wał mimośrodowy, 3 – podparcie szczęki regulacyjne, 4 – podparcie szczęki stałe, 5 – mechanizm regulacji szczeliny, 6 – układ sprężysty, 7 –przekładnia łańcuchowa, 8 – silnik, 9 – układ zasilania i sterowania, 10 – czujnik prędkości obrotowej, 11 – układ odpylania kruszarki i oczyszczania powietrza, WR – watomierz rejestrujący [13].
Fig. 4. Schematic diagram of the vibratory jaw crusher type KW-40/1 and the test stand: 1 – jaw, 2 – eccentric shaft, 3 – regulatory jaw support, 4 – fi xed jaw support, 5 – gap adjustment system, 6 – elastic system, 7 – chain transmission, 8 – electric motor, 9 – power and control, 10 – RPM sensor, 11 – crusher dust extraction system and air treatment, WR – recording wattmeter [13].
Druga seria badań miała na celu określenie wpływu uziarnienia nadawy na uziarnienie produktu kruszenia oraz pozostałe badane wskaźniki. Wykonano dwie próby, wykorzystując próbki oznaczone symbolem „2”, wielkość szczeliny wylotowej kruszarki e = 1,0 mm i częstotliwość drgań szczęk f = 18 Hz, a otrzymane wyniki porównano z wynikami kruszenia próbki „1”, otrzymanymi dla tej samej wielkości szczeliny wylotowej. Krzywe składu ziarnowego produktu kruszenia przedstawiono na Rys. 6.
Wyniki drugiej serii badań przedstawiono w Tabeli 2. Na Rys. 7 przedstawiono porównawczo kryształ górski przed i po kruszeniu.
5. Podsumowanie
Proces kruszenia kryształu górskiego przebiegał bardzo in-tensywnie. Na uziarnienie produktu kruszenia oraz na pozosta-łe wskaźniki - wydajność całkowitą kruszarki, wydajność klasy ziarnowej 0-1,0 mm oraz stopnie rozdrobnienia i50 i i90 - naj-większy wpływ miała wielkość szczeliny wylotowej kruszarki. Wraz ze wzrostem wielkości szczeliny rosła wydajność całkowita kruszarki, a malała wartość stopnia rozdrobnienia, zarówno i50 jak i i90. Pomimo spadku stopnia rozdrobnienia wydajność zewnętrznej klasy ziarnowej 0-1,0 mm wzrosła
ze względu na wzrost wydajności całkowitej kruszarki. Stwierdzono również, że skład ziarnowy nadawy ma niewielki wpływ na uziarnienie produktu kruszenia. Potwierdza to zna-ną z wcześniejszych badań cechę wibracyjnych kruszarek szczękowych o wymuszeniu kinematycznym. Kruszarka ta umożliwia uzyskanie stabilnego składu ziarnowego produktu niezależnie od uziarnienia nadawy. Jest to główna zaleta tych kruszarek w stosunku do szczękowych kruszarek
0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 3 5 10 20 30
Wymiar oczka sita [mm]
0 20 40 60 80 100 10 30 50 70 90 P rze si e w [% ] Próbka 1 - e = 1,0 mm Próbka 1 - e = 2,5 mm Nadawa 1
Rys. 5. Wpływ wielkości szczeliny wylotowej (e) na uziarnienie produktu kruszenia.
Fig. 5. Effects of outlet gap size (e) on the particle size distribution of crushing product.
Tabela 1 Wartości badanych wskaźników dla pierwszej serii kru-szenia.
Table 1. The values of examined indicators in the fi rst series of crushing.
Wymiar szczeliny wylotowej e [mm] 1,0 2,5
Wydajność całkowita [kg/h] 79,0 118,2
Wydajność klasy 0-1,0 mm [kg/h] 28,8 34,3 Stopień rozdrobnienia i50 [-] 14,2 9,6
Stopień rozdrobnienia i90 [-] 6,5 5,9
0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 3 5 10 20 30
Wymiar oczka sita [mm]
0 20 40 60 80 100 10 30 50 70 90 P rze si e w [% ] Próbka 1 Próbka 2 Nadawa 1 Nadawa 2
Rys. 6. Wpływ uziarnienia nadawy na uziarnienie produktu kruszenia. Fig. 6. Effect of feed grain size on the particle size distribution of crushing product.
Tabela 2. Wartości badanych wskaźników dla drugiej serii kruszenia. Table 2. The values of examined indicators in the second series of crushing. Rodzaj próbki “1” “2” Wydajność całkowita [kg/h] 79,0 86,0 Wydajność klasy 0-1,0 mm [kg/h] 28,8 33,1 Stopień rozdrobnienia i50 [-] 14,2 14,9 Stopień rozdrobnienia i90 [-] 6,5 6,7
Rys. 7. Kryształ górski po i przed kruszeniem. Fig. 7. Rock crystal before and after crushing.
wibracyjnych o wymuszeniu bezwładnościowym. Wyniki badań wskazują, że wibracyjną kruszarkę szczękową można stosować do wstępnego rozdrabniania kryształu górskiego.
Literatura
[1] Banaszewski, T.: Wibracyjna kruszarka szczękowa, Patent PRL nr 62930, 1971.
[2] Banaszewski, T.: Wibracyjna kruszarka szczękowa, Patent PRL nr 69785, 1974.
[3] Banaszewski, T., Kobiałka, R., Blaschke, J.: Badania nad możliwością wykorzystania wibracyjnej kruszarki szczękowej do celów przemysłowych, Zeszyty Naukowe AGH, Górnictwo, nr 63, Kraków 1974, 77-86.
[4] Drzymała, Z., Sidor, J., Kaczmarczyk, S., Maćków, E. i inni: Kruszarka wibracyjna, Patent PRL nr 133 128, 1986
[5] Sidor, J.: Niektóre wyniki badań procesu bardzo drobnego kruszenia w kruszarce wibracyjnej, IX Konferencja Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych, Zakopane 1996, z. 3, 169-176. [6] Sidor, J.: Badania procesu kruszenia wibracyjnego kamienia wapiennego i dolomitu, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, nr 779, Inżynieria Chemiczna, z. 21, Łódź 1997, 197-204. [7] Sidor, J.: Rozwój konstrukcji kruszarek wibracyjnych, Maszyny
Górnicze, 77, (1999), 30-37.
[8] Sidor, J., Wójcik, M., Kordek, J.: Fine grinding of hard ceramic waste in the rotary-vibration mil. The International Conference for the Environmental and Technical Implications of Construc-tion with Alternative Materials, The Netherlands. Wascon’97, Elsevier Science, Amsterdam, Holland 1997, 591-598. [9] Sidor, J.: Badania procesu wibracyjnego kruszenia odpadów
piecowych i suszarnianych czerwonej ceramiki budowlanej, Inżynieria i Aparatura Chemiczna, nr 3s, (2004), 137-138. [10] Sidor, J.: Badanie recyklingu rdzeni ferrytowych młynów
wi-bracyjnych, Inżynieria i Aparatura Chemiczna, nr 3s, (2005), 72-73.
[11] Sidor, J.: Badania procesu bardzo drobnego kruszenia odpa-dów produkcyjnych ceramiki sanitarnej w kruszarce wibracyj-nej, Monografi e Wydz. Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH Kraków, tom 32, (2006), 277-286.
[12] Sidor, J.: Preliminary investigations of industrial line of me-chanical processing of ceramic wastes for recycling, Polish Journal of Environmental Studies, 17, 3A, (2008), 507–510. [13] Sidor, J., Mazur, M.: Niektóre wyniki badań procesu kruszenia
wibracyjnego surowców mineralnych, Przegląd Górniczy, 67, 11, (2011), 106-111.
[14] www.stroyteh/ru/wiki/ MEXAHOBR, 2011.
