MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 1, (2014), 32-36 www.ptcer.pl/mccm Badania procesu rozdrabniania kryszta u górskiego w wibracyjnej kruszarce szcz kowej JAN SIDOR*, MARCIN MAZUR** AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia In ynierii Mechanicznej i Robotyki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków *e-mail: jsidor@agh.edu.pl **e-mail: mamazur@agh.edu.pl Streszczenie Badania procesu kruszenia wibracyjnego kryszta u górskiego przeprowadzono w do wiadczalnej, wibracyjnej kruszarce szcz kowej KW 40/1. W pracy podano schemat, opis techniczny i podstawowe parametry kruszarki. Nadaw by y próbki o uziarnieniu 10-30 mm oraz 10-20 mm o masie 1 kg ka da. Celem bada by o okre lenie mo liwo ci zastosowania wibracyjnej kruszarki szcz kowej do bardzo drobnego kruszenia tego materia u z zachowaniem jego wysokiej czysto ci. Kryszta górski charakteryzuje si g sto ci oko o 2,65 g/cm 3 i twardo ci 7 w skali Mohsa. Próby przeprowadzono w przypadku dwóch ró nych uziarnie nadawy oraz dwóch wielko ci szczeliny wylotowej: e = 1,0 mm i e = 2,5 mm, przy ustalonej cz stotliwo ci drga szcz k (f = 18 Hz). Zaobserwowano, e proces kruszenia wibracyjnego kryszta u górskiego przebiega bardzo dobrze. Z analizy krzywych sk adu ziarnowego produktu kruszenia wynika, e oko o 95% masy produktu zawiera si poni ej wymiaru 5,0 mm, a ponad 30% poni ej 1,0 mm. Korzystne wyniki bada wskazuj, e wibracyjna kruszarka szcz kowa mo e by z powodzeniem stosowana do rozdrabniania kryszta u górskiego, np. podczas przygotowania do procesu mielenia. S owa kluczowe: rozdrabnianie, kruszenie wibracyjne, kruszarka wibracyjna, kryszta 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 ne crushing of the material while maintaining its high purity. Crystal rock has a density of about 2.65 g/cm 3, 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 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 nal grinding process Keywords: Comminution, Vibratory crushing, Vibratory crusher, Rock crystal 1. Wprowadzenie Prace dotycz ce nowej technologii rozdrabniania - kruszenia wibracyjnego zapocz tkowano w Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie w latach siedemdziesi tych ubieg ego wieku. Rozpocz to je w Instytucie Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Automatyki AGH, gdzie opracowano dwa prototypy kruszarki wibracyjnej wyposa one w dwie ruchome szcz ki, nap dzane dwumasowymi wibratorami bezw adno ciowymi. Kruszarki te ró ni y si miejscem zawieszenia szcz k. Jedna posiada a górne zawieszenie szcz k, a druga dolne [1-3]. W 1992 roku w Katedrze Urz dze Technologicznych i Ochrony rodowiska AGH (obecnie Katedra Systemów Wytwarzania) opracowano now kruszark wibracyjn KW 40/1 [4], wyposa on w wibratory kinematyczne z mo liwo- ci regulacji skoku szcz k. Wa n zalet technologiczn tej kruszarki by o uzyskiwanie tego samego granicznego stopnia rozdrobnienia niezale nie od zmiany uziarnienia nadawy, co w kruszarkach z bezw adno ciowym wymusze- niem ruchu drgaj cego szcz k sprawia o pewne k opoty. Przeprowadzono szereg bada procesu kruszenia wibracyjnego, g ównie o charakterze technologicznym w zakresie bardzo drobnego kruszenia materia ów o bardzo zró nicowanych w a ciwo ciach wytrzyma o ciowych. Wyniki bada wykaza y pe n przydatno technologiczn kruszarki, zw aszcza przy kruszeniu materia ów ceramicznych o wysokiej wytrzyma o ci na ciskanie, takich jak elazokrzem, azotek glinu czy w glik tytanowo-krzemowy [5]. W roku 1996 przeprowadzono modernizacj kruszarki w celu zwi kszenia jej mo liwo ci technologicznych, g ównie mo liwo ci uzyskania drobniejszego uziarnienia produktu kruszenia. Wyniki bada procesu kruszenia typowych surowców mineralnych (dolomitu i kamienia wapiennego) [6-7] oraz przemys owych odpadów ceramicznych (korundu i krzemu polikrystalicznego) [8] potwierdzi y celowo modernizacji. Prace badawcze w zakresie kruszenia wibracyjnego ró nego rodzaju przemys owych odpadów ceramicznych kontynuowano w nast pnych latach [9-11]. Opracowano 32
BADANIA PROCESU ROZDRABNIANIA KRYSZTA U GÓRSKIEGO W WIBRACYJNEJ KRUSZARCE SZCZ KOWEJ równie prototyp przemys owej kruszarki do kruszenia tego typu odpadów [12] o wydajno ci 0,5-0,8 Mg/godz. Nale y doda, e przemys owe wibracyjne kruszarki szcz kowe z bezw adno ciowym wymuszeniem ruchu drgaj cego szcz k s w programie produkcyjnym rosyjskich rm Mekhanobr i Spurt [14]. Wydajno tych kruszarek (przy kruszeniu granitu) wynosi od 1,5 Mg/h do 300 Mg/h. Otrzymane wyniki wykaza y pe n przydatno technologiczn kruszarki do uzyskania du ych stopni rozdrobnienia i 90 i i 50, w jednym stadium rozdrabniania, przy kruszeniu materia ów o zró nicowanych w asno ciach zycznych. Umo liwi y tak e dobór najkorzystniejszych parametrów kruszarki i procesu rozdrabniania oraz dostarczy y informacji w zakresie mo liwo ci wyznaczania podatno ci materia ów na kruszenie wibracyjne. Znajomo tej podatno ci jest niezb dna do poprawnego doboru parametrów procesu kruszenia wibracyjnego oraz projektowania przemys owych kruszarek wibracyjnych. 2. Cel i metoda bada G ównym celem bada procesu bardzo drobnego kruszenia kryszta u górskiego w szcz kowej kruszarce wibracyjnej by o uzyskanie produktu o jak najmniejszym uziarnieniu przy zachowaniu jego wysokiej czysto ci. Zachowanie odpowiedniej czysto ci jest szczególnie wa ne podczas przygotowywania produktu do zastosowa w przemy le farmaceutycznym. Równocze nie zbadano wp yw uziarnienia nadawy i wielko ci szczeliny wylotowej kruszarki na uziarnienie produktu kruszenia, wydajno ca kowit kruszarki, wydajno zewn trznej klasy ziarnowej 0-1,0 mm oraz stopnie rozdrobnienia i 50 i i 90. Badania przeprowadzono w wibracyjnej kruszarce szcz kowej typu KW 40/1 w Katedrze Maszyn Górniczych, Przeróbczych i Transportowych AGH. Do bada u yto dwa rodzaje próbek kryszta u górskiego o masie 1 kg ka da. Próbki oznaczone symbolem 1 mia y posta przedstawion na Rys. 1 oraz nast puj cy sk ad ziarnowy: klasa 10-20 mm 58% i klasa 20-30 mm 42%. Próbki oznaczone symbolem 2 przedstawiono na Rys. 2, a wymiary ich ziaren zawiera y si w przedziale 10-20 mm. Kryszta górski jest to przezroczysta odmiana kwarcu charakteryzuj ca si g sto ci oko o 2,65 g/cm 3 i twardo ci 7 w skali Mohsa. Dzi ki swoim w a ciwo ciom optycznym kryszta górski jest stosowany w soczewkach i pryzmatach, a jego w a ciwo ci piezoelektryczne s wykorzystywane do kontroli drga obwodów elektrycznych. Materia wykorzystany do bada nad procesem kruszenia, po zmieleniu w m ynie wibracyjnym, by nast pnie stosowany w przemy le farmaceutycznym. 3. Stanowisko badawcze laboratoryjnej, wibracyjnej kruszarki szcz kowej Rys. 1. Próbka 1 kryszta u górskiego. Fig. 1. A sample 1 of rock crystal. Rys. 2. Próbka 2 kryszta u górskiego. Fig. 2. A samples 2 of rock crystal. Stanowisko badawcze wibracyjnej kruszarki szcz kowej typu KW 40/1 przedstawiono na Rys. 3, a schemat jego budowy na Rys. 4. Zespó roboczy kruszarki stanowi dwie ruchome szcz ki (1) zamocowane wahliwie u do u. Uk ady spr yste (6) dociskaj obie szcz ki do rolek nap dowych wibratorów kinematycznych (2). Jedna ze szcz k ma mechanizm regulacji szczeliny wylotowej (5). Oba wa y wibratora sprz - one s przek adni a cuchow (7), przenosz c moment nap dowy z silnika elektrycznego (8). Ruch obu szcz k zachodzi w sposób przeciwsobny, to znaczy jednocze nie szcz ki zbli aj si do siebie lub od siebie oddalaj. Szcz ki kruszarki posiadaj wymienn g adk wyk adzin stalow wykonan ze stali odpornej na korozj, dopuszczon do kontaktu z farmaceutykami, spe niaj c wymagania GMP oraz GHP. Konstrukcja szcz k umo liwia zamocowanie na nich wyk adzin ceramicznych lub wyk adzin wykonanych z odpornych na zu ycie tworzyw polimerowych. Kruszarka MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 1, (2014) 33
J. SIDOR, M. MAZUR Rys. 3. Stanowisko badawcze wibracyjnej kruszarki szcz kowej [13]. Fig. 3. A test stand of the vibratory jaw crusher [13]. Rys. 4. Schemat budowy laboratoryjnej, wibracyjnej kruszarki szcz kowej KW-40/1 oraz jej stanowiska badawczego: 1 szcz ka, 2 wa mimo rodowy, 3 podparcie szcz ki regulacyjne, 4 podparcie szcz ki sta e, 5 mechanizm regulacji szczeliny, 6 uk ad spr ysty, 7 przek adnia a cuchowa, 8 silnik, 9 uk ad zasilania i sterowania, 10 czujnik pr dko ci obrotowej, 11 uk ad odpylania kruszarki i oczyszczania powietrza, WR watomierz rejestruj cy [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 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]. ma mo liwo regulacji skoku obu szcz k. Uk ad zasilania silnika elektrycznego (9) zapewnia zasilanie silnika oraz bezstopniow regulacj pr dko ci obrotowej wa ów wibratora, a tym samym cz stotliwo ci drga szcz k. Uk ad ten pe ni jeszcze rol zabezpieczenia kruszarki przed uszkodzeniem wskutek dostania si do strefy kruszenia elementów metalowych. Rozwi zanie techniczne kruszarki chronione jest patentem [4]. W sk ad stanowiska wchodz : laboratoryjna wibracyjna kruszarka szcz kowa KW40/1, zespó zasilania i regulacji pr dko ci obrotowej silnika kruszarki przetwornik cz stotliwo ci, uk ad pomiaru poboru mocy watomierz rejestruj cy, uk ad pomiaru cz stotliwo ci drga, uk ad odpylania i oczyszczania powietrza oraz przesiewacz wibracyjny z kompletem sit, waga laboratoryjna, stoper i komplet szczelinomierzy. 4. Program, realizacja i wyniki bada Program bada obejmowa okre lenie wp ywu uziarnienia nadawy i wielko ci szczeliny wylotowej kruszarki na uziarnienie produktu kruszenia, wydajno ca kowit kruszarki, wydajno zewn trznej klasy ziarnowej 0-1,0 mm oraz stopnie rozdrobnienia i 50 i i 90. Próby wykonywano przy ustalonej cz stotliwo ci drga szcz k równej 18 Hz. Zasilanie kruszarki wykonywano r cznie, staraj c si, aby strefa kruszenia by a wype niona w oko o 50% wysoko ci przy takim wype nieniu kruszarka uzyskiwa a najwi ksz wydajno. Ka d prób powtarzano dwukrotnie, a ko cowe wyniki stanowi redni arytmetyczn z dwóch prób. Analiz sitow nadawy i produktu kruszenia wykonywano na sucho zgodnie z norm PN C 04501:1971. Wydajno ca kowit kruszarki (kg/godz) obliczano z ilorazu masy próbki i czasu kruszenia liczonego od rozpocz cia procesu kruszenia do jego zako czenia. Wydajno klasy ziarnowej 0-1,0 mm okre lono poprzez iloczyn wydajno ci ca kowitej i procentowej zawarto ci tej klasy w produkcie kruszenia. Pierwsza seria bada mia a na celu okre lenie wp ywu wymiaru szczeliny wylotowej kruszarki na badane wska niki. Wykonano po dwie próby, wykorzystuj c próbki oznaczone symbolem 1, dla wielko ci szczeliny wylotowej wynosz cej 1,0 mm i 2,5 mm. Krzywe sk adu ziarnowego produktu kruszenia przedstawiono na Rys. 5, a pozosta e wyniki tej serii bada w Tabeli 1. 34 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 1, (2014)
BADANIA PROCESU ROZDRABNIANIA KRYSZTA U GÓRSKIEGO W WIBRACYJNEJ KRUSZARCE SZCZ KOWEJ 100 100 80 90 Próbka1- e=1,0mm Próbka1-e=2,5mm Nadawa 1 80 90 Próbka 1 Próbka 2 Nadawa 1 Nadawa 2 70 70 Przesiew [%] 60 40 50 Przesiew [%] 60 50 40 30 30 20 20 10 10 0 0.2 0.3 0.5 2 3 5 20 30 0.1 1 10 Wymiar oczka sita [mm] Rys. 5. Wp yw wielko ci szczeliny wylotowej (e) na uziarnienie produktu kruszenia. Fig. 5. Effects of outlet gap size (e) on the particle size distribution of crushing product. 0 0.2 0.3 0.5 2 3 5 20 30 0.1 1 10 Wymiar oczka sita [mm] Rys. 6. Wp yw uziarnienia nadawy na uziarnienie produktu kruszenia. Fig. 6. Effect of feed grain size on the particle size distribution of crushing product. Tabela 1 Warto ci badanych wska ników dla pierwszej serii kruszenia. Table 1. The values of examined indicators in the rst series of crushing. Wymiar szczeliny wylotowej e [mm] 1,0 2,5 Wydajno ca kowita [kg/h] 79,0 118,2 Wydajno klasy 0-1,0 mm [kg/h] 28,8 34,3 Stopie rozdrobnienia i 50 [-] 14,2 9,6 Stopie rozdrobnienia i 90 [-] 6,5 5,9 Tabela 2. Warto ci badanych wska ników dla drugiej serii kruszenia. Table 2. The values of examined indicators in the second series of crushing. Rodzaj próbki 1 2 Wydajno ca kowita [kg/h] 79,0 86,0 Wydajno klasy 0-1,0 mm [kg/h] 28,8 33,1 Stopie rozdrobnienia i 50 [-] 14,2 14,9 Stopie rozdrobnienia i 90 [-] 6,5 6,7 Druga seria bada mia a na celu okre lenie wp ywu uziarnienia nadawy na uziarnienie produktu kruszenia oraz pozosta e badane wska niki. Wykonano dwie próby, wykorzystuj c próbki oznaczone symbolem 2, wielko szczeliny wylotowej kruszarki e = 1,0 mm i cz stotliwo drga szcz k f = 18 Hz, a otrzymane wyniki porównano z wynikami kruszenia próbki 1, otrzymanymi dla tej samej wielko ci szczeliny wylotowej. Krzywe sk adu ziarnowego produktu kruszenia przedstawiono na Rys. 6. Wyniki drugiej serii bada przedstawiono w Tabeli 2. Na Rys. 7 przedstawiono porównawczo kryszta górski przed i po kruszeniu. 5. Podsumowanie Proces kruszenia kryszta u górskiego przebiega bardzo intensywnie. Na uziarnienie produktu kruszenia oraz na pozosta- e wska niki - wydajno ca kowit kruszarki, wydajno klasy ziarnowej 0-1,0 mm oraz stopnie rozdrobnienia i 50 i i 90 - najwi kszy wp yw mia a wielko szczeliny wylotowej kruszarki. Wraz ze wzrostem wielko ci szczeliny ros a wydajno ca kowita kruszarki, a mala a warto stopnia rozdrobnienia, zarówno i 50 jak i i 90. Pomimo spadku stopnia rozdrobnienia wydajno zewn trznej klasy ziarnowej 0-1,0 mm wzros a Rys. 7. Kryszta górski po i przed kruszeniem. Fig. 7. Rock crystal before and after crushing. ze wzgl du na wzrost wydajno ci ca kowitej kruszarki. Stwierdzono równie, e sk ad ziarnowy nadawy ma niewielki wp yw na uziarnienie produktu kruszenia. Potwierdza to znan z wcze niejszych bada cech wibracyjnych kruszarek szcz kowych o wymuszeniu kinematycznym. Kruszarka ta umo liwia uzyskanie stabilnego sk adu ziarnowego produktu niezale nie od uziarnienia nadawy. Jest to g ówna zaleta tych kruszarek w stosunku do szcz kowych kruszarek MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 1, (2014) 35
J. SIDOR, M. MAZUR wibracyjnych o wymuszeniu bezw adno ciowym. Wyniki bada wskazuj, e wibracyjn kruszark szcz kow mo na stosowa do wst pnego rozdrabniania kryszta u górskiego. Literatura [1] Banaszewski, T.: Wibracyjna kruszarka szcz kowa, Patent PRL nr 62930, 1971. [2] Banaszewski, T.: Wibracyjna kruszarka szcz kowa, Patent PRL nr 69785, 1974. [3] Banaszewski, T., Kobia ka, R., Blaschke, J.: Badania nad mo liwo ci wykorzystania wibracyjnej kruszarki szcz kowej do celów przemys owych, Zeszyty Naukowe AGH, Górnictwo, nr 63, Kraków 1974, 77-86. [4] Drzyma a, Z., Sidor, J., Kaczmarczyk, S., Ma ków, E. i inni: Kruszarka wibracyjna, Patent PRL nr 133 128, 1986 [5] Sidor, J.: Niektóre wyniki bada 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 ódzkiej, nr 779, In ynieria Chemiczna, z. 21, ód 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 Construction 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, In ynieria i Aparatura Chemiczna, nr 3s, (2004), 137-138. [10] Sidor, J.: Badanie recyklingu rdzeni ferrytowych m ynów wibracyjnych, In ynieria i Aparatura Chemiczna, nr 3s, (2005), 72-73. [11] Sidor, J.: Badania procesu bardzo drobnego kruszenia odpadów produkcyjnych ceramiki sanitarnej w kruszarce wibracyjnej, Monogra e Wydz. In ynierii Mechanicznej i Robotyki AGH Kraków, tom 32, (2006), 277-286. [12] Sidor, J.: Preliminary investigations of industrial line of mechanical processing of ceramic wastes for recycling, Polish Journal of Environmental Studies, 17, 3A, (2008), 507 510. [13] Sidor, J., Mazur, M.: Niektóre wyniki bada procesu kruszenia wibracyjnego surowców mineralnych, Przegl d Górniczy, 67, 11, (2011), 106-111. [14] www.stroyteh/ru/wiki/ MEXAHOBR, 2011. Otrzymano 18 wrze nia 2013, zaakceptowano 26 stycznia 2014 36 MATERIA Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 1, (2014)