Применение технологии струйного фрезерования для повышения эффективности процесса

Кайл Шэнли, инженер-технолог, NETZSCH Premier Technologies LLC | 31 марта 2023 г.

В мире уменьшения размера частиц струйное измельчение всегда было идеальным средством получения мелких частиц. Струйные мельницы названы в честь источника энергии измельчения: сжатый газ расширяется через сопло или сопла, создавая высокоскоростную газовую струю. Хотя существовало множество вариантов конструкций оборудования, использующих эту базовую технологию, современные струйные мельницы с псевдоожиженным слоем с внутренней классификацией демонстрируют множество преимуществ по сравнению с другими типами струйных мельниц.

Они используют противоположные форсунки внутри слоя материала и встроенный динамический воздушный классификатор для контроля верхнего среза PSD (распределение частиц по размерам). Такая конфигурация обеспечивает высокоскоростные столкновения частиц внутри псевдоожиженного слоя, одновременно ограничивая высокоскоростной контакт с внутренними поверхностями мельницы. Это делает эти мельницы идеальными для обработки материалов различной твердости и абразивности без чрезмерного износа оборудования и загрязнения материала, а также для материалов, требующих высокой чистоты или чистого цвета. Скорость форсунок также может быть самой высокой среди всех технологий фрезерования, что позволяет им измельчать материалы до тончайшего PSD. Кроме того, поскольку в качестве средства измельчения используется газ, температуру очень легко контролировать, и можно добиться практически нулевого повышения температуры внутри мельницы.

Струйные мельницы являются наиболее гибкими и универсальными из всех технологий измельчения, но они часто оказываются недоступными для определенных применений и отраслей. Традиционный процесс струйного фрезерования часто работает при давлении шлифовального сопла около 7 бар при температуре 250°C. Воздушный компрессор должен использовать значительное количество энергии для получения сжатого воздуха при таком давлении и температуре. Еще больше энергии используется, если воздух должен быть обезжиренным и сухим, что часто встречается в процессах струйного фрезерования. Это оставляет наиболее универсальную и выгодную форму уменьшения размера частиц из многих процессов из-за высоких капитальных затрат или высоких затрат на энергию. Это привело к возникновению многих предубеждений о том, что струйное фрезерование предназначено только для дорогостоящих материалов, материалов, требующих высочайшего качества PSD, или материалов, требующих высокой энергии для измельчения. Однако правда в том, что струйную мельницу можно эксплуатировать по-разному, и она может быть идеальной для многих применений, которые исторически отвернулись от этой технологии. Здесь мы рассмотрим возможности создания эффективного процесса струйного измельчения, подходящего для широкого спектра применений, с упором на струйную мельницу с псевдоожиженным слоем.

Если мы хотим найти способы повысить энергоэффективность и стоимость процесса струйного фрезерования, мы должны обратить внимание на основной источник потребления энергии: воздушный компрессор. В отрасли хорошо известно, что сжатие воздуха по своей сути не является эффективным процессом: эффективность многих компрессоров высокого давления составляет 40–60%. Чтобы решить эту проблему, мы рассмотрим стандартный двухступенчатый безмасляный воздушный компрессор (рис. 1). Чтобы достичь желаемого давления и температуры, окружающий воздух сначала сжимается примерно до 4 бар (изб.), после чего нагревается примерно до 2000°C. Затем этот воздух охлаждается и снова сжимается, при этом его давление достигает 8,0 бар (изб.) и снова нагревается примерно до 1600°C (точные значения могут отличаться). Если необходим шлифовальный воздух температуры окружающей среды, этот воздух теперь необходимо снова охладить, и нам остается сделать четыре шага, чтобы получить сжатый воздух высокого давления и температуры окружающей среды. Итак, что, если мы начнем удалять некоторые из этих ступеней из воздушного компрессора?

Рисунок 1. Ступени безмасляного воздушного компрессора

Мы можем рассмотреть два основных сценария: удаление последней ступени охлаждения, что дает нам давление до 8 бар изб. и температуру воздуха 1600°C, или удаление обеих ступеней охлаждения и второй ступени сжатия, что дает нам давление до 4 бар изб. и 2000°C. Но мы должны понимать, как это повлияет на работу наших реактивных станков? Ниже вы можете увидеть некоторые значения, которые могут быть достигнуты на струйной мельнице с псевдоожиженным слоем обычной конструкции.

Рисунок 2. Сценарии струйной мельницы с псевдоожиженным слоем NETZSCH CGS 50.