DE68928152T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialzerkleinerung - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zum Mahlen vom Material, wobei ein Schallgenerator zur Übertragung von Energie in Fluidmedia benutzt wird, und insbesondere auf einen Schallgenerator, bei dem das Resonanzteil im wesentlichen ungedämpft ist, wenn es vibriert.
• Schallgeneratoren, die zum Umwandeln elektrischer Energie in akustische und genetische Energie zur übertragung in Fluidmedia benutzt werden, sind bekannt. Solche Einrichtungen sind zum Beispiel in der britischen Patentschrift 2 152 728 an Bodine und in der US-Patentschrift 2 468 515 an Robinson dargestellt.
• Die dort offenbarten Schallgeneratoren leiden jedoch unter Nachteilen. Zum Beispiel benutzt das von Bodine in dem oben erwähnten britischen Patent gelehrte Gerät Resonanzantriebe ähnlich den Arten, wie sie in Bodines US-Patenten 3 633 877, 3 684 037, 3 360 056 und 4 265 129 beschrieben sind. Solche Antriebe begrenzen den oberen Frequenzbereich, den solche Einheiten auf ein Fluidmedium übertragen können. Da die Übertragung von akustischer Leistung zwischen dem Resonanzstab und dem Fluid bei niedrigen Frequenzen weniger effektiv ist, senkt die Frequenzbeschränkung die akustische Effektivität der Bodine-Geräte. Bodine benutzt auch notwendigerweise eine Koppelung zwischen seinen Oszillatoren umlaufender Masse und seinem Resonanzstab, was versucht, die Trägheitskräfte des vibrierenden Stabes von den Oszillatoren zu isolieren. Ohne solche Verbindung ist die Größe der erzeugten Kräfte ausreichend, ein relativ schnelles Versagen der Antriebsmotoren für die Oszillatoren umlaufender Masse zu bewirken, ob sie hydraulisch oder elektrisch sind.
• Die oben identifizierte Robinson-Druckschrift lehrt das Einspannen eines Resonanzstabes mit einer Stahlbuchse an entsprechend gegenüber angeordneten Endabschnitten des Stabes. Solche Lagerung bewirkt, daß Energie durch die Stahlbuchsenlagerungsstruktur verloren geht, wobei die Energie besser in dem Fluidmedium benutzt wurde. Dieses ist auch der Fall, da Robinsons Verfahren nicht eine freie und ungedämmte Vibration des Resonanzteiles erlaubt. Dagegen ist das Resonanzteil durch die Stahlhaltebuchsen gezwungen, eine spezielle Modenform anzunehmen. Robinsons Struktur übt auch eine sehr hohe Spannungskonzentration auf das Resonanzteil an beiden Lagerpunkten und an dem Punkt der maximalen Biegespannung aus. Solche Spannungskonzentration kann schließlich unnötige Beschädigung des Resonanzteiles und/oder zu frühes Versagen verursachen. Sie begrenzt auch die mechanischen Spannungen, die von dem Teil ohne Versagen ausgehalten werden können.
• Existierende Vibrationsschleifer bestehen im allgemeinen aus einem starren Gehäuse, das die Schleifmedia wie Stahlkugeln enthält und auf einem Federsystem zur Lagerung und Vibrationsisola tion angebracht ist. Die Vibration wird durch eine drehende unwuchtige Welle übertragen, die starr an dem Körper der Schleifeinheit angebracht ist, oder durch einen Elektromotor unter Benutzung eines angeformten unwuchtigen Gewichtes, das direkt an dem Gehäuse angebracht ist.
• Die Ausführungsform mit der unwuchtigen Welle ist typischerweise durch einen Standardelektromotor über eine Kardanwelle zum Trennen des Motors von der Vibration oder dem exzentrischen Gewicht, das einstückig mit dem Motor ist, angetrieben. Falls das letztere der Fall ist, vibriert der Elektromotor mit im wesentlichen der gleichen Intensität wie der Schleifer selber.
• Wenn Vibration mit einem exzentrischen Gewicht induziert wird, werden Kräfte eingeführt, die von dem Drehteil über Lager zu dem Körper des Schleifers übertragen werden müssen, diese Kräfte steigen mit dem Quadrat der Vibrationsfrequenz, was praktisch die Vibrationsfrequenz auf 30 Hz bei kommerziellen Anwendungen beschränkt wegen der sehr großen Kräfte, die zum Vibrieren der Masse der Schleifeinheit notwendig sind, wenn sich die Frequenz erhöht. Wenn sich die Drehfrequenz erhöht, tritt eine Beschränkung der Rollenlager in ihrer Belastungskapazität auf.
• Wenn bestehende Vibratorkonstruktionen als Resonanzschleifer bezeichnet werden, bedeutet das nur, daß die Vibrationsfrequenz der Eigenfrequenz des Feder-Massensystemes entspricht, das zum Isolieren des Schleifers benutzt wird. Resonanztätigkeit solcher Schleifer erhöht die Energieeffektivität in dem System. Es ist jedoch schwierig, die notwendige Vibrationsamplitude für den Schleifer bei der benötigten Federsteifheit für die großen Schleifmassen zu erhalten.
• Aus der AU 419 984 A sind ein Zerkleinerungsverfahren und eine Zerkleinerungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 4 bekannt. Das zu zerkleinernde Material wird zwischen einer festen Backe und einer bewegbaren Backe zertrümmert, wobei die bewegbare Backe durch Längsvibrationen des Teiles angetrieben wird.
• Aus der DE 872 144 C sind ein Verfahren zum Zerkleinern von Material und eine Zerkleinerungsvorrichtung bekannt, bei denen das Material in einer Kugelschwingmühle mit einer Zerkleinerungskammer zertrümmert wird. Sie wird durch Zug- und Druckfedern als federnde Tragmittel getragen.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzusehen, die die anfänglich erwähnten Nachteile vermeiden und die insbesondere eine verbesserte Leistungsübertragung auf das zu zerkleinernde Material vorsehen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder eine Vorrichtung nach Anspruch 4. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.
• Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung wird nun als Beispiel nur unter Benutzung der Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Figur 1A eine diagrammartige Frontansicht eines Schallgenerators ist, der bei einer Zerkleinerungsvorrichtung einer Ausführungsform der Erfindung benutzt wird;
• Figur 1B eine diagrammartige Ansicht der zweiten Modenform des Figur 1A entsprechenden Generators ist;
• Figur 2 eine Endansicht des Schallgenerators von Figur 1 ist;
• Figuren 3A bis 3D diagrammartig das Resonanzteil in seinen verschiedenen charakteristischen Modenformen zeigen;
• Figur 4 eine vergrößerte Seitenansicht der Motorbefestigungsfläche des Schallgenerators gemäß der Erfindung ist;
• Figur 5 ein Ende der Motorbefestigungsfläche von Figur 4 ist, die entlang der Ebene V-V von Figur 4 genommen ist;
• Figur 6a eine Seitenansicht ist, die den Schallgenerator in einem Betriebszustand in einem bewegten Tank darstellt;
• Figur 6B eine Draufsicht des Schallgenerators von 6a ist;
• Figur 7 eine Endansicht der elektromagnetischen Erregungseinhei ten und der an dem Stab durch das Anbringungsmittel angebrachten Anker ist;
• Figur 8 eine teilweise Seitenansicht von Figur 7 ist;
• Figur 9A eine teilweise Schnittseitenansicht des Resonanzteiles von Figur 1 ist, wobei Schleifkammern angebracht sind, und eine Ausführungsform der Zerkleinerungsvorrichtung der Erfindung gebildet ist;
• Figur 9B eine Endansicht ist, die von der rechten Seite von Figur 9A genommen ist;
• Figur 9C eine Endschnittansicht ist, die entlang IXB-IXB von Figur 9A genommen ist; und
• Figur 10 eine diagrammartige Ansicht des Resonanzteiles von Figur 9 bei der ersten Resonanzfrequenz ist.
• Es wird jetzt Bezug genommen auf die Zeichnungen, ein Schallgenerator wird im allgemeinen mit 10 in Figur 1A bezeichnet. Er weist ein Resonanzteil wie einen Stab oder ein Rohr 11 auf, das sich im wesentlichen über die Länge des Generators 10 erstreckt und an einem Ende in einem Gehäuse 20 angebracht ist.
• Zwei elektromagnetische Erregungseinheiten 13 variabler Frequenz (von denen nur eine in Figur 9A dargestellt ist), von denen jede aus einem Elektromagneten pro Phase besteht, werden durch eine Dreiphasenwechselstromversorgung (nicht dargestellt) angetrieben. Die Ankerkomponenten sind starr unter Benutzung einer geschraubten, geklemmten oder. geschweißten Verbindung angebracht. Sie können direkt auf dem Stab angebracht sein, wenn sie an einem freien Ende angeordnet sind, oder, wenn sie sonstwie angeordnet sind, an einer Erregungseinheitenisolationshülse 14. Die Hülse ist aus einem Metallrohr, bevorzugt Stahl, gemacht, das konzentrisch um den Resonanzstab angeordnet ist und einen Innendurchmesser 22 aufweist, der ein wenig größer als der Außendurchmesser des Resonanzstabes 11 ist und eine Länge aufweist, die wünschenswert mindestens so groß wie sein Durchmesser ist. Der ringförmige Raum zwischen dem Innendurchmesser der Isolationshülse 14 und dem Außendurchmesser des Resonanzstabes 11 ist fest mit einer federnden Elastomerverbindung 21 wie Urethan gefüllt. Urethan verbindet weiter fest die Hülse 14 mit der Stange 11.
• Es sei angenommen, daß der Schallgenerator 10 in seinem Fluidmedium anzubringen ist, wie in Figur 6 gezeigt ist, so daß im Betrieb, wenn der Schallgenerator 10 tätig ist, Energie von dem Resonanzstab 11 des Schallgenerators 10 zu dem Fluidmedium 15 übertragen wird.
• Die Modenform des Resonanzteiles 11 einschließlich der Isolationshülsen 14 und der Anker 12 ist für verschiedene Eigenfrequenzen des Systemes bekannt. Zum Beispiel und unter Bezugnahme auf Figur 3, der nicht durchgebogene Resonanzstab 11 ist diagrammartig in Figur 3A dargestellt, und die drei Modenformen für die untersten Eigenfrequenzen des Teiles 11 sind in Figuren 3B, 3C bzw. 3D dargestellt.
• Zum Erregen des Resonanzteiles 11 werden die magnetischen Erregungseinheiten 13 mit der gewünschten Eigenfrequenz des Resonanzteiles 11 durch eine Dreiphasenwechselstromspannungsversorgung (nicht gezeigt) variabler Frequenz erregt. Jede Phase der Spannungsversorgung erregt eine der Phasen der magnetischen Erregungseinheiten 13. Jede Phase der Erregungseinheiten 13 ist in einem Abstand von 120 Grad radial um das Resonanzteil 11 derart angeordnet, wie in Figur 2 gezeigt ist, das der durch die Erregungseinheit erzeugte Kraftvektor mit einer konstanten Rate um die Längsachse 16 des Resonanzteiles 11 mit der Treiberfrequenz rotiert. Dieses bewirkt eine dreidimensionale Nutationsvibration des Resonanzteiles, die es ermöglicht, daß akustische Energie radial von dem Resonanzstab 11 in alle Richtungen abgestrahlt wird. Wenn das Teil 11 mit seiner Eigenfrequenz erregt wird, wird eine erhöhte Leistungsübertragungsfähigkeit für eine gegebene Erregungskraft erhalten.
• Der Resonanzstab 11 ist elastisch in dem Gehäuse 20, wie in Figur 1A dargestellt ist, an den Knotenpunkten angebracht, die diagrammartig in Figur 1B dargestellt sind und an denen eine Vibrationsamplitude des Resonanzstabes 11 von im wesentlichen null auftritt. Es ist vorteilhaft, den Resonanzstab 11 an dem Gehäuse an diesen Punkten anzubringen, da bei solch einer Anbringung relativ wenig Leistung durch den Knotenstützpositionierer 23 verlorengeht und die Anordnung, da es keine oder nur wenig Bewegung des Resonanzstabes 11 an diesen Knotenpunkten gibt, wenn der Resonanzstab 11 schwingt, des Resonanzsystemes, insbesondere der Anker 12 in Bezug auf die elektromagnetischen Erregungseinheiten 13 mit den Knotenstützpositionierern 23 mit guter Genauigkeit erreicht werden kann, wie in Figuren 7 und 8 dargestellt ist.
• Wie in Figur 1B zu sehen ist, sind vier (4) Punkte maximaler Amplitude dargestellt. Diese Punkte, die bei 24, 25, 30 und 31 gezeigt sind, sind Schwingungsbäuche. Innerhalb des Gehäuses 20 sind die Erregungseinheitenanker 12 an dem Resonanzstab 11 durch die Isolationshülsen 14 und die federnde Elastomerverbindung 21 an dem Punkt hoher Spannung oder dem Schwingungsbauch 30 angebracht. Ein federndes Anbringungsmittel 21 ist nicht an dem Schwingungsbauch 31 notwendig, da das freie Ende des Stabes 11 im wesentlichen nicht unter Spannung steht. Die Leistungsübertragung zwischen sowohl den elektromagnetischen Erregungseinheiten 13 und den Ankern 12 und dem Resonanzstab 11 und dem Fluidmedium 15 (Figur 6A), in dem der Schallgenerator 10 angebracht ist, ist am effektivsten an den Schwingungsbäuchen, da Leistung sowohl zu dem Fluidmedium 15 von dem Resonanzstab 11 als auch zu dem Resonanzstab 11 von den elektromagnetischen Erregungseinheiten 13 direkt proportional zu der Amplitude der Vibration des Resonanzstabes 11 übertragen wird.
• Die Benutzung der elastischen Elastomerkomponente und der Hülse 14 verringert die Spannungskonzentrationen, die durch die starre Anbringung wie durch Klemmen oder Schrauben oder Schweißen der Erregungseinheitenanker 12 direkt an der Stange auf die Resonanzstange 11 ausgeübt würden. Dies ist so, da die freie Oberfläche des Elastomers 21 ziemlich klein relativ zu der eingespannten Oberfläche ist, was zu einer Schicht mit sehr kleiner Kompressibilität führt. Somit übertragt sie praktisch die gesamte Kraft zwischen den Komponenten des Resonanzteiles 11, während zur gleichen Zeit das Elastomer 21 dem Resonanzstab 11 ermöglicht, sich im wesentlichen in ungedämpfter Konfiguration in seiner charakteristischen Modenform frei zu biegen, indem er die kleinen relativen Biegungen der Stange 11 absorbiert, die durch Biegung erzeugt wird, die der charakteristischen Modenform inhärent ist.
• Während die Elastomersubstanz 21, die zwischen dem Resonanzstab 11 und der Hülse 14 benutzt wird, als Urethan beschrieben ist, ist es klar, daß viele andere Substanzen mit den geeigneten Betriebseigenschaften benutzt werden können, einschließlich, wie beschrieben, federnder Elastomerkomponenten.
• Der Schallgenerator 10 ist als in einem Fluidmedium beschrieben, und es sollte verstanden werden, daß solch ein Fluidmedium eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Festkörper sein kann, der durch Schleifen auf eine endliche Teilchengröße fluidisiert ist.
• Bezug genommen wird nun auf die Figuren 9 und 10, wo der oben beschriebene Schallgenerator 35 in einer Schleifumgebung benutzt wird. Ein Resonanzteil 32 ist an Knotenanordnungen 33, 34 durch Luftkissen 36 (Figur 9C) gelagert, die aufgepumpt werden können und an den Knotenpunkten 33, 34 des Resonanzteiles 32 angeordnet werden können, wobei die Knotenpunkte berechnet worden sind oder durch einfaches Schwingen des Resonanzteiles 32 und Beobachten durch einfaches Schwingen des Resonanzteiles 32 und Beobachten der Knotenanordnungen gefunden worden sind. Super-Cushion-Air- Spring-Luftkissen, die von Goodyear hergestellt werden, wurden als geeignet gefunden.
• Die elektromagnetischen Antriebseinheiten 40, 41 sind mit dem Resonanzteil 32 bevorzugt an den Schwingungsbäuchen 42, 43 verbunden (Figur 9A) und mit der geeigneten Resonanzfrequenz des Teiles 32 erregt. Wie zuvor beschrieben wurde, bewirkt die Orientierung der Erregungseinheiten eine dreidimensionale Nutationsvibration des Resonanzteiles 42, was in eine Kreisbewegung der Schleifkammern 44, 50 umgesetzt wird, wenn sie entlang der Achse des Resonanzteiles 32 gesehen werden, was für die Schleifeffektivität wichtig ist. Die Schleifkammern 44, 50 sind an dem Resonanzteil 32, bevorzugt ebenfalls an den Schwingungsbäuchen 42, 43 durch Schrauben 47 angebracht. Die Schleifkammern 44, 50 und die Antriebseinheiten 40, 41 sind starr mit dem Resonanzteil 32 verbunden und werden zu Zwecken der Bestimmung der Modenform und der Resonanzfrequenzen im wesentlichen ein Teil des Resonanzteiles 32.
• Die Schleifkammern 44, 50 sind mit Schleifmedia 42 wie Stahl, Keramik, Gußeisen usw. gefüllt. Die Form der Media 45 ist willkürlich, obwohl Kugeln oder Zylinder bevorzugt sind. Die Behälter 44, 50 sind mit Stahikugeln einer geeigneten Größe zum Beispiel gefüllt, und das zu schleifende Material wird fluidisiert, damit es durch die Media 45 in die Schleifkammern 44, 50 fortschreitet.
• Das zu schleifende Material wird in die Schleifmedia 45 in den Schleifkammern 44, 50 durch einen Einlaß 52 eingeführt und den Auslaß 51 der Schleifkammern 44, 50 herausgeführt. Die Steuerung des zu schleifenden Materiales kann zum Beispiel durch Pumpen des fluidisierten Materiales in die Schleifkammern 44, 50 mit der gewünschten Rate erzielt werden.
• Zum Schleifen eines typisch goldtragenden Erzes wird überlegt, daß das Resonanzteil 32 ein Stahlstab mit einem Durchmesser von ungefähr 13 Zoll und einer Länge von ungefähr 120 Zoll sein soll. Mit solchen Abmessungen würde die Eigenfrequenz des Resonanzteiles 32 ungefähr 120 Hz sein. Die elektromagnetischen Antriebsmotoren 40, 21 weisen insgesamt eine Leistung von ungefähr 75 kW auf, und einer wird jeweils an den äußeren Schwingungsbäuchen 42, 43 angebracht. Bei der Resonanzfrequenz von 120 Hz gibt es drei Schwingungsbäuche 43, 42, 46 und zwei Schwingungsknoten 33, 34, wie in Figur 10 zu sehen ist, wobei ein Schwingungsbauch 46 in der Mitte des Resonanzteiles 32 angeordnet ist.
• Es wird gedacht, daß jede der Schleifkammern 44, 50 ein Volumen von ungefähr 15 Litern mit Abmessungen von ungefähr 20,3 cm (8 Zoll) im Durchmesser und ungefähr 45,7 cm (18 Zoll) in der Länge habe würde. Auswechselbare Ausfütterungen sind ebenfalls zur Benutzung zum bequemen Ersetzen gedacht, wenn die Ausfütterungen abgenutzt sind. Für Gold können Schleifmedia wie Stahl, Wolframkarbid, Zirkonerde, Tonerde benutzt werden. Mit dem gedachten und oben angegebenen Gerät ist eine Größenreduzierung von 1.500 bis 50 µm mit einer Rate von 500 Tonnen pro Tag beabsichtigt. Es ist zu erkennen, daß diese Größen nur ungefähr sind und daß unter tatsächlichen Betriebsbedingungen sie sich wesentlich ändern können.

Claims (10)

1. Verfahren der Materialzerkleinerung mit Stützen eines stabartigen oder rohrartigen Teiles (32) mit mindestens einer Resonanzfrequenz an Schwingungsknoten (33, 34) derart, daß das Teil im wesentlichen ungehindert ist, starres Anbringen mindestens einer zerkleinerungskammer (44, 50) auf dem Teil (32) an einem Punkt, der kein Schwingungsknoten (33, 34) ist, Einbringen von zerkleinerungsmittel (45) in die Zerkleinerungskammer (44, 50), elektromagnetisches Anregen des ungehinderten Teiles (32) bei einer Resonanzfrequenz des Teiles zum Schwingen in der Querrichtung an dem Punkt (42, 43), der kein Schwingungsknoten (33, 34) ist, Einführen von zu zerkleinerndem Material in die Zerkleinerungskammer (44, 50) und Entfernen des Materiales nach Durchgang durch das Zerkleinerungsmittel (45).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zerkleinerungskammer (44, 50) an einem Schwingungsbauch (42, 43) des Teiles (32) angebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Teil (32) elektromagnetisch mit einem Elektromagneten angeregt wird, der an einem Schwingungsbauch (46) des Teiles (32) angeordnet wird.

4. Zerkleinerungsvorrichtung mit einem stabartigen oder rohrartigen Teil (32) mit einer Mehrzahl von Schwingungsknoten (33, 34) und Schwingungsbäuchen (42, 43, 46) bei einer Resonanzfrequenz,

Anbringungsmittel (36), die zwischen einem Gehäuse und dem Teil (32) an mindestens zwei Schwingungsknoten (33, 34) des Teiles (32) angeordnet sind,

einem elektromagnetischen Antriebsmittel (40, 41), das an dem Teil (32) an mindestens einem Schwingungsbauch (46) angebracht ist,

gekennzeichnet durch mindestens eine zerkleinerungskammer (44, 50), die an dem Teil (32) nahe an einem Schwingungsbauch (42, 43) angebracht ist, und

bei dem die Anbringungsmittel (36) federnd sind und das Teil (32) in der Querrichtung an den schwingungsbäuchen (42, 43, 46) geschwungen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiter mit einem Mittel zum Ermöglichen von Material (45), das zu zerkleinern ist, in die Zerkleinerungskammer (44, 50) einzutreten und aus ihr auszutreten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Zerkleinerungskammer 44, 50) einstückig mit dem Teil (32) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Zerkleinerungskammer (44, 50) starr mit dem Teil (32) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der das Teil (32) frei zum Schwingen in der natürlichen Modenform des Teiles (32) ohne wesentliche Behinderung ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die der Zerkleinerungskammer (44, 50) zugeführten Schwingung im wesentlichen kreisförmig ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der das federnde Anbringungsmittel Luftsäcke (36) enthält.