專利名稱：超高能低溫沖擊系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高能沖擊系統(tǒng)和方法，其中在改進(jìn)的氣態(tài)環(huán)境或氣氛中進(jìn)行研磨超作。更具體地講，本發(fā)明涉及這樣的一種超高能沖擊系統(tǒng)和方法，其中在減壓下或在輕質(zhì)氣體氣氛中低溫或者稱為冷凍或深冷溫度下進(jìn)行研磨操作。
掩埋或填筑地短缺已迫切要求將目前掩埋處置的物料循環(huán)使用。例如，橡膠輪胎及許多塑料制品現(xiàn)已循環(huán)用作許多新用途，其中一種用途涉及到研磨循環(huán)的橡膠或塑料，并將所得研磨產(chǎn)物與鋪路物料混合。的確，美國聯(lián)邦立法目前要求在聯(lián)邦財政資助的道路上采用研磨的輪胎橡膠。
在常規(guī)的研磨操作，包括低溫研磨操作中，采用轉(zhuǎn)子提供沿著物料中的細(xì)微裂紋或位錯或斷層使該物料破裂所需的速度或沖擊能量。例如，可在典型的低溫錘式研磨機(jī)中將橡膠輪胎顆粒研磨成研磨橡膠產(chǎn)品，其中全部產(chǎn)品小于30美國篩目并且40％的產(chǎn)品小于80美國篩目。為了達(dá)到更小的顆粒尺寸或粒徑，通常需增大研磨機(jī)中轉(zhuǎn)子的速度以增加提供給橡膠顆粒的沖擊能量。但是，過去想將物料粒徑進(jìn)一步縮小到30美國篩目以下的嘗試卻降低了產(chǎn)量(即研磨機(jī)每小時產(chǎn)出的物料磅數(shù))并且明顯提高了用于將輪胎橡膠顆粒溫度降到低溫水平的冷卻劑的消耗量。
此外，在這樣低的篩目粒徑之下通常缺乏提供破裂部位并且導(dǎo)致在相當(dāng)?shù)偷臎_擊速度(低于約400英尺/秒(“FPS”))下脆裂的顆粒位錯或斷層。因此，通過脆裂機(jī)理進(jìn)一步縮小粒徑就要求更高的轉(zhuǎn)子速度以產(chǎn)生更高的沖擊速度。但是，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度受到轉(zhuǎn)子構(gòu)造材料和轉(zhuǎn)子本身的幾何尺寸或設(shè)計方案的限制。例如，在接近600-800FPS的速度下，常規(guī)轉(zhuǎn)子傾向于碎裂，并且轉(zhuǎn)子所用的軸承和密封傾向于毀壞。
轉(zhuǎn)子速度明顯提高還會增大氣體阻力或抗力，從而導(dǎo)致操作無效。更具體地講，氣體阻力增大會減少進(jìn)行研磨操作的動力。例如，轉(zhuǎn)子末端受到達(dá)到約600FPS的研磨機(jī)的約85-90％的操作動力會由氣體阻力消耗掉。
在這類研磨機(jī)的操作過程之中產(chǎn)生的抗力和摩擦力還會提高轉(zhuǎn)子溫度和正在研磨的物料溫度。這種溫度的提高會給研磨操作效率和被研磨物料的完整性帶來不利的影響。
一般來說，已知在設(shè)有大直徑轉(zhuǎn)子的高速電機(jī)中，通過在氫氣環(huán)境中操作可將空氣摩擦引起的失效降低約85-93％。
第4645131號美國專利公開了磨粉機(jī)，其中采用真空降低作用于金屬粉末的阻力或抗力。據(jù)說該磨粉機(jī)可將溫度低至例如-100°F的金屬粉末磨制達(dá)到小于20μm(625美國篩目)的粒徑。據(jù)報道，可用真空降低作用于被研磨金屬粉末的阻力，試圖最大限度地減少對研磨操作的干擾，因?yàn)檫@種粒徑的顆粒質(zhì)量極小并且在環(huán)境條件下產(chǎn)生的阻力有可能使顆粒懸浮。此外，可用真空防止金屬氧化，金屬在環(huán)境條件下會氧化并且隨著粒徑的縮小(和表面積增大)氧化會更加深入。
為熱敏材料開發(fā)的一種已知研磨機(jī)是Victory Mill，可從Hosokawa Micron，Summit，New Jersey得到。這種Hosokawa研磨機(jī)通過沖擊研磨方式操作并且設(shè)計來使熱敏材料(如熱塑性材料)達(dá)到粗至中等程度的粒徑縮小。還設(shè)想這種研磨機(jī)在不用冷卻劑的情況下在常規(guī)環(huán)境氣氛中使用，當(dāng)然亦可采用空氣冷卻。該研磨機(jī)的轉(zhuǎn)子已設(shè)計來降低正在研磨的顆粒之間的摩擦，當(dāng)然該研磨機(jī)不是設(shè)計來在接近聲速的速度下操作的。
過去，在希望得到粒徑小于某一篩目的顆粒時，可將研磨機(jī)出來的物料通過具有該篩目的篩網(wǎng)，從而得到粒徑小于該篩網(wǎng)孔徑或篩目的顆粒。剩下的材料(即沒有通過篩網(wǎng)的物料)可循環(huán)送入該研磨機(jī)的進(jìn)料，或送入另外的研磨機(jī)中以進(jìn)一步縮小尺寸。由于更細(xì)的(即更小粒徑的)材料傾向于干擾更大粒徑材料的研磨操作，所以這種循環(huán)會使研磨操作無效。此外，這樣采用另外的研磨機(jī)按照不同于脆裂的主要機(jī)理進(jìn)一步縮小粒徑又會降低被研磨物料的產(chǎn)量。這樣提高了達(dá)到同等粒徑縮小程度所需的費(fèi)用(如高能耗)。
常用于縮小粒徑的另一方法是濕研磨，其中水平齒狀石輪和水消散研磨操作產(chǎn)生的熱量，但是，在這種濕磨技術(shù)中，水需要與被研磨產(chǎn)品分開。這明顯影響該工藝的效率。
因此，目前需要可將物料研磨達(dá)到細(xì)粒徑(如達(dá)到約80美國篩目以下(如小于約177μm))，而同時又不會出現(xiàn)上述缺陷的沖擊系統(tǒng)。還希望該系統(tǒng)在改進(jìn)的氣態(tài)氣氛中研磨物料以降低由此造成的氣體阻力和摩擦力。也希望該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子以末端速度操作的情況下研磨物料并且在低溫條件下，特別是在冷凍或深冷條件下提高被研磨物料的脆性。
因此，本發(fā)明目的是提出超高能沖擊系統(tǒng)，其中在改進(jìn)的氣態(tài)氣氛中進(jìn)行研磨操作段。
本發(fā)明另一目的是提出可在研磨之前將待研磨物料冷卻，優(yōu)選冷卻到冷凍溫度的這類超高能系統(tǒng)。
本發(fā)明再一目的是提出通過在研磨之前將物料冷卻并在改進(jìn)的氣態(tài)氣氛中研磨被冷卻物料而縮小該物料粒徑的方法。
本發(fā)明涉及可將物料粒徑縮小到小至約40μm，優(yōu)選約125μm-約250μm的平均粒徑的超高能沖擊系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括將物料冷卻到-約40°F至-約450°F，優(yōu)選-110°F至-約320°F的冷卻段；將被冷卻物料粒徑縮小的研磨段，其中包括轉(zhuǎn)子在約600-約1500FPS，優(yōu)選至少950FPS的末端速度下操作，并且轉(zhuǎn)子與冷卻段下游流體相通；以及改進(jìn)研磨段中氣態(tài)氣氛的氣氛改進(jìn)劑。
本發(fā)明還涉及將物料研磨達(dá)到小至約40μm，優(yōu)選約125μm-約250μm的平均粒徑的方法。該方法包括將物料冷卻到約-40°F至-約450°F，優(yōu)選-110°F至-約450°F的低溫，將被冷卻物料輸送到研磨段，以及在改進(jìn)的氣態(tài)氣氛中用在約600-約1500FPS，優(yōu)選至少950FPS的末端速度下操作的轉(zhuǎn)子研磨。
優(yōu)選的是，被研磨物料為輪胎橡膠顆粒或熱塑性材料顆粒并且冷卻段將該物料冷卻到-約320°F。研磨段中的氣氛優(yōu)選為基本上處于約20-約29.9英寸汞柱的減壓下，或包括輕質(zhì)氣體如氫氣或氦氣。
本技術(shù)領(lǐng)域里的普通技術(shù)人員從以下對優(yōu)選實(shí)施方案的說明和附圖
之中可以清楚地看出本發(fā)明的其他目的，特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖為本發(fā)明超高能沖擊系統(tǒng)示意圖。
本發(fā)明超高能沖擊系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)而有效的方式研磨物料。更具體地講，本發(fā)明超高能沖擊系統(tǒng)在改進(jìn)的氣態(tài)氣氛中低溫下將物料粒徑縮小到小至約40μm平均粒徑，優(yōu)選縮小到約125μm-約250μm平均粒徑，更優(yōu)選縮小到約177μm平均粒徑。優(yōu)選的是，研磨段在減壓環(huán)境中冷凍或深冷溫度條件(該條件由待研磨的被冷卻物料提供)下操作。該系統(tǒng)及其操作詳見以下說明。
參見附圖，待研磨物料放在料斗2中。適當(dāng)待研磨物料包括但不僅限于金屬(如鈦，鋅等)，塑料(如熱塑性塑料如聚丙烯酸酯，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯等，或熱固性塑料如環(huán)氧化物)，彈性體(如橡膠)，化學(xué)品(如碳酸氫鈉，二氧化錳等)，食品(如核，干果，柑橘植物殼，干酪，糖等)以及與食品有關(guān)的制品(如調(diào)料)，雜物(如動物軟骨和動物器官)等。具體例子包括輪胎橡膠，熱塑性材料，熱固性材料和調(diào)料或香料。兩種優(yōu)選的待研磨物料例子是小于4個美國篩目的輪胎橡膠顆粒和1/8英寸的聚乙烯或聚丙烯顆粒。
另外的獨(dú)立的進(jìn)料器如能夠提供基本上恒定的進(jìn)料質(zhì)量物流(如±2％)的精密類型加料器可用作料斗2。料斗2暫時儲存待研磨物料并控制向冷卻段3及最終向該系統(tǒng)研磨段4送入的物料進(jìn)料速度。進(jìn)料速度是加入冷卻段3并以重量計的物料量。在整個系統(tǒng)之中，進(jìn)料速度基本上保持恒定，并且受到控制以便讓適當(dāng)量的物料進(jìn)入冷卻段3而達(dá)到足夠的冷卻后再進(jìn)入研磨段4而使其達(dá)到有效的粒徑縮小。實(shí)際上，觀察研磨段4的馬力情況即可確定進(jìn)料速度。
采用常規(guī)加料技術(shù)(如螺桿加料器)可將物料從料斗2送入冷卻段3，在其中將物料冷卻。在冷卻段3中，待研磨物料溫度降低以提高脆性和易破裂性。在冷卻段3中物料冷卻后的溫度應(yīng)低于物料的脆化或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。例如，對于某些脆性物料(如許多熱固性物料如環(huán)氧化物)，通過空氣冷卻如用空冷裝置將其溫度降到略低于室溫的溫度即以足夠。對于其他物料(如橡膠或熱塑性物料)，將待研磨物料冷卻到冷凍或深冷溫度可能更符合要求。
在優(yōu)選方式中，冷卻段3是冷凍或深冷段，其中將待研磨物料冷卻到-約40°F至-約450°F，優(yōu)選-約320°F的低溫。通常，液化氣如液氮，液氦，液氧，液氬或液態(tài)二氧化碳可將溫度降低到該范圍之內(nèi)。也可用固態(tài)二氧化碳(亦稱干冰)。優(yōu)選的液化氣為液氮，用該液化氣可使溫度低至-320°F。
在冷卻段3中，可如同常規(guī)低溫或冷凍研磨操作而通過與冷卻劑或冷凍劑如液氮逆流換熱或并流換熱而直接冷卻待研磨物料。
冷卻段3包括排氣管6，可用該管排出用過的冷凍劑(如空氣或蒸發(fā)氣體如蒸發(fā)的氮?dú)猓舭l(fā)的氦氣或蒸發(fā)的氬氣)。從安全角度看，排出的氣體應(yīng)收集起來并從操作區(qū)域移出。
被冷卻的物料再通過例如重力并經(jīng)過氣密的旋轉(zhuǎn)進(jìn)料閘5或其他合適的氣密裝置送入研磨段4。氣密旋轉(zhuǎn)進(jìn)料閘(5和7)是密閉或絕熱的并且還將研磨段4密封而使其不透環(huán)境氣氛，從而讓被冷卻物料進(jìn)入(并在研磨后排出)，但又可防止真空損失或輕質(zhì)氣體逸出和向其中引入環(huán)境氣體。密閉或絕熱是很重要的，因?yàn)榇心ノ锪弦獙⒗淞繌睦鋮s段3帶到研磨段4。由于提供了可按本發(fā)明進(jìn)行研磨的改進(jìn)的氣態(tài)氣氛，所以無需向研磨段4提供另外的冷卻或冷凍劑。又由于待研磨物料在確定的停留時間內(nèi)經(jīng)過研磨段4，所以可有利地在物料進(jìn)入研磨段4之前在冷卻段3中有效地進(jìn)行冷卻。而且，如上所述，這種預(yù)冷卻可通過與冷卻或冷凍劑直接接觸而完成。這樣可最大限度地降低制冷損失，而單獨(dú)制冷如在系統(tǒng)之中給各段提供殼體而達(dá)到冷卻或冷凍時就可能出現(xiàn)制冷損失。
此外，如上所述，該系統(tǒng)的研磨段4在改進(jìn)的氣態(tài)氣氛中操作。優(yōu)選的是，改進(jìn)的氣態(tài)氣氛是減壓氣氛如真空，這可由連續(xù)操作的真空泵(未示出)維持。真空泵應(yīng)將研磨段的壓力降低到基本上處于約15-約29.9英寸汞柱，優(yōu)選約20-約28英寸汞柱的范圍內(nèi)。
另一方面，研磨段4的改進(jìn)的氣態(tài)氣氛可以是輕質(zhì)氣體氣氛。進(jìn)行本發(fā)明的合適輕質(zhì)氣體是氫氣或氦氣。
可先用真空泵(未示出)將研磨段4抽空后從合適的氣源向研磨段4注入輕質(zhì)氣體而將輕質(zhì)氣體引入研磨段4之中。例如，真空泵可提供約28英寸汞柱的真空以從中抽出空氣。通過采用合適的閥而使其中的真空不致于打破并且不引入環(huán)境條件，然后即可向其中引入輕質(zhì)氣體。此外，在研磨段4中的環(huán)境空氣可用輕質(zhì)氣體置換，這可通過略為加壓(如5英寸水柱)但加壓足以這樣置換環(huán)境空氣。但是，在輕質(zhì)氣體氣氛之中，并象在減壓氣氛中那樣明顯地減少氣體阻力。
在研磨段4之中有轉(zhuǎn)子(未示出)。該轉(zhuǎn)子可用各種材料，包括但不僅限于用不銹鋼，鎳鋼，鈦(特別是在需要高強(qiáng)度與質(zhì)量比的情況下用)，以及適合于低溫或冷凍操作的其他合金鑄造，機(jī)加工，焊接和磨制或裝配而成。優(yōu)選的是，轉(zhuǎn)子有符合空氣動力學(xué)的幾何構(gòu)型以盡可能減少氣體阻力。支持錘或沖擊表面的轉(zhuǎn)子輪轂具有盤狀或飛輪形狀，并且是流線型的以盡可能減少氣體阻力。
在操作中，轉(zhuǎn)子與物料接觸，其力足以提供足以使物料破裂的沖擊能量。例如，研磨轉(zhuǎn)子以約600-約1500FPS，優(yōu)選接近聲速(如約950FPS)的末端速度操作。
轉(zhuǎn)子在研磨段4中使物料粉碎或破裂。這樣粉碎或破裂的物料經(jīng)過研磨段4中的滯留篩或狹縫出料板(未示出)后再從該段中排出。上述篩可具有常規(guī)的設(shè)計形式或根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情形進(jìn)行按規(guī)定設(shè)計。滯留篩或出料板也用于延長物料在研磨段4中的停留時間，從而使物料有更大的機(jī)會與轉(zhuǎn)子接觸并且被縮小到符合要求的粒徑。被研磨的物料然后再在重力作用下經(jīng)過另一氣密旋轉(zhuǎn)空氣閘7送到處于大氣壓下的收集室(未示出)。
在優(yōu)選實(shí)施方式之中，輪胎橡膠顆粒(粒徑小于約4個美國篩目)在冷卻段冷卻到-約40°F以及按要求更低(如到-約320°F)，其中采用液氮作為冷卻劑。被冷卻的輪胎橡膠顆粒再送到研磨段，其氣氛已經(jīng)過改進(jìn)而達(dá)到減壓(如28英寸汞柱)。在研磨段中，轉(zhuǎn)子在高達(dá)1500FPS的末端速度下操作，待縮小粒徑的被冷卻輪胎橡膠顆粒與轉(zhuǎn)子接觸而被縮小到平均粒徑優(yōu)選為約125-約250μm，更優(yōu)選約177μm的粒度范圍。
在圖中僅僅為了方便而示出了本發(fā)明的具體特征，事實(shí)上本發(fā)明的每一特征均可與其他特征組合。本技術(shù)領(lǐng)域里的普通技術(shù)人員應(yīng)看到本發(fā)明還有其他實(shí)施方案，這已在權(quán)利要求書中作了定義。
權(quán)利要求
1.將物料粒徑縮小到小至約40μm平均粒徑的超高能沖擊系統(tǒng)，其中包括(a)將所述物料冷卻到-約40°F至-約450°F的冷卻段；(b)將所述被冷卻的物料粒徑縮小的研磨段，其中包括以約600-約1500FPS的末端速度操作的轉(zhuǎn)子；以及(c)改進(jìn)所述研磨段中氣態(tài)氣氛的氣氛改進(jìn)劑。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述冷卻段將所述物料冷卻到-約320°F。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述氣氛改進(jìn)劑將所述研磨段中的壓力降到約20-29.9英寸汞柱的壓力。
4.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述氣氛改進(jìn)劑使所述研磨段中具有輕質(zhì)氣體氣氛，所述輕質(zhì)氣體選自氫氣，氦氣及其混合物。
5.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述物料選自輪胎橡膠，熱塑性物料，熱固性物料，及其組合物。
6.將物料粒徑縮小到小至約40μm平均粒徑的方法，其步驟包括(a)將所述物料冷卻到-約40°F至-約450°F；以及(b)在改進(jìn)的氣態(tài)氣氛中用以約600-約1500FPS的末端速度操作的轉(zhuǎn)子研磨所得被冷卻的物料。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述改進(jìn)的氣態(tài)氣氛壓力為約20-29.9英寸汞柱的減壓。
8.權(quán)利要求6的方法，其中所述改進(jìn)的氣態(tài)氣氛為輕質(zhì)氣體氣氛。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述輕質(zhì)氣體選自氫氣，氦氣及其混合物。
10.將物料粒徑縮小到小至約40μm平均粒徑的方法，其步驟包括(a)將所述物料冷卻到約-320°F；以及(b)在約28英寸汞柱的真空下用以約950FPS的末端速度操作的轉(zhuǎn)子研磨所得被冷卻的物料。
全文摘要
本發(fā)明涉及將物料粒徑縮小到小至約40μm平均粒徑的超高能沖擊系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括將所述物料冷卻到-約40°F至-約450°F的冷卻段；將所述被冷卻的物料粒徑縮小的研磨段，其中包括以約600-約1500FPS的末端速度操作的轉(zhuǎn)子；以及改進(jìn)所述研磨段中氣態(tài)氣氛的氣氛改進(jìn)劑。
文檔編號B02C13/288GK1140643SQ96108839
公開日1997年1月22日 申請日期1996年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月30日
發(fā)明者F·N·施泰曼, R·H·科勒, R·B·戴維斯 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司