PHYSICAL AND TECHNICAL BASICS OF GRINDING MATERIALS IN PIPE MILLS
Abstract and keywords
Abstract (English):
By using the ratio of the mass of grinding media to the mass of the grinding material in the laboratory it was studied the processes of grinding material in a ball mill. It was found the possibility of an intensification of the milling process as a result of the most dense ball load, which provides a high-energy grinding of the material due to the presence of two factors: the impulse of abrasion action (IAA) and impulse of impact compression (IIC). In pilot tests it was achieved increasing the productivity of ball mill by 15–20 %.

Keywords:
dense loading, impulse of abrasion action, impulse of impact compression
Text
Publication text (PDF): Read Download

Предпринят новых подход к исследованию измельчения в шаровых трубных мельницах [1–10], в основу которого положено применение не энергетических показателей процесса, как это общепринято в научно-технической литературе, а отношение масс взаимодействующих ингредиентов-мелющих тел и размалываемого материала. Отношение их масс позволило выделить фактор, величина которого оказывает существенное влияние на процесс помола. Этим фактором оказался объем размалываемого материала, численное значение которого находится в знаменателе, из чего следует, что для увеличения воздействия мелющих тел на размалываемый материал необходимо уменьшить знаменатель рассматриваемого отношения, что возможно только уменьшая объем размалываемого материала, находящегося в пустотах между шарами, т.е. увеличивая плотность укладки шаров. Так возникла идея применения максимально плотной шаровой загрузки для интенсификации процесса помола.

Предложен механизм воздействия совокупности шаров мелющей загрузки на размалываемый материал в виде импульса ударного сжатия (ИУС) [7], возникающего в момент их максимального контакта в нижней точке соприкосновения шаров с цилиндрической поверхностью барабана мельницы. В расчете на 1 м3 шароматериальной загрузки рассматриваемое соотношение имеет следующий вид:

ИУС=mм.т.mорм.=γм.т. *νм.т.ρорм.*νорм.[тт] ,

где mм.т  – масса мелющих тел, т/ м3; mорм. – масса одновременно размалываемого материала, т/м3; γм.т. – плотность мелющих тел, т/м3; ρорм. – насыпная масса размалываемого материала, т/м3; Vм.т., Vорм. – доля общего объема загрузки, занимаемая мелющими телами и размалываемым материалом соответственно.

Применительно к 1 м3 шаровой загрузки 1-ой камеры мельницы:

ИУСст=7,86∙0,591,5∙0,41=7,54тт                 (1)

При плотной упаковке шаров пустоты между ними составляют 26% общего объема, шары соответственно занимают 74% шароматериальной загрузки. Отношение массы шаров к массе материала:

 

ИУС=mм.т.mорм.=γм.т. *νм.т.ρорм.*νорм.=7,86∙0,741,5∙0,26=14,91тт

 

Данное соотношение показывает, что размалывающее действие практически в два раза больше, чем при обычной загрузке.

Размер пустоты между шарами характеризуется диаметром вписанного в неё шара. Виды возможных плотных шаров, размеры пустот и вписанных в них шаров приведены табл. 1.

Не все приведенные в таблице мелкие шары могут быть использованы в качестве вписанных в пустоты между основными (крупными) шарами. Шары диаметром 10–15 мм могут пройти в отверстия межкамерных и выгрузочных диафрагм. Если размеры основного и вписанного шара различаются в 10 раз и более, то подвергаются самосортировке в мельнице, которая в данном случае является своеобразным ситом, на котором всегда разделяются мелкие и крупные фракции материала. Для формирования устойчивой плотной укладки оптимальной является пара шаров (основной и вписанный), отношение масс которых должно находиться в интервале 1,5–3,5. Указанному условию соответствуют пары шаров с заполнением кубической пустоты, d0/dв: 100/70, 80/60, 70/50, 40/30, 30/20, 25/17. Для формирования мелющей загрузки двухкамерной мельницы достаточно взять четыре размера шаров (две пары), вместо 10 размеров шаров в традиционной загрузке.

 

 

Таблица 1

Двухшаровые плотные упаковки

Виды шаров

Варианты пар шаров плотной упаковки

1

2

3

4

5

Диаметр основного шара (d0), мм

100

80

70

50

40

Диаметр вписанного в пустоту

шара dв, мм

701; 402; 203

601; 332

501; 302

401; 202

301; 172

1 – кубическая пустота (образуется восьмью соседними шарами);

2 – октаэдрическая пустота (образуется шестью соседними шарами);

3 – тетраэдрическая пустота (образуется четырьмя соседними шарами).

 

 

Расчеты показывают, что производительность мельницы с плотной шаровой загрузкой выше на 60-70%, чем на традиционной загрузке. Однако лабораторные испытания на двухкамерной мельнице Гипроцемента и кратковременные опытно-промышленные испытания, показали повышение производительности мельницы в пределах 20-30%. Основная причина заключается в сортировке шаров по размерам в процессе их взаимодействия с бронефутеровкой мельницы. При этом часть крупных шаров концентрируется около межкамерной и выгрузочной диафрагм, что частично разрушает плотность шаровой загрузки. Для сохранения устойчивой шаровой загрузки нами предложена специальная бронефутеровка, содержащая желоба, направленные вдоль окружности барабана мельницы, и спиральные канавки. Желоба препятствуют передвижению и классификации шаров вдоль оси мельницы, а спиральные канавки предназначены для ускорения движения размалываемого материала и достижения его оптимального количества, чтобы сохранить заданную величину ИУСа и обеспечить высокую степень измельчения материала и повышенную производительность мельницы.

Отличительная особенность энергии мелющей шаровой загрузки состоит в том, что она диссипирована (распределена, раздроблена)  на микроскопические доли энергии отдельных шаров, которые корректнее рассматривать на примере одного шара: ударное действие шара в водопадном режиме описывается выражением ИУС=m·g·τ, где m - масса шара, кг; g – ускорение силы тяжести, м/с2, τ – время падения шара, с.

τ=2∙hg,

где h – высота падения шара, м.

τ=2∙1,39,81=0,5 с.

ИУС = 1,41·9,81·0,5 = 6,9 кг·м/с.

Детальный анализ показал, что в водопадном режиме движения шаров имеет место еще один механизм действия шаров на размалываемый материал, представляющий собой импульс истирающего действия (ИИД), количественно равный кинетической энергии шара в верхней точке отрыва от поверхности барабана. О наличии такой энергии свидетельствует последующая траектория движения шара по параболе, в отсутствии такой энергии шар падает вниз по вертикальной линии (доказано экспериментально на лабораторной мельнице). Количественно энергия шара диаметром 70 мм равна: ИИД = m·V, где m – масса шара, кг; V – скорость отрыва шара от поверхности барабана, м/с, равная линейной скорости движения окружности барабана, контактирующей с шаровой загрузкой на подъемном участке траектории:

V=2πRν60,

где R – радиус мельницы, м; ν – частота вращения мельницы, мин-1.

V=2∙3,14∙1∙23,260=2,43 м/с.

ИИД =  1,41 · 2,43 = 3,4 кг·м/с.

Таким образом, шар в водопадном режиме оказывает двойное действие на размалываемый материал, а именно, истирание материала в верхней точке отрыва от поверхности барабана и ударное сжатие материала при контакте с поверхностью в нижней точке барабана. Суммарное действие шара массой 1,41 кг за один цикл (подъем-падение) составляет:

ИУС + ИИД = 6,9 + 3,4 = 10,3 кг·м/c.

Полученные результаты подтверждают высокую эффективность процесса грубого помола клинкера в первой камере мельницы, имеющего кратность измельчения, равную ~ 50 (с 15 мм до 0,3 мм) и в том числе 20–30 % готового цемента конечной тонкости помола (< 80 мкм).

Совсем другая ситуация имеет место во второй камере тонкого помола материала, оснащенной гладкой бронефутеровкой. В движении мелких шаров из-за их недостаточной высоты подъема отсутствует четко выраженные импульсы ударного сжатия и истирающего действия. Основная масса мелких шаров (d=20-30 мм) совершает медленное поступательно-вращательное движение с полным перемешиванием материала за один оборот барабана мельницы. Так как общее количество шаров во второй камере мельницы на порядок больше, чем в первой камере, то переданная им энергия диссипирована до такой степени, что единичный шар не в состоянии совершить необходимый истирающий акт воздействия над материалом. Таким образом, почти вся совокупность энергии мелких шаров превращается в теплоту, а процесс измельчения материала прекращается, наглядным примером которого является диаграмма помола на рис. 1, на которой удельная поверхность и остаток на сите 008 представлены ровными линиями параллельными оси абсцисс.  Очевидно, что следует и во второй камере создать действенный энергетический потенциал шарово-материальной загрузки по аналогии с первой камерой.

 

Рис. 1. Диаграмма помола

 

 

Основные результаты и выводы.

  1. Предпринят новый подход к исследованию процесса измельчения материала в трубных мельницах, в основу которого положено применение не энергетических показателей процесса, как это общепринято в научно-технической литературе, а отношения масс взаимодействующих ингредиентов – мелющих тел и размалываемого материала.
  2. Предложен механизм воздействия совокупности шаров мелющей загрузки на размалываемый материал в водопадном режиме в виде двух импульсов:

– импульса истирающего действия  (ИИД), количественно равного кинетической  энергии шаров в верхней точке отрыва от поверхности барабана;

- импульса ударного сжатия (ИУСа), возникающего в момент максимального контакта в нижней точке соприкосновения шаров с цилиндрической поверхностью барабана мельницы, равного отношению масс mмт/mрм.

3. Предложен способ повышения удельной энергии импульсов истирающего действия и ударного сжатия – применением плотной упаковки шаров в мелющей загрузке; плотная упаковка шаров концентрирует удельную массу мелющих тел в единице объема размалываемого материала и усиливает ИУС в 2 раза.

4. Для сохранения высокой энергии ИИД и ИУСа одновременно с быстрым измельчением необходимо увеличить скорость продвижения размалываемого материала по длине мельницы и его выгрузку, для чего следует и во второй камере тонкого измельчения организовать водопадный режим движения шаров с применением лифтерно-желобчатых бронеплит со спиральными дорожками, направленными по образующим барабана мельницы.

References

1. Andreev S.E., Tovarov V.V., Perov V.A., Zakonomernosti izmel'cheniya i ischisleniya harakteristiki granulometricheskogo sostava. M.: Metallurgizdat, 1959. 437 c.

2. Bazhanova O.I., Bogdanov V.S., Shaptala V.G. Modelirovanie temperaturo-vlazhnostnogo rezhima cementnoy mel'nicy // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2012. №4. S. 91-95.

3. Sevost'yanov V.S., Mihaylichenko S.A., Il'ina T.N., Markidin A.A., Sivachenko T.L. Sposoby sovershenstvovaniya izmel'chiteley udarnogo deystviya na osnove mnogosterzhnevyh rabochih organov // Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2013. №4. S. 87-90.

4. Kryhtin G.S., Kuznecov L.N. Intensifikaciya raboty mel'nic. Novosibirsk: VO «Nauka», 1993. 240 s.

5. Pirockiy V.Z. Cementnye mel'nicy: tehnologicheskaya optimizaciya. S.-Pb.: Izd-vo Centra professional'nogo obnovleniya, 1999. 145 s.

6. Deshko Yu.I., Kreymer M.B., Kryhtin P.S. Izmel'chenie materialov v cementnoy promyshlennosti. M.: Izd-vo literatury po stroitel'stvu, 1966. 270 s.

7. Kapalnec E.G. Vzaimosvyaz' raboty melyuschih tel i futerovochnyh plit sharovyh mel'nic // Cement i ego primenenie. 2010. № 3. S. 80-81.

8. Pat. № 2477659 Rossiyskaya Federaciya, MKP B 02 C 17/20 Sharovaya zagruzka barabannoy mel'nicy / V.D. Barbanyagre; zayavitel' i pravoobladatel' BGTU im. V.G. Shuhova. - № 2010121271, zayavl. 25.05.10; opubl. 20.03.13.

9. Hodakov G.S. Tonkoe izmel'chenie stroitel'nyh materialov. M.: Stroyizdat, 1972. 240 s.

10. Barbanyagre V.D., Smal' D.V. Plotneyshaya sharovaya zagruzka trubnoy mel'nicy i ee effektivnost' // InformCement. 2011. № 2(32). S. 49-56.


Login or Create
* Forgot password?