from 01.01.2016 until now
Voskresensk, Moscow, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
UDK 67 Различные отрасли промышленности и ремесла. Механическая технология
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
A method for assessing the wear resistance of round impact elements of a disintegrator is considered using the example of grinding highly abrasive mica-crystalline materials (expanded vermiculite and its concentrate) in a disintegrator. A constructive method for protecting the working surfaces of impact elements from abrasive wear when dispersing similar materials in a disintegrator of a developed design is presented. Using mathematical expressions to estimate the wear parameters of the impact elements of the mill, experimental values of the wear of the impact elements were obtained depending on the linear speed of the impact element, the reduced productivity of the disintegrator, the weighted average size of the crushed particles, the strength of the crushed raw materials and the hardness of the material from which the impact elements are made. The differentiated influence of variable factors on the process of abrasive wear of the surfaces of the impact elements of the disintegrator has been determined. Using a graphical interpretation of the results of experimental studies of the process of abrasive wear of the impact elements of the disintegrator, it was established that the wear of the impact elements mainly depends on the productivity of the unit (mill throughput). As the productivity of the disintegrator increases, the specific wear of the working elements decreases due to a decrease in the flow density of the moving material inside the mill, regardless of its high absolute speed inside the grinding chamber. In order to reduce the surface abrasive wear of the impact elements of the disintegrator, the effectiveness of using special protective bushings made of baddeleyite-corundum materials, resistant to abrasive wear by silicate mica-crystalline rocks, was proposed and experimentally confirmed. A comparison was made of the proposed design solution for protecting the working surfaces of impact elements with previously used impact elements made of grade 45 steel hardened to HRC 50.
disintegrator, impact elements, wear, reduced productivity, two-phase flow, vermiculite
Введение. В настоящее время в индустрии строительства и строительных материалов активно развиваются малотоннажные гибкие технологии [1]. Одним из метало- и энергоемких процессов в таких технологиях является процесс помола сырьевых компонентов, который характеризуется определенными энергозатратами и эксплуатационными показателями надежности оборудования. Для такого оборудования важным технологическим параметром является приведенная к средневзвешенному размеру частиц производительность [2], снижение которой наблюдается в работе агрегатов в виду увеличения износа рабочих поверхностей пальцев. Показатель приведенной производительности дезинтегратора тесно связан с качеством готового продукта – его дисперсностью. Взаимосвязь этих показателей, главным образом, и определяет эффективность работы помольного оборудования.
Такое технологическое оборудование, как дезинтегратор, является наиболее эффективным и надежным в технологии измельчения материалов, если величина среднего показателя удельного износа рабочих поверхностей его пальцев и помольной камеры не превышает 1 % от производительности такого оборудования [2]. Это связано с тем, что не допускается использовать определенные дисперсные материалы с металлическими включениями по технологическим причинам, так как это приводит к снижению физико-механических характеристик получаемых порошков и снижает их дальнейшую технологичность в целом [3]. Важно отметить, что большой износ пальцев дезинтегратора снижает эффективность его работы: уменьшается приведенная производительность, падает показатель средневзвешенного размера частиц в готовом продукте, возрастает энергопотребление [4].
Установлено [3, 4], что, при эксплуатации шаровых или вибромельниц, где также изнашиваются мелющие тела, при условии полного износа шаровой загрузки устойчивая работа этих агрегатов не нарушается. Они просто переходят в режим самоизмельчения материалов с повышенным расходом электроэнергии. Здесь важно заметить, что качество помола материалов является одним из ключевых показателей эффективной работы измельчителей. Именно поэтому в технологическом процессе необходимо поддерживать работоспособность агрегатов на должном уровне.
Все помольные агрегаты роторно-центробежного типа подвержены износу рабочих элементов и поверхностей помольной камеры. Дезинтеграторные мельницы – не исключение. Одним из недостатков конструктивного исполнения дезинтеграторов в виду особенностей работы их однотипных помольных камер является малая продолжительность межремонтного периода (относительно срока службы пальцев роторов мельницы) [5]. Заметим то, что такой недостаток не является причиной не использовать дезинтеграторы в технологиях высокоскоростного диспергирования абразивных материалов малой и средней прочности. Известно, что именно этот фактор, определенным образом, сдерживает применение мельниц такого рода в технологиях измельчения твердого и высокоабразивного сырья [6, 7].
Для обеспечения противопожарных требований к зданиям и сооружениям на металлическом каркасе используются огнезащитные краски и покрытия на основе вермикулита. Огнезащитные покрытия на основе тонкомолотого вермикулита обладают высокой технологической возможностью для их нанесения на поверхности с помощью кисти, или пневматическим способом [8].
Дисперсный вермикулит, как вспученный, так и концентрат, применяется в производстве огнезащитных красок и покрытий зданий и сооружений более 30 лет. При этом отмечается, что наличие в дисперсной фазе вермикулита высокой доли металлических включений (более 4 % от объемной производительности мельницы) снижает его технологические характеристики в составе огнезащитных материалов [9–11]. Следовательно, для ученых, занимающихся вопросами измельчения, относительно технологии производства тонкомолотого вермикулита стоит задача снизить наличие продуктов износа ударных элементов мельницы в объеме производимого продукта [3]. Постановка вопроса для его решения является актуальной. Решение данного вопроса позволит повысить качество огнезащитных материалов и технологичность их нанесения на металлические поверхности каркасов зданий и сооружений, а также увеличить срок службы и повысить надежность дезинтегратора.
Целью исследования является снижение удельных показателей износа пальцев дезинтегратора за счет разработки новой конструкция с применением защитных втулок из бадделеито-корунда, позволяющих существенно уменьшить наличие металлических частиц в порошкообразном вермикулите, а также повысить эксплуатационную надежность и технологичность дезинтегратора. Комплексный подход к решению проблемы износа пальцев с применением современных материалов позволяет увеличить эффективность бесперебойной работы дезинтегратора, а также применить простые и надежные методы защиты оборудования от износа при различных технологических режимах.
Методы, оборудование и материалы. Известно, что изучение процесса изнашивания пальцев помольных агрегатов проводилось рядом авторов [2, 3, 4, 12, 13] со всем многообразием существующих материалов определенного гранулометрического состава, из которых на сегодняшний день производятся дисперсные материалы. Ударные элементы мельниц – пальцы - выполнялись различной конфигурации, преимущественно из конструкционных, износостойких, нержавеющих и других видов сталей. Также при изучении вопроса износа пальцев для различных измельчителей рассматривались также рабочие органы, выполненные из органических материалов [14].
Испытание новой конструкции ударных элементов с защитными втулками из бадделеито-корунда проводилось в дезинтеграторе [15], общий вид которого представлен на рисунке 1.
Оригинальная конструкция дезинтегратора [15] представлена соединением наружного ротора, определяющего объем помольной камеры (рис. 1б), с внутренним (рис. 1в). Ряды пальцев роторов круглой формы входят друг в друга с относительным зазором между собой. Пальцы, расположенные в рядах роторов по концентрическим окружностям, осуществляют процесс измельчения материалов за счет действия ударных, истирающих и сдвиговых воздействий. Следует отметить, что для такой конструкции относительный зазор между рядами пальцев достигается за счет точности установки подшипниковых опор внутреннего ротора в полый вал внешнего ротора, а последнего - во внешние опорные узлы, расположенные в нижней и верхней частях корпуса мельницы и рамы.
Конструктив дезинтегратора позволяет осуществлять процесс измельчения с использованием внутримельничного классифицирующего устройства, которое возвращает крупку на доизмельчение в помольную камеру. Таким образом, осуществляется внутренний рецикл измельчаемых материалов внутри агрегата. Данная технологическая возможность делает конструкцию дезинтегратора отличной от существующих аналогов, определяет перед измельчаемыми материалами гибкую вариативность схем помола.
Оригинальная конструкция дезинтегратора [15] может быть использована для различных технологических задач не только в строительстве, но и в смежных отраслях промышленности: энергетической, медицинской, металлургической, фармацевтической и др. Рассмотрим применение дезинтегратора оригинальной конструкции в технологии выпуска огнезащитных порошкообразных материалов с использованием дисперсного вермикулита. Агрегат позволяет получить продукт с заданным гранулометрическим составом и обеспечить высокий показатель приведенной производительности при низкой энергоемкости процесса.
Рис. 1. Дезинтегратор: а – общий вид; б – наружный ротор со стальными ударными элементами;
в – внутренний ротор со стальными ударными элементами
Исследовались в процессе измельчения невспученный вермикулитовый концентрат Татарского месторождения со средневзвешенным начальным размером частиц 3–5 мм, твердость которого по шкале Мооса составила 5 единиц и вспученный вермикулит (агровермикулит) фракции 1-5 мм. Влажность исследуемых материалов составляла не более 5 %. Величину износа рабочей поверхности пальцев определяли по такому показателю, как средний удельный износ, в соответствии с методикой [16]. Объектом исследования является дезинтеграторная мельница с круглыми по сечению пальцами.
Установлено [17], что при измельчении в дезинтеграторах мягких материалов, таких как меловые породы, глины и известняки процесс изнашивания пальцев происходит на участке АВ, который показан на рисунке 2. При этом участок АВ подвержен износу наиболее интенсивно, величина его абразивного износа двухфазным потоком превосходит по данному параметру все другие участки круглого поперечного сечения пальцев. Динамика изнашивания на участке АВ выражается значительно по отношению к другим участкам круглого поперечного сечения пальцев [8–10].
Правильная оценка степени износа пальцев необходима не только для повышения качества готового продукта, но и для надежной эксплуатации дезинтегратора: параметры конструктивной прочности деталей и узлов мельницы всецело зависят от поперечного сечения пальцев, а также моментов инерции внутреннего и наружного роторов, вращающихся в противоположные стороны. Важно понимать, что процесс износа рабочих поверхностей пальцев является стохастическим. При этом необходимо его оценивать по усредненным, аппроксимированным показателям, например, таким, как предложено в работе [16].
Средний показатель удельного износа ударных элементов для всех роторных мельниц, у которых имеются рабочие (ударные) элементы в виде бил, пальцев, оцениваем по зависимости [16]:
где
Анализируя функциональную зависимость (1), приходим к выводу, что все ее варьируемые факторы могут обладать максимальными и минимальными значениями, следовательно, необходимо определять средний показатель удельного износа ударных элементов по их средним показателям.
Аппроксимируя зависимость (1) степенным рядом, получим следующее выражение:
где А – коэффициент пропорциональности процесса износа пальцев в однородном двухфазном потоке; α, β, γ, m, n – степенные показатели, указывающие степень осреднения.
Величины значений коэффициента пропорциональности А процесса износа пальцев круглого поперечного сечения в однородном двухфазном потоке и степенных показателей, используемых в выражении (2) методики [16] были получены путем аналитической обработки экспериментальных данных по износу пальцев дезинтегратора. В результате обработки экспериментальных данных, параметры которых представлены в выражении (2), было определено, что: А = (2,5–3,0)·10-4; α = 1,1 – 1,3; β = (29 – 35)·10-2; γ = 2,0 – 3,2; m = 0,3 – 0,6; n = 1,6 – 2,2.
Анализ экспериментальных данных процесса износа пальцев дезинтегратора показал, что их истирание в значительной мере зависит от абразивности и твердости измельчаемого материала. При помоле сырьевых компонентов с низкой абразивностью и малой прочностью, наблюдается относительно одинаковый по характеру износ пальцев [17]. Причем характер износа не зависит от вида материала, из которого изготовлены пальцы, он идентичен характеру, показанному на рисунке 2.
Рис. 2. Схематическое изображение процесса обтекания пальца дезинтегратора двухфазным потоком:
ω – угловая скорость вращения ротора дезинтегратора, 1/рад; rП – радиус пальца, м
Следует обратить внимание на то, что при измельчении любого материала наблюдается зависимость качества получаемого порошка, производительности агрегата, его энергопотребления от временного фактора. Чем быстрее производится готовый продукт необходимого качества с меньшими затратами электроэнергии, тем эффективнее оценивается работа оборудования [2]. Именно поэтому необходимо оценивать не только показатель износа пальцев дезинтегратора, но их реальный срок службы до последующей замены.
Срок службы пальца до его полной замены в межремонтный период определяется по формуле [16]:
где
Установлено ранее [12, 16], что наибольшее изнашивание пальцев роторов дезинтегратора происходит в направлении к периферии помольной камеры - от оси вращения роторов к последнему ряду пальцев. Это связано с тем, что абсолютная скорость двухфазного потока от оси к периферии помольной камеры кратно возрастает. Для того чтобы увеличить время межремонтного периода измельчителя, предлагается рабочую поверхность круглых пальцев защитить втулками из бадделеито-корунда (рис. 3). Это предотвратит появление металлических включений в готовом продукте и повысит эксплуатационную надежность дезинтегратора.
Защитный материал – бадделеито-корунд – представляет собой спекшиеся горные породы, которые являются системой, представленной в виде Al2O3 – ZrO2 – SiO2 [18]. Такой материал обладает необходимой высокой прочностью и износостойкостью, чтобы использовать его в защите пальцев дезинтегратора от потери ими конструктивной прочности и надежности, предотвратит их чрезмерный износ. Важно отметить, что бадделеито-корунд устойчив к восприятию циклических, ударно-истирающих нагрузок. Именно циклический характер сочетания удара с истиранием измельчаемого материала о поверхность, изготовленную из бадделеито-корунда дает хорошие показатели его эксплуатационного применения для пальца в конструкции дезинтегратора [19].
Рис. 3. Конструктивные особенности пальцев дезинтегратора с защитными втулками из бадделеито-коррунда:
а – защитные втулки; б – ударные элементы с защитными втулками
Основная часть. Измельчение вермикулитовых материалов проводилось в дезинтеграторной мельнице с внутренней циркуляцией загрузки [15] при кратности циркуляционной нагрузки равной 2. Изучение процесса износа пальцев проходило в два исследования. Дезинтегратор в первом исследовании был оснащен пальцами, выполненными из стали 45 и закаленными до твердости HRC 50. Во втором исследовании пальцы дезинтегратора представляли собой ось, защищенную втулками из бадделеито-корунда. Количество пальцев в помольной камере мельницы было постоянным. В процессе исследований загрузка материала осуществлялась автоматическим способом, обеспечивающим равномерность подачи сырья. После проведения исследования по определению среднего значения износа пальцев в зависимости от приведенной производительности дезинтегратора для стальных элементов были получены экспериментальные результаты, также были получены экспериментальные результаты и для элементов, защищенных втулками из бадделеито-корунда. Толщина втулок из бадделеито-корунда составляла 2,5 мм.
Максимальная величина приведенной производительности дезинтегратора по конечному продукту в исследованиях составила 150 кг/ч. Результаты исследований процесса износа пальцев дезинтегратора представлены в графическим виде на рисунке 4.
Рис. 4. График, устанавливающий зависимость показателя среднего удельного износа пальцев от приведенной производительности дезинтегратора: 1 – усредненный удельный износ пальцев дезинтегратора
при измельчении вермикулитового концентрата, пальцы изготовлены из закаленной стали 45; 2 – усредненный удельный износ пальцев дезинтегратора при измельчении вспученного вермикулита, пальцы изготовлены из закаленной стали 45; 3 – усредненный удельный износ пальцев дезинтегратора при измельчении
вермикулитового концентрата, пальцы защищены износостойкими втулками; 4 – усредненный удельный износ пальцев дезинтегратора при измельчении вспученного вермикулита, пальцы
пальцы защищены износостойкими втулками
На основании выражения (3) и в соответствии с графиком, показанным на рисунке 4, видно, что применение в дезинтеграторе конструктивно-защищенных пальцев способствует увеличению срока их службы (по сравнению со стальными пальцами, изготовленными из закаленной стали) в 1,4 раза. Следовательно, в случае применения конструктивно-защищенных пальцев вдезинтеграторе намол металла в готовом продукте снизится не менее чем на 40 %.
Экспериментально установлено, что помимо физико-механических характеристик измельчаемого материала износ пальцев в значительной степени зависит от приведенной производительности
С увеличением производительности
Из полученного графика заключаем, что при помоле в мельнице вермикулитового концентрата с помощью пальцев из закаленной до твердости HRC 50 стали 45, с увеличением приведенной производительности агрегата от
При исследовании помола вспученного вермикулита в измельчителе, где использовались пальцы из закаленной до твердости HRC 50 стали 45, установлено, что с увеличением производительности от
Оценивая величину металлических включений в объеме готового продукта можно определить, что в случае с вермикулитовым концентратом их содержание снизится на 32 %, а при измельчении вспученного вермикулита на 40 %. Оценка осуществлялась путем подсчета суммарной величины рабочих поверхностей пальцев круглого поперечного сечения относительно всех рабочих поверхностей помольной камеры.
Полученные результаты исследования показали целесообразность использования пальцев с защитными втулками из бадделеито-корунда при измельчении вермикулитовых материалов, используемых в составах огнезащитных покрытий.
Выводы.
1. Предложено преимущественное применение дезинтегратора для малотоннажных технологий, занимающихся производством огнезащитных материалов на основе вермикулита с низким содержанием металлических включений. В качестве усовершенствованного органа оригинального дезинтегратора предложена конструкция пальца, оснащенного защитной втулкой из бадделеито-корундового материала.
2. Установлен численно характер влияния таких параметров как абсолютная линейная скорость пальца, приведенная производительность дезинтегратора, прочность измельчаемого материала, твердость материала, из которого выполнены ударные элементы, средневзвешенный размер частиц (кусков) измельчаемого материала на средний показатель удельного износа пальцев. Существенное влияние на процесс износа рабочих поверхностей ударных элементов оказывает приведенная производительность дезинтегратора
3. С использованием методики оценки износа рабочих поверхностей ударных элементов для процесса измельчения вермикулитового концентрата и вспученного вермикулита установлено, что усовершенствованная конструкция ударных элементов на 33 % и 45 %, соответственно, снижает показатель среднего удельного износа пальцев дезинтегратора.
4. В случае применения усовершенствованной конструкции пальцев в помольной камере дезинтегратора в 1,4 раза в межремонтном периоде увеличится эксплуатационная надежность дезинтегратора.
1. Glagolev S.N., Sevostyanov V.S., Ilina T.N., Uralskij V.I. Technological modules for complex processing of technogenic materials [Tekhnologicheskie moduli dlya kompleksnoj pererabotki tekhnogennyh materialov]. Chemical and petroleum engineering. 2010. No.9. Pp. 43-45. (rus)
2. Semikopenko I.A., Voronov V.P., Belyaev D.A., Borozdin E.A. Theoretical study of the process of grinding material in the working chamber of a disk mill [Teoreticheskoe issledovanie processa izmel'cheniya materiala v rabochej kamere diskovoj mel'nicy]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2020. No. 11. Pp. 125-131. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2020-5-11-125-131. (rus)
3. Prokopec B.S. The influence of mechanical activation on the activity of binders [Vliyanie mekhanoaktivacionnogo vozdejstviya na aktivnost' vyazhushchih veshchestv]. Construction Materials. 2003. No. 9. Pp. 28-29. (rus)
4. Hint I.A. Basics of production of silicalcite products [Osnovy proizvodstva silikal'citnyh izdelij]. M.: Gosstrojizdat. 1962. 601 p. (rus)
5. Kerimov M.A. Grinding technologies: from micro-sized fractions to nanoparticles [Izmel'chitel'nye tekhnologii: ot mikrorazmernyh frakcij do nanochastic]. News of the St. Petersburg State Agrarian University. 2020. No. 1(58). Pp.166-171. DOI:https://doi.org/10.24411/2078-1318-2020-11166. (rus)
6. Kolobov M.Yu., Chagin O.V., Blinichev V.N. Increasing the durability of the working bodies of centrifugal impact shredders [Povyshenie dolgovechnosti rabochih organov centrobezhno-udarnyh izmel'chitelej]. Russian chemical journal. Ivanovo. 2019. Vol. LXIII, No. 3-4. Pp. 40-44. DOIhttps://doi.org/10.6060/rcj.2019633.5. (rus)
7. Prokopec V.S., Akimov V.V. Increasing the performance of impact mills using hard tungsten-free alloys [Uvelichenie rabotosposobnosti mel'nic udarnogo dejstviya s pomoshch'yu tverdyh bezvol'framovyh splavov]. “Building materials, equipment, technologies of the 21st century”. 2005. No.7. Pp. 50-51. (rus)
8. Endzhievskaya I.G., Vasilovskaya N.G., Slakova O.V. Compositions for fire retardant coatings based on expanded vermiculite from the Tatar deposit [Sostavy dlya ognezashchitnyh pokrytij na osnove vspuchennogo vermikulita Tatarskogo mestorozhdeniya]. Bulletin of TGASU. 2012. No. 1. Pp. 117-122. (rus)
9. Belyh S.A., Novoselova Yu.V., Skokov D.V. Fire retardant coating for wood based on liquid glass and fine industrial waste [Ognezashchitnoe pokrytie dlya drevesiny na osnove zhidkogo stekla i tonkodispersnyh othodov promyshlennosti]. University proceedings of BrGU. Book series: Natural and engineering sciences. BrGU. 2013. Vol. 2. Pp. 176-182. (rus)
10. Halturinskij N.A., Hrupkin V.G. On the mechanism of formation of fire-retardant intumescent coatings [O mekhanizme obrazovaniya ognezashchitnyh vspuchivayushchihsya pokrytij]. Fire and Explosion Safety/ 2011. Vol.20. No.10. Pp. 33-36. (rus)
11. Krasheninnikova M.V. Fire-retardant intumescent materials based on solvent-soluble film formers [Ognezashchitnye vspuchivayushchiesya materialy na osnove organorastvorimyh plenkoobrazovatelej]. Paints and varnishes and their application. 2006. No. 12. Pp. 14-19. (rus)
12. Tyumanok A. N. Interaction of grinding elements of round cross-section and the processed material [Vzaimodejstvie melyushchih elementov kruglogo poperechnogo secheniya i obrabatyvaemogo materiala]. Collection of articles “UDA-technologies”. Tallinn, Valgus. 1980. Pp. 25-33. (rus)
13. Xuemin L., Man Z., Nan H. Calculation model of coal comminution energy consumption // Minerals Engineering. 2016. No. 92. Pp. 21-27. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.mineng.2016.01.008.
14. Romanovich A.A., Glagolev S.N., Babaevskiy A.N. Methods to improve efficiency of production technology of the innovative composite cementing materials // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 327. Issue 3. 032009. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2021-7-4-116-123.
15. Gridchin A.M., Sevost'yanov V.S., Glagolev E.S., Kachaev A.E. Disintegrator. Patent RF, no. 2377070, 2009. (rus)
16. Bal'mont T.M., Guyumdzhyan P.P., Bal'mont D.S. Wear of the impact elements of the step mill [Iznos udarnyh elementov stupenchatoj mel'nicy]. Regional supplement to the journal “Modern Science-Intensive Technologies”. 2009. No.1. Pp. 57-60. (rus)
17. Sevostyanov V.S., Kachaev A.E., Bojchuk I.P., Kuznecova I.A. Theoretical studies of processes in a rotary mill with a combined effect on the crushed material [Teoreticheskie issledovaniya processov v rotornoj mel'nice s kombinirovannym vozdejstviem na izmel'chaemyj material]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2017. No. 9. Pp. 122-129. DOI:https://doi.org/10.12737/article_59a93b0aa409c9.96285097. (rus)
18. Pivinsky Yu.I. Unshaped refractories. [Neformovannye ogneupory]. Vol.1. Book no. 1. General issues of technology: reference book. ed. Moscow: Teploenergetik, 2004. 448 p. (rus)
19. Yinwei Y., Kai F., Jing X. A novel control method for roll gap of roller crusher based on FuzzyPID with decision factor self-correction // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2020. No. 892. Pp. 12-19. DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899X/892/1/012085