сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
сотрудник
сотрудник
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
Использованием отношения массы мелющих тел к массе размалываемого материала в лабораторных условиях изучены процессы измельчения материалов в шаровой трубной мельнице. Установлена возможность интенсификации процесса измельчения в результате применения максимально плотной шаровой загрузки, которая обеспечивает более высокоэнергетичный помол материала за счет наличия двух факторов: импульса истирающего действия (ИИД) и импульса ударного сжатия (ИУС). В опытно-промышленных испытаниях достигнуто повышение производительности мельницы на 15-20%.
плотная загрузка, импульс истирания, импульс ударного сжатия
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:
,
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:
(1)
При плотной упаковке шаров пустоты между ними составляют 26% общего объема, шары соответственно занимают 74% шароматериальной загрузки. Отношение массы шаров к массе материала:
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.
где h – высота падения шара, м.
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:
где R – радиус мельницы, м; ν – частота вращения мельницы, мин-1.
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.
- 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.
- 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.
1. Андреев С.Е., Товаров В.В., Перов В.А., Закономерности измельчения и исчисления характеристики гранулометрического состава. М.: Металлургиздат, 1959. 437 c.
2. Бажанова О.И., Богданов В.С., Шаптала В.Г. Моделирование температуро-влажностного режима цементной мельницы // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. №4. С. 91-95.
3. Севостьянов В.С., Михайличенко С.А., Ильина Т.Н., Маркидин А.А., Сиваченко Т.Л. Способы совершенствования измельчителей ударного действия на основе многостержневых рабочих органов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. №4. С. 87-90.
4. Крыхтин Г.С., Кузнецов Л.Н. Интенсификация работы мельниц. Новосибирск: ВО «Наука», 1993. 240 с.
5. Пироцкий В.З. Цементные мельницы: технологическая оптимизация. С.-Пб.: Изд-во Центра профессионального обновления, 1999. 145 с.
6. Дешко Ю.И., Креймер М.Б., Крыхтин П.С. Измельчение материалов в цементной промышленности. М.: Изд-во литературы по строительству, 1966. 270 с.
7. Капалнец Е.Г. Взаимосвязь работы мелющих тел и футеровочных плит шаровых мельниц // Цемент и его применение. 2010. № 3. С. 80-81.
8. Пат. № 2477659 Российская Федерация, МКП B 02 C 17/20 Шаровая загрузка барабанной мельницы / В.Д. Барбанягрэ; заявитель и правообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. - № 2010121271, заявл. 25.05.10; опубл. 20.03.13.
9. Ходаков Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов. М.: Стройиздат, 1972. 240 с.
10. Барбанягрэ В.Д., Смаль Д.В. Плотнейшая шаровая загрузка трубной мельницы и ее эффективность // ИнформЦемент. 2011. № 2(32). С. 49-56.
