Разработка научных основ проектирования шаровых мельниц с энергообменными и классифицирующими устройствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат наук Ханин, Сергей Иванович

• Ханин, Сергей Иванович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Ханин, Сергей Иванович

ВВЕДЕНИЕ..............................................................7

1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

РАБОТЫ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ................................................15

1.1 Состояние и развитие техники и технологии для помола материалов.15

1.2 Конструктивно-технологические возможности повышения эффективности

работы шаровых мельниц......................................19

1.3 Анализ методик для расчёта конструктивных элементов мельницы....29

1.4 Существующие подходы к математическому описанию процесса движения

шаровой загрузки во вращающемся барабане............................31

1.5 Основные теории расчёта мощности, потребляемой электродвигателем

привода шаровой мельницы............................................38

1.6 Описание параметров, характеризующих процесс выделения частиц на

просеивающих поверхностях внутримельничных устройств........45

1.7 Основные теории в области измельчения материалов и их применение для

мельниц с внутримельничными устройствами....................47

1.8 Постановка задач исследования...........................53

Выводы..................................................... 55

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОСТРАНСТВЕННОГО ДВИЖЕНИЯ СФЕРИЧЕСКОГО ТЕЛА В МЕЛЬНИЦЕ

С УСТРОЙСТВАМИ........................................................57

2.1 Особенности конструкций лопастных энергообменных устройств......57

2.2 Разработка метода расчета параметров основных протекающих в корпусе

мельницы процессов, «затрачиваемой» мощности, динамических нагрузок на её

конструкцию....................................................61

2.2.1 Общие положения и принимаемые допущения.................61

2.2.2 Описание метода расчета................................ 65

2.3 Определение параметров процесса движения сферического тела в корпусе 71

2.3.1 Параметры процесса движения сферического тела до взаимодействия с бронефутеровками конусообразной и цилиндрической камер.............. 71

3

2.3.2 Установление параметров процесса движения сферического тела до

взаимодействия с перегородкой общего положения .................... 78

2.3.3 Определение параметров процесса движения сферического тела до

взаимодействия с вращающимся вместе с корпусом цилиндрическим стержнем общего положения..........................................

2.3.4 Параметры процесса движения сферического тела до взаимодействия с

двухзаходной винтовой лопастью.....................................85

2.3.5 Установление параметров процесса движения двух сферических тел до их взаимодействия

82

87

Выводы

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СФЕРИЧЕСКОГО

ТЕЛА С БРОНЕФУТЕРОВКОЙ И УСТРОЙСТВАМИ..............

90

92

92

92

3.1 Взаимодействие сферического тела с внутримельничными устройствами ..

3.1.1 Взаимодействие сферического тела с корпусом................

3.1.2 Взаимодействие сферического тела с конусообразной и цилиндрической

поверхностями бронефутеровки камеры............................. 97

3.1.3 Алгоритм определения параметров взаимодействия сферических тел

друг с другом, устройствами и бронефутеровкой....................99

3.1.4 Взаимодействие сферического тела с перегородкой общего положения

.................................................................100

3.1.5 Взаимодействие сферического тела с двухзаходной винтовой лопастью

..................................................................105

107

3.1.6 Взаимодействие двух сферических тел

3.2 Энергетический расчёт мощности, необходимой для обеспечения движения

шароматериальной загрузки........................................108

3.3 Установление динамических нагрузок на конструкции внутримельничных

устройств и корпуса..........................................

3.4 Определение динамических нагрузок на подшипники корпуса..

3.5 Условия для реализации математических моделей протекающих в

110

116

мельнице процессов

117

4

3.5.1 Определение количества сферических тел и формирование их исходного

положения в камере мельницы....................................117

3.5.2 Математическое представление бронефутерованного корпуса и

внутримельничных устройств.....................................119

Выводы..........................................................123

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ

МАТЕРИАЛА В МЕЛЬНИЦЕ..............................................125

4.1 Повышение эффективности процесса выделения материала из

шароматериальной среды на стадии его грубого помола.............125

4.2 Математическая модель процесса измельчения частиц материала.130

4.2.1 Принимаемые допущения и общие подходы....................130

4.2.2 Взаимодействие частицы материала и мелющего тела.........131

4.2.3 Взаимодействие частиц материала друг с другом, бронефутеровкой и

внутримельничными устройствами.................................143

4.3 Математическая модель процесса перемещения частиц материала через

отверстия классифицирующего устройства..........................148

4.3.1 Определение вероятности перемещения частиц материала через

отверстия прямоугольной и эллипсообразной форм бронефутеровки.148

4.3.2 Определение вероятности перемещения частиц материала через

отверстия колосниковой классифицирующей поверхности............153

Выводы..........................................................157

5 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И

МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ХАРАКТЕРИСТИКА ОБОРУДОВАНИЯ 159

5.1 Оборудование и средства для проведения исследований........159

5.2 Методики проведения экспериментальных исследований..........172

5.3 Моделирование протекающих в корпусе мельницы процессов......178

Выводы..........................................................190

6 ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ МЕЛЮЩИХ ТЕЛ В КОРПУСЕ

С ВНУТРИМЕЛЬНИЧНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ..................................192

6.1 Движение мелющих тел в цилиндрической и конусообразной камерах без

5

внутримельничных устройств......................................192

6.2 Количественное распределение мелющих тел и их скоростей в

цилиндрической камере с лопастными энергообменными устройствами..200

6.3 Распределение мелющих тел по их размерам в камерах мельницы.211

6.3.1 Обоснование использования и описание коэффициента сегрегации

мелющих тел по их крупности....................................211

6.3.2 Поперечная сегрегация мелющих тел в цилиндрической камере.213

6.3.3 Продольная сегрегация мелющих тел в цилиндрической и

конусообразной камерах ....................................... 221

Выводы..........................................................227

7 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЛЮЩИХ ТЕЛ С

БРОНЕФУТЕРОВКОЙ И ВНУТРИМЕЛЬНИЧНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ...................230

7.1 Распределения средних значений кинетической энергии мелющих тел в

камерах цилиндрической и конусообразной формы...................230

7.2 Энергия мелющих тел, выделяющаяся при их взаимодействии друг с другом,

бронефутеровкой и внутримельничными устройствами............... 233

7.3 Характеристика мощности, необходимой для обеспечения движения

мелющих тел в камере мельницы с различными устройствами.........239

7.4 Характеристика динамических нагрузок на подшипники мельницы..249

7.5 Проверка адекватности математических моделей, описывающих параметры

процессов движения сферических тел и взаимодействия с бронефутеровкой и внутримельничными устройствами..................................254

Выводы......................................................... 261

8 КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

МАТЕРИАЛОВ........................................................264

8.1 Определение взаимосвязи параметров, характеризующих процесс

разрушения частиц цементного клинкера...........................264

8.2 Исследование процессов измельчения материалов в мельнице, оснащенной

классифицирующими устройствами................................. 269

8.3 Изучение рациональных условий измельчения материала различной

6

крупности в камерах мельницы................................292

8.4 Сопоставление эффективности применения в мельницах классифицирующих

и энергообменных устройств..................................305

8.5 Проверка адекватности математической модели процесса измельчения

частиц материала при ударе о плиту..........................310

8.6 Рекомендации применения внутримельничных устройств......311

8.6.1 Применение энергообменных устройств..................311

8.6.2 Применение классифицирующих устройств................316

8.7 Конструктивное совершенствование внутримельничных классифицирующих

и энергообменных устройств..................................319

8.8 Описание метода расчёта шаровых мельниц с устройствами..325

Выводы......................................................339

9 ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................343

9.2 Промышленные испытания мельниц мокрого помола с различными лопастными эллипсными энергообменными устройствами..........343

9.3 Промышленные испытания мельниц сухого помола с двухзаходными

винтовыми лопастями и классифицирующим устройством.........355

9.3.1 Внедрение на мельнице двухзаходных винтовых лопастей.355

9.3.2 Испытания мельницы с цилиндрическим классифицирующим

устройством................................................359

9.4 Испытания мельницы с рациональными ассортиментом и массой мелющей

загрузки...................................................361

9.5 Перспективы промышленного внедрения внутримельничных

классифицирующих устройств.................................362

Выводы......................................................364

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................367

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................373

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................403

7

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка научных основ проектирования шаровых мельниц с энергообменными и классифицирующими устройствами»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Помол различных материалов является неотъемлемой частью многих производств как в промышленности строительных материалов, так и других отраслях. Увеличение дисперсности сред приводит к интенсификации протекающих в них химических процессов. От тонкости помола продуктов переработки, гранулометрического распределения во многом зависят качественные характеристики выпускаемой продукции - однородность распределения свойств, прочностные характеристики и другие. Различие свойств материалов, условий помола и требований к характеристикам продуктов измельчения предопределило образование класса измельчителей, отличающихся как способом разрушающего воздействия на материал, так и конструктивно.

Ежегодные потребности промышленного производства Российской Федерации в тонкомолотых материалах составляют сотни миллионов тонн. В цементном производстве процессу помола подвергаются более ста двадцати миллионов тонн различных материалов. В технологии производства цемента этот процесс является одним из энергоёмких. Так, при помоле сырьевых материалов, клинкера и добавок расходуется около 60% электроэнергии, необходимой для производства цемента, и в зависимости от способа производства суммарные удельные энергозатраты составляют около 65.. .70 кВт-ч/т.

На предприятиях промышленности строительных материалов преимущественное распространение получили шаровые мельницы (ШМ), успешно применяемые на протяжении более ста лет для помола различных материалов. Их широкому распространению способствовали универсальность применения; относительная простота конструкции и эксплуатации; достаточно высокая производительность; возможность измельчения материалов с относительно большой исходной крупностью кусков, различной гаммой свойств, в том числе и с пониженной размалываемостью как в условиях сухого, так и мокрого помолов. К основному недостатку, способствующему вытеснению ШМ другими типами помольных агрегатов, следует отнести повышенные удельные энергозатраты, к которым приво

8

дит несовершенство процессов движения мелющих тел (МТ) и выделения из шароматериальной среды кондиционных частиц материала.

На ряде предприятий нашли применение внутримельничные классифицирующие устройства и интенсифицирующие процесс движения МТ энергообменные устройства. Однако широкого распространения на эксплуатируемых в промышленности строительных материалов ШМ они не получили ввиду конструктивных и эксплуатационных особенностей.

В этой связи разработка рациональных конструкций ШМ, обладающих повышенной эффективностью процесса измельчения материала, и научных основ их проектирования, базирующихся на описаниях основных протекающих в мельницах процессов, является актуальной проблемой.

Степень разработанности темы диссертационного исследования. Значительный вклад в область исследований процессов движения мелющих тел внесли отечественные и зарубежные учёные: С.Е. Андреев, В.С. Богданов, Ю.А. Веригин, Н.Д. Воробьёв, Э. Дэвис, Д.К. Крюков, А.Н. Марюта, Т. Пошел, Р. Реичардт, В.С. Севостьянов, Н.Н Юдахин. Исследованиям процессов измельчения, классификации материалов посвящены работы: Ф.С. Бонда, М.А. Вердияна, А.А. Гриффитса, В.П. Жукова, А.И. Загустина, В.А. Кирпичева, Ф. Кика, П.А. Ребиндера, П.Р. Рит-тингера, Г. Румпфа, В.В. Кафарова, Г.С. Ходакова, Р.Р. Шарапова и многих других.

Для описания процессов движения мелющих тел применяются модели: двухфазного движения шара, сплошной или сыпучей среды, могофазного плоского движения мелющих тел. При исследовании процессов измельчения материала широко используются стохастический, селективный, энергетический методы, применения двухкомпонентных моделей. Для описания процессов классификации получили распространение стохастические модели.

Представляет интерес разработка методов, позволяющих описать во взаимосвязи процессы движения мелющих тел, их взаимодействия с внутримельничны-ми устройствами; процессы разрушения частиц материала при их взаимодействии друг с другом, мелющим телом, внутримельничным устройством; перемещения частиц из шароматериальной загрузки через отверстия классифицирующих

9

устройств; исследовать процессы с целью определения рациональных конструктивно-технологических параметров шаровых мельниц с устройствами, обеспечивающими эти процессы.

Объект исследования. Шаровые мельницы.

Предмет исследования. Процессы движения и классификации мелющих тел, измельчения материала в шаровых мельницах с энергообменными и классифицирующими устройствами.

Цель работы заключается в разработке научных основ проектирования шаровых мельниц с энергообменными и классифицирующими устройствами, обеспечивающих повышение производительности, снижение удельного расхода электроэнергии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка научных и методологических основ проектирования шаровых мельниц с энергообменными и классифицирующими устройствами.

2. Разработка метода расчета параметров процессов пространственного движения мелющих тел и частиц материала, их взаимодействия с различными конструкциями бронефутеровок, внутримельничных энергообменных и классифицирующих устройств, друг с другом; измельчения частиц материала, их классификации; расчёта «затрачиваемой» мощности, динамических нагрузок на конструкцию мельницы.

3. Разработка математических моделей процессов пространственного движения сферического тела в камерах мельницы, его взаимодействия с различными внутримельничными устройствами; разрушения сферической частицы материала и перемещения из шароматериальной загрузки через отверстия классифицирующих устройств.

4. Получение аналитических выражений для расчета изменения кинетической энергии корпуса мельницы в результате взаимодействия сферического тела с бронефутеровкой, внутримельничными устройствами, передаваемых корпусом мельницы на подшипники динамических нагрузок; методики расчёта динамических нагрузок на конструкции корпуса и устройств.

10

5. Разработка метода расчёта конструктивно-технологических параметров шаровых мельниц.

6. Исследование закономерностей процессов движения мелющих тел, классификации, их взаимодействия с бронефутеровкой, внутримельничными устройствами; измельчения материала в шаровых мельницах. Установление рациональных конструктивно-технологических параметров мельниц с энергообменными и классифицирующими устройствами.

7. Обоснование целесообразности применения энергообменных и классифицирующих устройств с учётом типоразмера мельниц, свойств измельчаемых материалов, способа и стадийности их измельчения. Разработка патентнозащищённых конструкций шаровых мельниц с энергообменными и классифицирующими устройствами, обеспечивающих повышение производительности и снижение удельного расхода электроэнергии.

8. Применение результатов работы на промышленных мельницах.

Соответствие паспорту специальности. Работа соответствует паспорту специальности 05.02.13, а именно следующим пунктам области исследований:

3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин и агрегатов и их взаимосвязей при комплексной механизации основных и вспомогательных процессов и операций.

5. Разработка научных и методологических основ повышения производительности машин, агрегатов и процессов и оценки их экономической эффективности и ресурса.

6. Исследование технологических процессов, динамики машин, агрегатов, узлов и их взаимодействия с окружающей средой.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны научные и методологические основы проектирования шаровых мельниц с энергообменными и классифицирующими устройствами.

2. Разработан метод расчета параметров процессов пространственного движения мелющих тел и частиц материала, их взаимодействия с различными конструкциями бронефутеровок, внутримельничных устройств, друг с другом; из

11

мельчения частиц материала, их классификации; расчёта «затрачиваемой» мощности, динамических нагрузок на конструкцию мельницы.

3. Разработан метод расчёта конструктивно-технологических параметров шаровых мельниц.

4. Разработаны математические модели процессов пространственного движения сферического тела в камерах конусообразной и цилиндрической формы мельницы, его взаимодействия с различными конструкциями бронефутеровок, перегородок, энергообменных и классифицирующих устройств; разрушения частиц материала при их взаимодействии друг с другом, мелющим телом, внутри-мельничным устройством; перемещения частицы из шароматериальной загрузки через отверстия классифицирующих устройств.

5. Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать изменения кинетической энергии корпуса мельницы в результате взаимодействия сферического тела с бронефутеровкой, внутримельничными устройствами, передаваемые корпусом на подшипники динамические нагрузки; методика расчёта динамических нагрузок на конструкции корпуса и устройств.

6. На основе разработанных методов исследованы и установлены закономерности изменения в мельнице с энергообменными и классифицирующими устройствами: параметров процессов движения МТ, классификации, их взаимодействия друг с другом, бронефутеровкой, внутримельничными устройствами; измельчения различных материалов; динамических нагрузок на подшипники корпуса; кинетической энергии корпуса, устройств; мощности, затрачиваемой на преодоление сил сопротивления при взаимодействии мелющих тел с внутримель-ничными устройствами и бронефутерованным корпусом.

7. Установлены рациональные конструктивно-технологические параметры шаровых мельниц с лопастными энергообменными и классифицирующими устройствами, обеспечивающими повышение производительности и снижение удельного расхода электроэнергии при помоле материалов.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что разработаны научные и методологические основы моделирования и расчета

12

параметров основных процессов, протекающих в корпусе мельницы с энергообменными и классифицирующими устройствами, расчёта её конструктивных и технологических параметров, позволяющие осуществлять постановку и решение новых задач по проектированию и модернизации шаровых мельниц.

Разработаны рекомендации использования в мельнице патентно -защищенных конструкций лопастных энергообменных и классифицирующих устройств, обеспечивающих повышение ее производительности на 12...24 %, снижение удельного расхода электроэнергии на 9.22 %.

Результаты выполненной работы реализованы при проектировании шаровых мельниц с различными конструкциями энергообменных, классифицирующих устройств и их внедрении в промышленности строительных материалов; используются в учебном процессе в БГТУ им. В.Г. Шухова.

Методология и методы исследования основывались на методах эмпирического исследования, теоретического познания, общелогических методах. В процессе исследований применялись методы математического, физического и компьютерного моделирования; математической статистики; теории подобия и размерностей; конечных элементов; измерения электрических величин.

Автор защищает следующие основные положения.

Научные и методологические основы проектирования ШМ с энергообменными и классифицирующими устройствами, включающие в себя:

- математические модели процессов пространственного движения сферического тела в камерах конусообразной и цилиндрической формы шаровой мельницы, его взаимодействия с различными конструкциями бронефутеровок, перегородок, энергообменных и классифицирующих устройств; разрушения частиц материала при их взаимодействии друг с другом, мелющим телом, внутримельничным устройством; перемещения частицы из шароматериальной загрузки через отверстия классифицирующих устройств;

- аналитические выражения, позволяющие рассчитать изменения кинетической энергии корпуса мельницы в результате взаимодействия сферического тела с бронефутеровкой, внутримельничными устройствами, передаваемые корпусом

13

мельницы на подшипники динамические нагрузки; методику расчёта динамических нагрузок на конструкции корпуса и устройств;

- метод расчета параметров процессов пространственного движения мелющих тел и частиц материала, их взаимодействия с различными конструкциями бронефутеровок, внутримельничных устройств, друг с другом; измельчения частиц материала, их классификации; расчёта «затрачиваемой» мощности, динамических нагрузок на конструкцию мельницы;

- метод расчёта конструктивно-технологических параметров мельниц;

- научно обоснованные положения о закономерностях процессов движения мелющих тел, их взаимодействия с друг с другом, бронефутеровкой, внутримель-ничными устройствами; измельчения материала в камерах конусообразной формы и цилиндрической формы с лопастными энергообменными, классифицирующими устройствами.

- патентно-защищённые конструкции ШМ с лопастными энергообменными и классифицирующими устройствами, обеспечивающими повышение их производительности и снижение удельного расхода электроэнергии.

Достоверность научных положений и выводов основывается на использовании современных методов и методик расчёта, применении контрольноизмерительного оборудования высокой точности и подтверждается совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также положительными результатами реализации научно-технических разработок в промышленных условиях.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на заседаниях технических советов Карачаево-Черкесского цементного завода, ОАО «Завод силикатных стеновых материалов»; ЗАО «Катавский цемент»; Международном конгрессе БГТУ (Белгород, 2003), Международном форуме Академии наук о Земле (2004, Москва), Международном конгрессе БГТУ им. В. Г. Шухова (2005, Белгород), Межрегиональной научной конференции с международным участием БрГУ (Братск, 2006), Международной научной конференции БГТУ им. В. Г. Шухова

14

(2007, Белгород), Международной научной конференции БГТУ им. В. Г. Шухова (2010, Белгород), Международной научной конференции СГТУ (2010, Саратов), Международной научной конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ 2010» (2010, Белгород), Всероссийской научной конференции БрГУ (Братск, 2011), Международной научно-практической конференции БГТУ им. В. Г. Шухова (2016, Белгород).

15

1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОТЫ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ

1.1 Состояние и развитие техники и технологии для помола материалов

Различия свойств материалов, подвергающихся измельчению на предприятиях строительной индустрии, масштабов и условий их переработки предопределили применение большого разнообразия видов помольного оборудования, их типоразмеров и технологических систем измельчения. Снижение себестоимости продукции положено в основу требований, определяющих их развитие: повышение эксплуатационной надёжности, производительности, универсальности применения, уровня автоматизации; уменьшение удельных энергозатрат.

При производстве строительных материалов для их измельчения достаточно широко применяются вертикальные мельницы [45, 81, 96, 118, 166, 266,267, 283, 289, 290], в которых помолу подвергаются как исходные сырьевые материалы, так и продукты термической обработки твёрдостью до 8 единиц по шкале Мооса [115]. В отечественных предприятиях этот вид производимых за рубежом помольных агрегатов начинает получать распространение при модернизации действующих технологических линий и строительстве новых. Вертикальные мельницы характеризуются высокой производительностью, достаточной эксплуатационной надёжностью, не высокими показателями удельного расхода электроэнергии на тонну тонкомолотого материала, достаточно высоким коэффициентом использования [22, 47, 78, 86, 97,116, 119, 167, 251, 259, 286]. Компанией «Loesche», занимающей одно из ведущих положений по поставкам вертикальных валковых мельниц, поставляется пять различных типоразмеров модулей для мельниц производительностью от 50 до 1400 т/ч [97, 106, 251]. При помоле цемента до удельной поверхности 3300 см2/г производительность мельниц этой компании достигает 450 т/ч. Сырьевая вертикальная шестивалковая мельница LM 69/6 компании «Loesche» с диаметрами размольных валков 2,4 м и стола 6,9 м имеет установочную мощность привода 6 МВт и обеспечивает производительность 420 т/ч при остатке измельчённого материала <20 % на сите № 0,09. Сырьевая вертикальная

16

роликовая мельница фирмы 61/30 «Polysius QUADROPOL», оснащённая приводом мощностью 7 МВт, имеет производительность по сырьевой муке 600 т/ч при остатке измельчённого материала 12 % на сте № 009 [119]. Компанией «Gebr Pfaiffer AG» выпускается вертикальная валковая мельница MVR 6700-C6 с общей установочной мощностью трёх приводов 9 мВт, обеспечивающая производительность более 400 т/ч в зависимости от соотношения клинкера и добавок [167].

В работах [85,114,242, 252] в качестве положительных характеристик вертикальных мельниц отмечаются возможность совмещения процессов сушки, измельчения и классификации; достижение производительности 850 т/ч при измельчении сырьевых материалов с влажностью до 20 % и крупностью кусков до 0,12 м. К преимуществам измельчения в этих мельницах также относят более низкий износ рабочих органов, составляющий от 3 г/т до 6 г/т и на 20.25 % более низкий удельный расход электроэнергии по сравнению с шаровыми мельницами (ШМ). Преимуществами вертикальных мельниц отмечаются сравнительно низкий уровень шума, простота автоматизации процессов, возможность изменения гранулометрии готового продукта в широких пределах, невысокие эксплуатационные расходы. В различных публикациях отмечаются противоречивые сведения об эффективности измельчении клинкера в вертикальных мельницах, что даёт основание высказать предположение о существующих проблемах, возникающих при помоле, обусловленных особенностями его свойств. Так же отмечается предпочтительность использования мельниц на стадии предварительного измельчения.

В девяностые годы прошлого столетия компанией «Five FCB» для измельчения сырьевых материалов, клинкера, шлака разработана мельница Horomill [242, 252, 254]. Несмотря на малый временной промежуток ее существования к настоящему времени на промышленных предприятиях эксплуатируется более 50 этих помольных установок. Возможность совмещения процессов сушки, измельчения материала преимущественно раздавливанием при относительно малых удельных давлениях (2,4...3,5 МПа), малое время пребывания материала в мельнице обеспечивают этой мельнице характеристики, близкие к вертикальным мельницам. Так, в работе [254] приводятся сведения о Horomill 4400, обеспечива

17

ющей при помоле цемента производительность 420 т/ч, отмечаются возможность измельчения материалов с влажностью до 20 % и на 15.20 % более низкий, в сравнении с вертикальными мельницами, удельный расход электроэнергии. Применение высокохромистых чугунов, карбидов титана и вольфрама для изготовления деталей конструкций размольных и скребковых элементов позволяет снизить удельный износ рабочих органов до 5 г/т при измельчении клинкера.

Применение пресс-валковых измельчителей получило достаточно большое распространение при помоле различных материалов как в виде самостоятельного измельчителя в комплексе с сепаратором, так и в виде предизмельчителя перед мельницей тонкого помола. Измельчение материалов раздавливанием при давлении (15.70) МПа и малое время пребывания материала в зоне измельчения существенно сокращают затраты энергии на переизмельчение, что обеспечивает ПВИ заметное преимущество перед другими помольными агрегатами [159, 172, 183, 242, 252, 278, 284]. При измельчении клинкера в комплексе «прессвалковый измельчитель - сепаратор» удельный расход электроэнергии по сравнению с ШМ снижается до 50 %, а при работе в комплексе с мельницей доизмельчения и сепаратором уменьшение составляет 30.45 %. Применение ПВИ в качестве предизмельчителя позволяет увеличить производительность помольного комплекса до 50 %. Отмечаются компактность установки и достаточно низкий удельный износ рабочих органов - около 1 г/т при измельчении клинкера. В качестве недостатков пресс-валковых измельчителей указываются не равномерное изнашивание валков по их длине, приводящее к неоднородности измельчённого материала; нецелесообразность применения для финишного помола, особенно цемента высокой прочности, из-за узкого гранулометрического распределения продукта помола.

К общим недостаткам рассмотренных мельниц следует отнести зависимости эффективности работы и гранулометрической характеристики измельчённого материала от степени износа рабочих органов.

Реализуемое в центробежно-ударных измельчителях высокоскоростное ударное воздействие на измельчаемый материал является эффективным способом помола. Эти измельчители применяются как для предварительного измельчения,

18

так и тонкого помола [7, 34, 63, 113, 186, 243] с совмещение процессов сушки, измельчения и классификации материала. Они отличаются низкой металлоёмкостью, продукты измельчения имеют дефектную структуру частиц. К недостаткам этих измельчителей относят достаточно высокий уровень шума; чувствительность к недробимым включениям; повышенный износ рабочих органов и связанный с этим дисбаланс ротора, существенно снижающий эксплуатационную надёжность.

Струйные мельницы имеют различное конструктивное исполнение и применяются как для тонкого, так и сверхтонкого помола материалов [1, 193, 199, 200]. К основным преимуществам этих агрегатов следует отнести совмещение процессов сушки; измельчения и классификации материала; малое время нахождения в зоне измельчения кондиционных частиц, исключающее переизмельчение. Шумовой уровень во время их работы не высок, высокоскоростное взаимодействие частиц материала позволяет интенсифицировать процесс измельчения, усилить механоактивацию продукта. Измельчение материалов в струйных мельницах позволяет получить достаточно чистый от примесей продукт. К их основным недостаткам относят увеличенные до 1,8 раз удельные энергозатраты по сравнению с ШМ, измельчение материалов с исходной крупностью частиц до (5... 7)-10-3 м.

Вибромельницы применяются как для тонкого, так и сверхтонкого помола материалов, обеспечивая возможность получения частиц размером 1.10 мкм [38, 90, 141, 187]. Виброизмельчение характеризуется высокой производительностью на единицу объёма. Малая производительность, нестабильный во времени гранулометрический состав, повышенный удельный расход электроэнергии; необходимость принудительного охлаждения корпуса, эффективность использования мельницы только на стадии домола ограничили рас-пространение вибромельниц.

Шаровые мельницы более века применяются на промышленных предприятиях и получили наибольшее распространение для грубого и тонкого помола различных материалов благодаря универсальности применения; простоте конструкции и её эксплуатации; достаточно высокой производительности, возможности измельчения материалов с достаточно большой исходной крупностью кусков (25...35)-10-3 м, различной гаммой свойств, в том числе и с низкой размалываемо-

19

стью, как в условиях сухого, так и мокрого помолов [85,110, 131, 172, 183, 242, 268]. Разнообразие свойств материалов, условия измельчения, требования к производительности и ряд других технологических факторов способствовали появлению большого количества различных типоразмеров ШМ как непрерывного, так и периодического действия. Так, мельница мокрого самоизмельчения ММС-7х2,3 с установочной мощностью привода 1,5 МВт обеспечивает производительность 500 т/ч по мело-глинистому шламу. Мельница ОхЪ=4,4*14м имеет установочную мощность привода 4,4 МВт и при регламентированной тонкости помола цемента обеспечивает производительность 135 т/ч. Вместе с тем ШМ характеризуются повышенными удельными расходами электроэнергии, материала бронеплит и мелющих тел (МТ); металлоёмкостью; шумом, превышающим допустимые нормы. Следует отнести основной недостаток ШМ - повышенные удельные энергозатраты на процесс измельчения материалов, её не достаточно эффективное технологическое и конструктивное совершенствование. Особенностью процесса измельчения материала является длительное, до десяти минут и более, время его нахождения в корпусе. При продвижении измельчаемого материала вдоль корпуса в его среде увеличивается содержание кондиционной фракции и к концу камеры грубого помола её содержание может составлять до 50 %. Наличие мелкой фракции материала снижает эффективность измельчения крупной, поэтому целесообразно организовать её вывод из камеры по мере образования, совмещая процессы измельчения и классификации. Находящийся в определённой зоне ШМ материал имеет значительно отличающиеся размеры частиц, а в случае его многокомпо-нентности - и размалываемости. При этом разрушение его частиц в зоне осуществляется движущимися в постоянном и характерном для нее режиме МТ, различие в размерах которых существенно отличается от различий размеров частиц.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ханин, Сергей Иванович, 2016 год

- - / -

7(Егеи^ = 4)= 7(Етеи^ ,), >2.

(4.66)

Здесь - число элементарных ячеек, выделенных на внутренней поверхности классифицирующего устройства. В случае, если на поверхности классифицирующего устройства имеется одна элементарная ячейка, второе слагаемое выражения

(4.66) будет равно нулю.

Введём прямоугольную систему координат (рис. 4.11), направим ось OZ в сторону продольной оси корпуса мельницы, а классифицирующую поверхность совместим с плоскостью УОИ. Введём следующие обозначения: а' - угол между проекцией қ' на плоскость УОИ и осью OZ; - угол между проекцией қ' на

плоскость УОУ и осью ОУ. Выразим функции углов:

sin (а') = . — .

1^ 'I.

sin (') = . -.

( )

(4.67)

(4.68)

152

Здесь I Қ1 I, I I, IҚ' I - величины проекций қ' на оси ОУ, OZ.

Выражения, определяющие величины и У проекций линейных размеров / и классифицирующих отверстий на перпендикулярно расположенную по отношению к вектору скорости у' плоскость будут иметь вид:

6' = 6sin(а') , (4.69)

/' = /sin (') =

(4.70)

При установлении вероятности Р2(Етаи/2 у Ет^и/,) перемещения через классифицирующее отверстие частицы, находящейся в области расположенного над ним пространства, будем исходить из того, что её перемещение будет осуществляться при соблюдении условия, что она имеет размер, меньший размеров отверстия и расположена по отношению к нему большей своей частью. Вероятность перемещения частицы через отверстие зависит от величин частицы и проекций его размеров, определяемых по (4.69), (4.70). Определим в виде:

(Zve^ / Zve^) = —. (4.71)

Здесь для отверстия - активная площадь; индекс «1» устанавливает соответ

ствие одному отверстию.

В рассматриваемом случае за активную площадь принимаем часть площади отверстия, ограниченную замкнутой линией, находящейся от его краёв на расстоянии, превышающем радиус частицы. На рис. 4.11 область активной части отвер-

стия выделена пунктиром.

Т,, = 4( 6' - )(/' - ^),

После подстановки (4.72) и (4.73) в (4.71) получаем:

(/' - )(6' - )

/6

После подстановки (4.69) и (4.70) в (4.74) получаем:

( Zve^ / Zve^Z, ) =

(6у 1, - ) - (/ М - )

/ - 6 -

(4.72)

(4.73)

(4.74)

(4.75)

Т, = 4, - У'/'.

/ Zvew/,) =

Введём обозначение параметром ^2д правой части соотношения (4.75). В

153

рассматриваемой функциональной зависимости не учтено направление движения частицы относительно отверстия, поэтому при её рассмотрении нужно соблюдать следующее условие:

Д (Етеи^ / Етеи?) =

0,

< 0,.

> 0.

(4.76)

Так как ось Z системы координат направлена в сторону от отверстия к продольной оси корпуса мельницы, то при д' < 0 частица движется в направлении отверстия и при соблюдении соответствующих условий она переместится через него. При и' > 0 частица движется в направлении от отверстия, при и) = 0 - непо

движна: в этих случаях вероятность её перемещения через отверстие равна нулю.

Проведя соответствующие преобразования, запишем выражение (4.58), устанав

ливающее вероятность перемещения частицы материала размером J через классифицирующие отверстия прямоугольной, эллипсообразной или круглой форм бронефутеровки внутримельничного классифицирующего устройства, в следую-

щем виде:

т* =______

Е fз-и"

-1

=1

(-^1 - / - А)'-() Ъ

7

< 0,. дриЦ^ > 0.

)-('ИТ

), (4.77)

или

Е (Етеи? Етеи^ ) =<

(4.78)

, . ЛЧ

(f - 3)'

Полученное аналитическое выражение (4.78) описывает вероятность перемещения частицы материала из шароматериальной среды через отверстия прямоугольной, эллипсообразной и круглой форм плоской бронефутеровки внутри-мельничного классифицирующего устройства при его каркасной конструкции.

4.3.2 Определение вероятности перемещения частиц материала через отверстия колосниковой классифицирующей поверхности

Другим вариантом является выполнение корпуса внутримельничного классифицирующего устройства из износостойких колосников трапециевидного, эллипсообразного или круглого профиля, расположенных равноудалённо и парал

154

лельно по отношению друг к другу и продольной оси корпуса мельницы. Расположенные рядом колосники образуют между собой сквозные щелевые классифицирующие отверстия прямоугольного сечения. Схема фрагментов классифицирующего устройства с колосниками трапециевидного профиля приведена на рис. 4.12. В точку взаимодействия частицы материала с классифицирующей поверхностью введём начало системы координат и расположим ось ОУ перпендикулярно касательной к классифицирующей поверхности устройства, а ось OZ - в направлении продольной оси корпуса. При трапециевидной форме колосников их меньшие основания расположены со стороны корпуса. Обозначим внутренний диаметр классифицирующего устройства как D^; ширину колосника, со стороны центральной части камеры устройства - J^; ширину промежутка (щелевого отверстия между соседними колосниками) в месте расположения больших оснований поперечных сечений колосников - (рис. 4.12). В рассматриваемом случае отличительной особенностью, в сравнении с вариантом бронефутерованной каркасной конструкции устройства, является то, что длина выделенной ячейки У приравнивается к длине классифицирующего отверстия 7 и уменьшение её величины на размер частицы ?' рассматривать не целесообразно исходя из значительного превышения длины отверстия над шириной. Также, ввиду малости соотношения длины и ширины отверстия, нецелесообразно в расчётах учитывать влияние угла определяющего проекцию Е' на ось OZ, совпадающую с продольным направлением колосников. Аналогично (4.58) для установления вероятности перемещения

частицы материала размером ?' через щелевое отверстие между колосниками, которая определяется двумя последовательно совершающимися событиями - её перемещением в область пространства над отверстием и последующим перемеще -

нием через отверстие, запишем выражение:

Е (Егел/, Егел^ ) = Ек (Егел/, = ) - Ек (Егел^ / Егел/,)

(4.79)

Здесь Ец (Егел^ = Sj?) - вероятность перемещения частицы в область пространства

над щелевым отверстием; Ек (Еуел^/Еуел/,) - вероятность перемещения через межколосниковое щелевое отверстие расположенной возле него частицы раз-

155

мером <%, имеющей скорость қ', при условии наступления события

Л К ( /nY7 ?/ -_ .

Рисунок 4.12. Схема к расчёту активной площади классифицирующих отверстий на устройствах колосникового типа

Определим площади межколосникового щелевого отверстия _Л///И колосника в месте расположения больших оснований поперечных сечений колосников:

(4.80)

81)

Здесь - параметр, характеризующий поперечное сечение колосника

- при трапециевидном сечении, = 1 - при круглом сечении); - угол между пересекающимися поверхностью большего основания колосника и поверхностью щелевого отверстия, расположенной со стороны центральной части классифицирующего устройства.

(4.82)

Здесь яд - число колосников, образующих камеру устройства.

Вероятность перемещения частицы в область пространства над одним межколосниковым щелевым отверстием установим аналогично (4.59):

(4.83)

156

Вероятность перемещения частицы в область пространства над /-ww^ ще-

левым отверстием установим аналогично (4.65) и (4.66):

" .2-', +2-'„)' J

+ 2"

(4.84)

Вероятность перемещения через межколосниковое щелевое отверстие расположенной возле него частицы размером имеющей скорость , при условии наступления события Тк () установим аналогично (4.71):

3

4"Х7

(4.85)

Здесь 3„'у и - общая и активная площади сечения межколосникового щеле-

вого отверстия.

„ ^')'

4"Х7 = 2 „

J„ sin(а ) р—-------

(4.86)

(4.87)

(4.88)

После подстановки (4.86), (4.87) и (4.88) в (4.85) получаем выражение вида:

Тк () =

='-

(4.89)

Тк () =

()-1

f

^'"' 1^.1

С учётом (4.84), (4.89) и в соответствии с (4.79) выражение для установле

ния вероятности перемещения частицы материала размером ' через щелевое от

верстие между колосниками, которая определяется двумя последовательно совершающимися событиями - её перемещением в область пространства над отвер-

стием и последующим перемещением через отверстие, запишется в виде:

Т ХЕ

(4.90)

^"' „' ( ^") *( „' )

- ^х +<5" +J" )'+' J

+И;2

^„ - И

(4.91)

' -

В рассматриваемой функциональной зависимости не учтено направление

157

движения частицы относительно отверстия, поэтому при её рассмотрении нужно соблюдать следующее условие:

(Zve^/g

ZveM^ ) =<

(4.92)

< 0.

> 0

Как и в ранее рассмотренном случае при у < 0 частица движется в направлении щелевого отверстия и при соблюдении соответствующих условий она переместится через него. При > 0 частица движется от отверстия, при у = 0 - неподвижна: в этих случаях вероятность её перемещения через отверстие равна 0.

Полученное аналитическое выражение (4.92) описывает вероятность перемещения частицы материала из шароматериальной среды через межколосниковое щелевое отверстие классифицирующего устройства колосниковой конструкции.

Полученные математические модели процессов разрушения частицы материала сферической формы, её перемещения из шароматериальной загрузки через отверстия классифицирующего устройства, совместно с математическими моделями процессов движения МТ, частиц материала и их взаимодействия друг с другом, бронефутеровкой, устройствами, позволяют реализовать метод расчета параметров

процессов пространственного движения мелющих тел и частиц материала, их взаимодействия с различными конструкциями бронефутеровок, внутримельничных устройств, друг с другом; измельчения частиц материала, их классификации; расчёта «затрачиваемой» мощности, динамических нагрузок на конструкцию мельницы [211, 234].

Выводы

1. Разработаны патентно-защищённые конструкции внутримельничных классифицирующих устройств шаровых мельниц, обеспечивающих совмещение процессов классификации МТ от крупных к мелким; измельчения материала, выделения из шароматериальной среды частиц определённой крупности, их транспортирования в направлении от загрузочной части мельницы.

2. Предложено объединение внутримельничных классифицирующих

158

устройств по их технологическому назначению.

3. Получена математическая модель для определения критической скорости, принятой в качестве параметра, характеризующего процесс разрушения частиц материала сферической формы с несущественно анизотропными свойствами при их взаимодействии друг с другом, мелющим телом, внутримельничным устройством.

4. Исследованы особенности процессов взаимодействия частиц материала с мелющими телами и с бронефутерованной поверхностью внутримельничных устройств. Установлена возможность подбора, с использованием полученных аналитических выражений, рациональной области размеров мелющих тел, обеспечивающих разрушение частицы материала при минимальной скорости их взаимодействия.

5. Получена математическая модель, описывающая принятую в качестве характеристики процесса перемещения через классифицирующие отверстия устройств находящейся в шароматериальной загрузке частицы материала, вероятность перемещения частицы через щелевое отверстие классифицирующего устройства колосниковой конструкции и её перемещение через отверстия прямоугольной, эллипсообразной и круглой форм плоской бронефутеровки при каркасной конструкции устройства.

159

5 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ХАРАКТЕРИСТИКА ОБОРУДОВАНИЯ

5.1 Оборудование и средства для проведения исследований

Экспериментальный помольный комплекс (рис. 5.1) разработан для проведения исследований процессов движения МТ, измельчения материалов в шаровых мельницах с различными конструкциями внутримельничных устройств, установления взаимосвязи конструктивно-технологических параметров агрегатов.

Подлежащий измельчению материал подавался в загрузочный бункер ленточного весового дозатора, откуда через шиберный затвор равномерно поступал на ленту дозатора. Затем, в задаваемом дозатором весовом количестве он направлялся в загрузочные бункера мельниц непрерывного действия ЭхЬ=1х0,6м; либо ЭхЬ=0,5х1,5м. Конструктивные исполнения мельниц позволяют осуществлять изменение длин камер, коэффициентов и ассортиментов загружаемых в них МТ, видов используемых внутримельничных устройств, числа оборотов корпусов. Измельчённый в мельнице материал поступал в разгрузочную камеру и далее ячейковым питателем подавался в накопительный бункер. Двухступенчатая система аспирации обеспечивает очистку аспирационного воздуха при его движении в мельницах в диапазоне скоростей от 0 до 3 м/с. Плавное регулирование скорости его движения осуществлялось изменением скорости вращения вентиляторного колеса вентилятора высокого давления ВВД-5. Подключение (либо отключение) мельниц к аспирационной системе осуществлялось при помощи задвижек. Первая ступень очистки запылённого воздуха осуществлялась в циклоне ЦН-15П-400, вторая - в двух пылеулавливающих агрегатах ЗИЛ-900М. Очищенный воздух из аспирационного трубопровода выбрасывался в атмосферу.

Мельница ЭхЫх0,6м использовалась для предварительного измельчения различных материалов цементного производства (рис. 5.2... рис. 5.6). Она разрабатывалась с возможностью приближения исходной крупности подаваемого в неё материала к регламентированной промышленными предприятиями.

160

Рисунок 5.1 Экспериментальный помольный комплекс: о) - фотография; б) - схема цепей оборудования; 1 - бункер раздаточный; 2 - шиберный затвор; 3 - дозатор; 4 - мельница D*L=0,5xl,5M; 5 - мельница DxL=l*0,6M; 6 - задвижка; 7 - циклон; 8 - фильтр;

9 - вентилятор; 10 - разгрузочная камера; 11 - накопительный бункер;

12 - аспирационные трубопроводы; 13 - пульт управления

Привод обеспечивает вращение корпуса с числом оборотов %= 10... 103 об/мин. Его электродвигатель постоянного тока 5БОТ637У4 (Е = И кВт, и = 2200/3600 об/мин) имеет тахогенератор, электрический сигнал которого подается на электропривод. Электропривод ЭТЗ-З автоматически поддерживает зада-

161

ваемую частоту вращения ротора независимо от изменения крутящего момента.

Рисунок 5.2 Схема экспериментальной мельницы D*L=1 *0,6м: 1 - корпус; 2 - роликоопора;

3 - зубчатая передача; 4 - редуктор; 5 - промежуточный вал; 6 - электродвигатель;

7 - тахогенератор; 8 - загрузочный бункер; 9 - разгрузочная камера; 10 - рама;

11 - регулируемый источник постоянного тока; 12 - комплекс обработки информации;

13 - делитель напряжения; 14 - датчик тока

Рисунок 5.3. Корпус экспериментальной ШМ D*L=1 *0,6м с ЦКУ: о) фотография; б) цифровая модель; 1 - барабан; 2, 3 - загрузочная и разгрузочная части; 4 - торцевое кольцо; 5,6 - обоймы наружная и внутренняя; 7 - фиксирующие кольцо; 8 - межкамерная перегородка; 9 - колосник;

10 - распорное устройство; 11 - дистанционное устройство; 12, 13 - болты упорный и регулировочный; 14 - винтовой транспортёр

Электрические сигналы с датчика тока, делителя напряжения и тахогенера

162

подаются на комплекс обработки информации, где обрабатываются в необходимый для анализа вид.

о)

б)

Рисунок 5.4. Комплекты конструктивных элементов цилиндрических классифицирующих устройства: о) - кольца торцевые; б) - обоймы наружные; ф обоймы внутренние;

а) перегородки межкамерные

Для ШМ D L=1 0,6 м разработаны комплекты различных конструкций устройств: цилиндрического классифицирующего устройства (рис. 5.3, рис. 5.4, рис. 5.5, а), конусообразного классифицирующего устройства (рис. 5.5, б), энергообменного классифицирующего устройства (рис. 5.6).

Конструкция ЦКУ сборно-разборная, с внутренним диаметром 0,6 м. Конусная обечайка ККУ имеет внутренний диаметр большего основания 0,6 м. Камера ЭКУ имеет внутренний диаметр 0,6 м. Лопастные эллипсные сегменты установлены в камере устройства под углом 65° к ее продольной оси, расположены у её торцов на диаметрально противоположных сторонах параллельно друг другу. Крышки ЛЭС расположены параллельно их решёткам с образованием полостей.

Экспериментальная мельница непрерывного действия D L=0,5 ] ,5 м применялась как для предварительного измельчения, так и тонкого помола различных

163

материалов цементного производства (рис. 5.7, рис. 5.8). Разгрузка материала из мельницы осуществляется центрально через полую цапфу в разгрузочную камеру, откуда он ячейковым питателем направляется в накопительный бункер.

Рисунок 5.5. Внутримельничные устройства и их элементы в корпусе ШМ DxL=l*0,6M: о) - колосниковые элементы ЦКУ; ф) - ККУ

Центральный привод с электродвигателем постоянного тока мощностью 6 кВт, числом оборотов п = 24,17 с(1450 об/мин) обеспечивает вращение барабана с частотой п'б = 0,16...2,08 с"! (10... 125 об/мин). Контроль и регулирование частоты вращения ротора электродвигателя осуществлялись соответственно тахогенератором типа ТМГ-30 ГОСТ 20459-75 и регулируемым источником постоянного тока типа ЭТЗ-3-160М/2200У4 мощностью И кВт. Электропривод обеспечивает автоматическое поддержание заданной частоты вращения ротора независимо от изменения крутящего момента. Электрические сигналы с датчика тока электродвигателя, делителя напряжения, тахогенератора подавались на комплекс обработки информации. В качестве внутримельничных устройств использовались ЦКУ, ККУ (рис. 5.9, а, б), одинарная и двойная элеваторная перегородки. Конусная обечайка имеет внутренний диаметр у большего основания 0,446 м, длину 0,33 м, угол б = 15°; цилиндрическая - внутренний диаметр 0,446 м, длину 0,33 м.

Ленточный весовой дозатор, с мощностью привода 340 Вт, обеспечивал подачу материала от 25 кг/ч до 1000 кг/ч. Предел допускаемой погрешности в режи

164

ме непрерывного дозирования не превышал ±0,5 %. Значение производительности дозатора отображается в режиме реального времени на графическом дисплее. Тарирование дозатора осуществлялось взвешиванием поданного им материала.

Рисунок 5.6 Энергообменное классифицирующее устройство ШМ D*L=lxO,6M

Вентилятор высокого давления ВВД-5 имеет производительность по воздуху до 0,6 м^/с, разряжения - до 5500 Па, коэффициент полезного действия - 0,65.

Рисунок 5.7. Схема экспериментальной ШМ DxL=0,5xl,5M: 1 * барабан, 2 и 3 - загрузочная и разгрузочная части, 4 - цапфовый подшипник, 5 - роликоопора, 6 - разгрузочная камера, 7 -промвал; 8 - редуктор цилиндрический; 9 - муфта; 10 - электродвигатель; 11 - тахогенератор;

12 - рама, 13 - регулируемый источник постоянного тока, 14 - комплекс обработки информации, 15 - делитель напряжения, 16 - датчик тока

Пылеулавливающий агрегат ЗИЛ-900 (рукавный фильтр) имеет производи

165

тельность по воздуху 0,25 м^/с, степень очистки - 99,9 %.

Рисунок 5.8. Внутримельничные классифицирующие устройства экспериментальной мельницы D*L=0,5x 1,5м: ЦКУ иККУ

Циклон ЦН-15П-400 конструкции НИИОГаз имеет следующие основные характеристики: допускаемая запылённость газа < 1200 г/м\ максимальное разряжение - 5000 Па, производительность по воздуху - до 0,5 м'Ус.

Шаровая мельница D L=0,45 0,5 м непрерывного действия использовалась для исследования процесса сегрегации МТ; изменений мощности, потребляемой электродвигателем при установке различных ЛЭУ. Для снижения влияния биения элементов конструкции корпуса на изменение токовой нагрузки электродвигателя корпус мельницы изготовлен с высокой точностью. Дополнительно изготовлена стеклянная крышка для киносъёмки процесса движения МТ. Двухскоростной электродвигатель постоянного тока 5БОТ637У4 (Т* = И кВт, и = 2200/3600 об/мин) оснащен тахогенератором. Привод обеспечивает вращение барабана с частотой и = 0,16. . . 3,65 с"' (10. . .219 об/мин). Контроль частоты вращения промежуточного вала осуществляется с тахогенератором ТМГ-30.

Для исследования взаимодействия внутримельничных устройств с МТ были изготовлены различные их конструкции. Лопастные эллипсные четвертькольце-вые устройства устанавливались на противоположных сторонах корпуса мельницы повёрнутыми относительно друг друга плоскими наклонными элементами на

166

угол 90°: проекция плоских наклонных элементов на плоскость, перпендикулярную продольной оси корпуса, представляет собой кольцо. Каждое из плоских эллипсных колец расположено по углом 60° к продольной оси корпуса (рис. 5.10, а). Наклонное продольное лопастное устройство состоит из лопастей, расположенных параллельно продольной оси корпуса и составляющих с его радиусом угол 157°30' (рис. 5.11,6).

Рисунок 5.9. Экспериментальная ШМ D*L=0,5xl,5M: Ц? * фотография мельницы с эквивалентным устройством; б) - схема: 1 - корпус, 2, 3 - загрузочная и разгрузочная крышки, 4 -роликоопора; 5 - зубчатая пара; 6 - промвал; 7 - тахогенератор; 8 - клиноременная передача, 9 - электродвигатель, 10 - делитель напряжения, 11 - датчик тока,

12- регулируемый источник постоянного тока, 13 - комплекс обработки информации

Наклонная межкамерная перегородка устанавливалась под углом 60° к продольной оси корпуса, на одинаковом расстоянии от днищ (рис. 5.10, ц). Лопастные

167

эллипсные сегменты размещались у днищ на диаметрально противоположных сторонах; их плоскости располагались параллельно друг другу и наклонёнными к продольной оси корпуса под углом 60° (рис. 5.10, а). Двухзаходные винтовые лопасти устанавливалась соосно корпусу, повёрнутыми винтовыми поверхностями относительно друг друга на угол 90° (рис. 5.10, 0). Угол подъёма их винтовой линии составлял 22030'. Для исследования потерь мощности в механической передаче мельницы DxL=0,45x0,5 м и «затрачиваемой» на обеспечение движения МТ было изготовлено эквивалентное устройство (рис. 5.9, а, рис. 5.10, «). Его общая масса составляет 148,88 кг. Определённое сочетание составных элементов эквивалентно соответствует массе МТ, загружаемых в мельницу с коэффициентом загрузки от 0,2 до 0,4 и интервалом, равным 0,02. Эквивалентное устройство устанавливалось соосно корпусу.

Для изучения процесса движения МТ использовалась действующая модель ШМ DxL=0,1x0,5м с прозрачным корпусом. Она загружалась стальными шариками диаметром 0,002 м и обеспечивала изменение частоты вращения корпуса (н^ = 0,16... 1,66 с-1), возможность установки различных внутримельничных устройств, кинофотосъёмку корпуса, движущихся МТ и внутримельничных устройств.

Для исследования процесса разрушения одиночных частиц материала были изготовлены стенд для разрушения, приспособления для изготовления сферических частиц материалов (рис. 5.11, а, б) и сферические частицы из различных материалов (рис. 5.12). Стенд состоит из стойки, крестовины; ползуна с приспособлением для позиционирования частицы; стальной плиты.

Для рассева исходного материала, проб грубомолотого материала применялся виброгрохот с рамочным столом для установки набора стандартных сит, мощностью электродвигателя вибропривода 1 кВт. На виброгрохоте использовались листовые сита с круглыми ячейками № 40; 30; 25; 20; 15; 10; 7,5; 5; 2,5 (ГОСТ 6613-86) и проволочные сита с квадратными отверстиями № 1,25; 0,63; 0,315; 0,2; 0,125; 0,08; 0,071; 0,04 (ГОСТ 3584-73). Тонкомолотый материал рассеивался механическим способом на приборе для определения тонкости помола цемента типа СММ. Количество встряхиваний набора сит прибора в минуту - 278;

168

частота вращения набора сит - 265 об/мин; мощностью электродвигателя привода

- 50 Вт. На приборе использовались сита № 0,2; № 0,08; № 0,071 и № 0,04.

Рисунок 5.10. Внутримельничные устройства экспериментальной ШМ DxL=0,45*0,5M:

д) - ЛЭЧУ; б) - НПЛУ; ф - НМЛ; а) - ЛЭС; Э) - ДВЛ; ej - детали эквивалентного устройства

Сушильный шкаф КС 100/200 применялся для сушки материала. В рабочей камере объемом 0,1 м^ поддерживается температура от +40°С до +200°С, с максимальной объёмной неравномерностью от средней температуры в камере ±1,5 %.

169

Рисунок 5.11.: о) - стенд для разрушения частиц материала; б) - приспособление для изготовления сферических частиц с калибровочным устройством

Рисунок 5.12. Сферические частицы материала: о) - перед экспериментом, диаметром 0,03 м:

1 - клинкер, 2 - известняк, 3 - мел; б) - разрушившаяся на стальной плите меловая частица

Для подготовки материала заданного грансостава использовался лопастной смеситель периодического действия с объёмом смесительной камеры 0,06 м^.

Комплекс обработки информации включает аналого-цифровой преобразователь ЛА-70М4, ЭВМ (рис. 5.2, рис. 5.7 и рис. 5.9), приборы для контроля величин напряжения и тока. Он использовался совместно с датчиками тока, делителями напряжения и тахогенераторами для контроля и преобразования поступающих с них сигналов, характеризующих величины напряжения, потребляемого тока, числа оборотов в сигналы цифрового кода, а затем в цифровой и графический виды,

170

удобные для анализа информации.

Контрольные измерений величин электрического тока и напряжения осуществлялись вольтамперметрами постоянного тока М2044 (ГОСТ 8711-93). Прибор класса точности 0.2 имеет конечные значения диапазонов измерений по напряжению 600 В, потоку - 30 А; максимальную основную погрешность измерений для всех диапазонов - 0,2 %. В качестве датчика тока использовался датчик ТДХ-150, предназначенный для преобразования силы постоянного и переменного электрических токов для гальванически изолированной цепи. Максимально измеряемая датчиком величина тока 150 А, основная приведённая погрешность не превышает ±1 %, нелинейность преобразований составляет 0,1 %. Напряжение на выходе при максимальном значении измеряемого тока 150 А соответствует ±15 В. Полярность напряжения зависит от направления измеряемого электрического тока. Для согласования выходного напряжения датчика тока ТДХ-150 с входными цепями платы АЦП ЛА-70М4 не требуется дополнительных цепей преобразования. Для подачи напряжения на плату АЦП ЛА-70М4 использовался делитель напряжения, выполненный по стандартной схеме с коэффициентом деления 50.

Для преобразования частоты вращения валов в электрический сигнал использовался датчик в виде тахогенератора ТМГ 30 (ГОСТ 20459-75) с пределом измерений 0.66,7 с-1, погрешностью измерений ±1 %.

Преобразование аналоговых сигналов датчиков тока ТДХ-150, делителя напряжения цепи питания электродвигателя мельницы в сигналы цифрового кода осуществлялось с помощью многофункциональной платы аналого-цифрового преобразования ЛА-70 М для IBM-PC/XT/AT совместимых ЭВМ. Она имеет 16 однополюсных или 8 дифференциальных аналоговых каналов с входным сопротивлением не более 100 МОм; максимальную частоту выборки, не превышающую 13 кГц, с временем преобразования 70 мкс; диапазон входного сигнала в дифференциальном, наиболее точном виде измерения, ±5 В; защиту по напряжению входной цепи ±15 В. Плата АЦП подключалась к шине ISA-8 компьютера, передача данных осуществлялась по программному прерыванию компьютера. Для обработки сигналов цифрового кода с АЦП использовался компьютер с процессо

171

ром IntelCeleron 566 МГц. На ЭВМ объем жёсткого диска составлял 10 Гб, оперативной памяти - 64 Мб; установлена операционная система Windows98.

Изменение частоты вращения корпусов экспериментальных мельниц осуществлялось регулированием частоты вращения роторов электродвигателей их приводов. Для этого использовался регулируемый источник постоянного тока ЭТЗ-3-160М/2200У4, обеспечивающий автоматическое регулирование частоты вращения ротора электродвигателя. Он поддерживает заданную частоту вращения ротора независимо от изменения величины крутящего момента на его валу с отклонением ±1 % в диапазоне используемых частот.

Для проведения численного эксперимента использовался компьютер с процессором IntelCore 2 Duo 6600. Объем жёсткого диска составлял 620 Гб, оперативной памяти - 2 Гб. На компьютере установлена операционная система Windows XP Professional SP3.

Взвешивание сферических частиц материала перед разрушением на стенде и после удара о стальную плиту, отделившихся от них фрагментов, осуществлялось на лабораторных весах второго высокого класса точности типа Sartotius BP 300S (номер по госреестру: 23625-02). Взвешивание проб тонкомолотого материала осуществлялось на лабораторных весах первого специального класса точности типа ЛВ 210-А. Взвешивание проб грубомолотого материала при определении тонкости помола производилось на весах четвертого класса точности типа ВЛЭ-1100 ГОСТ 24104-88. Взвешивание МТ и материала для проведения эксперимента; материала при тарировании ленточного весового дозатора и из накопительных ёмкостей осуществлялось на весах типа МТ15В1ДА-8/6 (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Основные характеристики используемых весов

№ п/п Характеристика Наименование

SartotiusBP 300S ЛВ 210- А ВЛЭ- 1100 МТ15В1ДА- 8/6

1 Наибольший предел взвешивания, кг 0,3 0,21 1,1 15

2 Наименьший предел взвешивания, кг 2-10-5 Г10-5 2-10-3 0,04

3 Предел допускаемой погрешности, кг 1,5'10-6 0,8-10-6 Г10-4 5-10-3

Для определения расхода чистого воздуха применялся лемнискатный кол

172

лектор. Давление воздуха определялось барометром - анероидом БААМ, ГОСТ 6466-73, с погрешностью измерений ± 0,2 кПа; температура - стеклянным техническим термометром (ГОСТ 28498-90) с предельным значением диапазона измерений 50оС. Относительная влажность воздуха измерялась психрометром МВ-4М. Киносъёмка движения МТ в мельницах DxL=0,1x0,5 м с прозрачным корпусом и DxL=0,45x0,5 м со стеклянным днищем осуществлялась цифровой камерой SONYDSR205P с частотой кадров 25 кадр/с с разрешением 720x576 рх.

При проведении исследований в условиях предприятий текущий контроль параметров мельниц осуществлялся по показаниям заводских приборов. Для оперативного контроля параметров использовались: расходомер индукционного типа (грубомолотый шлам); прибор контроля числа оборотов тарели питателя. Точный контроль характеристик измельчаемых материалов - тонкости помола, влажности, титра шлама, содержания огарок осуществлялся в заводской лаборатории стандартными методами. Производительность определялась по замерам уровня шлама в шламбассейнах, сырьевой муки и цемента - в силосах; количества потребляемой электроэнергии - по разнице показаний счётчиков на электроподстанции. Оперативное определение массы МТ в мельнице осуществлялось измерением уровня их загрузки в камерах и по тарировочной зависимости потребляемой мощности от коэффициента загрузки МТ, контрольное - взвешиванием на заводской весовой станции. Контроль температуры опорных подшипников, величины токовой нагрузки и температуры фазных обмоток двигателя главного привода - по приборам пульта управления мельницей.

Таким образом, рассмотрены характеристики используемых для проведения экспериментальных исследований стендовых установок и контрольноизмерительного оборудования.

5.2 Методики проведения экспериментальных исследований

Программами физических экспериментальных исследований предусматривалось подтверждение адекватности полученных математических моделей, описывающих параметры процессов движения МТ в корпусе мельницы, разрушения

173

частиц материала при их взаимодействии друг с другом, мелющим телом, внут-римельничными устройствами, классификации частиц материала через внутри-мельничные просеивающие поверхности; исследование процессов измельчения материалов, движения МТ в корпусе ШМ, их взаимодействия друг с другом, внутримельничными устройствами; определение рациональных значений конструктивно-технологических параметров ШМ; подтверждение эффективности применения результатов исследований.

Эксперименты проводились в соответствии с существующими методиками и рекомендациями [44, 169, 170, 177].]. Предварительное определение производительности экспериментальных мельниц осуществлялся по показаниям дисплея ленточного весового дозатора, окончательное - по измерению массы материала в накопительных бункерах после проведения каждого эксперимента.

Расчёт ассортимента шаровой загрузки мельниц осуществлялся на основании рекомендаций ОРГПРОЕКТЦемента [170]:

Здесь - диаметр шара формируемой загрузки, мм; с - коэффициент размалыва-емости; - средний размер куска фракционного остатка, мм.

Массовое количество шаров определённого диаметра в мелющей загрузке

определялось выражением:

= У/с' ' У ' . (5.2)

Здесь Р - объем загружаемой камеры мельницы, м3; Х - коэффициент загрузки камеры; у - объемная масса шаров данного диаметра, кг/м3; - фракционный остаток на сите материала, соответствующий расчетному диаметру шара, доли ед.

Процентное содержание шаров в определённой фракции:

= Я". (5.3)

Критическое число оборотов барабана мельницы и рабочее Ир определя

лись соответственно выражениям:

42,4

"кР =

Здесь D - диаметр камеры мельницы в свету, м.

%р 0,76%кр.

(5.5)

174

Подготовка материала определённого гранулометрического состава для исследований осуществлялась рассевом исходного на стандартных наборах сит, отвешиванием требующихся фракций в определённых количествах и их усреднением в двухвальном лопастном смесителе периодического действия.

Определение удельной поверхности проб материала осуществлялось на приборе ПСХ-2.

Съёмка процесса движения МТ осуществлялась цифровой кинокамерой SONYDSR205P; последующий анализ процесса - на ЭВМ.

Измерение величин напряжения и силы тока в цепях электродвигателей постоянного тока приводов экспериментальных мельниц осуществлялось датчиком тока ТДХ-150 и делителем напряжения с последующим преобразованием их аналоговых сигналов платой АЦП в сигналы цифрового кода и их обработкой на ЭВМ в удобные для анализа цифровой и графический виды. Информация выводилась в виде значений силы тока, напряжения и интегральной характеристики -потребляемой электродвигателем мощности:

А = / - 7/. (5.6)

Здесь / - величина силы постоянного тока, А; С- величина напряжения, В.

Для работы комплекса обработки информации использовалась программа, позволяющая в режиме реального времени выводить на дисплей компьютера сведения о величинах напряжения, силы тока, потребляемой мощности в виде графиков и таблиц, осуществлять запись полученных результатов в файл. При работе с программой первоначально настраивались параметры: выбирался драйвер устройства АЦП; адрес, по которому происходит обращение к устройству в операционной системе с выбором номера прерывания; выбор режима работы (однополюсный или дифференциальный) с коэффициентом усиления для всех каналов и максимальным временем ожидания данных с устройства АЦП; количество измеряемых параметров с частотой получения данных; калибровка для каждого канала измерения с указанием смещения нулевого значения и коэффициента масштабирования; каналы для получения значений тока в цепи и напряжения, а также каналы для расчёта мощности; точность результирующих данных, задаваемая функци

175

ей округления до определённого разряда; время проведения замеров с указанием их количества на этом промежутке времени и количества контрольных замеров. После настройки программы на вход платы АЦП подавались соответствующие аналоговые сигналы, затем запускалась обработка измерений в программе по нажатию кнопки «Старт». При необходимости визуализации измеряемых величин в реальном времени запускался графический модуль. Принцип замеров в программе основан на разбиении заданного промежутка времени проведения эксперимента на определённое количество точечных замеров, для каждого из которых выполняется ряд контрольных замеров. Рассчитывая среднее арифметическое значение контрольных замеров, программа определяет значение выбранной характеристики в определённый момент времени. Все замеры сводятся в результирующую таблицу значений, которая сохраняется в формате MS Excel.

Контроль измеряемых датчиками и комплексом обработки информации величин электрического постоянного тока и напряжения осуществлялся с помощью вольтамперметров постоянного тока М2044. Определение мощности, потребляемой электродвигателями промышленных ШМ, осуществлялось по разности показаний счётчиков электроэнергии на электроподстанции предприятий за период испытаний, отнесённой ко времени испытаний.

Массовый расход воздуха определялся с помощью входного мерного лем-нискатного коллектора в соответствии с методикой, приведённой в [49] и вычислялся по формуле:

Мкз = 0,314-Д^-^-Якз-Зг /VK3 . (5.7)

Здесь Х. - коэффициент, учитывающий потери и неравномерности поля полных давлений по расчётному сечению лемнискатного коллектора; - диаметр мерного сечения лемнискатного коллектора, м; X., - барометрическое давление воздуха при входе в коллектор, Па; ^г - газодинамическая функция; Ц, - температура воздуха при входе в коллектор, °К.

Значения ^г определялось из справочной литературы [66].

Исследования на мельнице DxL=0,45x0,5 м проводились при установке в корпус различных устройств: НПЛУ, ЛЭЧУ, ДВЛ, НМП, ЛЭС (рис. 5.10). ЛЭЧУ,

176

ДВЛ, ЛЭС располагались у днищ; направление вращения корпуса обеспечивало воздействие устройств на МТ в направлении к центру камеры. НМП располагалась в центре корпуса. При установке ПЛУ в корпусе направление его вращения выбиралось таким, чтобы обеспечивалось вхождение лопастей в мелющую загрузку их скошенной поверхностью.

Проверка адекватности разработанных математических моделей, описывающих параметры процессов движения МТ, их взаимодействия друг с другом, бронефутеровкой корпуса проводилась на экспериментальной мельнице DxL=0,45x0,5 м по значениям полной «затрачиваемой» на их движение мощности и коэффициента продольной сегрегации МТ. Для определения полной «затрачиваемой» мощности использовалось эквивалентное устройство (рис. 5.10, «). Потребляемая электродвигателем мельницы мощность измерялась с помощью датчика тока, делителя напряжения и комплекса обработки информации при установившемся движении МТ. Значения мощности определялись как средние из полученных за промежуток времени, равный 5 с. Ее измерения проводились при загруженных в барабан МТ и при выгруженных МТ с закреплённым в загрузочной и разгрузочной крышках эквивалентным устройством, вес которого равнялся весу выгруженных МТ. Было проведено 110 опытов, повторенных три раза. В качестве варьируемых параметров приняты относительная частота вращения барабана ^ц, массы загружаемых МТ и эквивалентного устройства. Масса МТ соответствовала изменению <^ц от 0,2 до 0,4 с шагом 0,2; масса эквивалентного устройства соответствовала изменению массы МТ. Относительная частота вращения корпуса изменялась в пределах от 0,5 до 2,83 % с шагом 0,26 ^ц.

Полная «затрачиваемая» мощность определялась выражением:

- «. (5.8)

Здесь Е - мощность, потребляемая электродвигателем при загруженных в корпус мелющих телах, Вт; Е - мощность, потребляемая электродвигателем при отсутствии в корпусе МТ и установленном эквивалентном устройстве, масса которого равна массе выгруженных МТ.

Е соответствует потерям мощности в механической передаче и электродвигателе.

177

Для определения коэффициента продольной сегрегации в конусообразной камере мельницы применялось координатное приспособление, закрепляемое в корпусе. Измерялись положения каждого находящегося в камере МТ в направлениях осей X, Y и Z; определялись координаты МТ. С использованием выражения (6.5) рассчитывался коэффициент их продольной сегрегации.

Разрушение сферических частиц мела, известняка и клинкера исследовалось на стенде (рис. 5.12, б). Частице материала обеспечивалось свободное падение на стальную плиту с высоты, обеспечивающей необходимую скорость взаимодействия частицы с плитой. Высота падения составляла 2 м; 2,2 м; 2,4 м. Использовалось известное выражение:

V = -/2ГӢ. (5.9)

Максимальный размер частиц принят в соответствии с технологическим регламентом предприятий на процесс измельчения в ШМ, минимальный - с учётом значительного увеличения сопротивления воздуха падению частицы.

Частицы сферической формы изготавливались из мела, известняка и клинкера (рис. 5.12). Контроль их размеров и формы осуществлялся калибровочным устройством (рис. 5.11, б). Перед разрушением частицы материала на стенде она высушивалась в сушильном шкафу, взвешивалась и затем нагревалась до необходимой температуры. После ее взаимодействия со стальной плитой из образовавшихся осколков выбирался самый большой по массе, результаты взвешивания сравнивались с начальной массой частицы и заносились в таблицу. После некоторого количества соударений разрушаемая частица уменьшалась на 50 %, после чего проводилось необходимое количество повторных опытов, и по среднему значению определялся процент разрушения частицы материала. Согласно [44, 177] рассчитывалось необходимое количество повторных опытов. Экспериментальные результаты сравнивались с расчётными, полученными с использованием разработанной математической модели, описывающей параметры процесса разрушения сферической частицы. Вывод об адекватности математической модели делался на основании сопоставления экспериментальных данных и полученным расчётным путём, а также по результатам анализа по критерию Фишера [44, 177].

178

5.3 Моделирование протекающих в корпусе мельницы процессов

Проверка адекватности разработанной математической модели, описывающей параметры процессов разрушения сферических частиц материала при ударе о плоскую поверхность, осуществлялась с использованием стенда (рис. 5.14). Для исследований были выбраны наиболее используемые на предприятиях промышленности строительных материалов мел, известняк и клинкер, взятые соответственно на ОАО «Стройматериалы» (г. Белгород), ЗАО «Кавказцемент» (г. Кара-чаево-Черкесск) и ЗАО «Катавский цемент» (г. Катав-Ивановск). В качестве исследуемого параметра была выбрана критическая скорость разрушения более 50% одиночной сферической частицы материала при взаимодействии со стальной плитой. В качестве варьируемых факторов были приняты скорость взаимодействия частицы со стальной плитой Қ ее диаметр <аС и температура (табл. 5.2).

Таблица 5.2

Значения факторов при разрушении меловых, известняковых и клинкерных частиц

Исследуемые факторы Обозна- чение Интервал Минимальное значение Максимальное значение

Диаметр, -10-3 м. 4м 5 5 30

Скорость взаимодействия, м/с 0,3 6,26 6,86

Температура, К (С) ТА (А) 45 293(20) 383(110)

Дисперсия воспроизводимости эксперимента разрушения меловой частицы

определялась выражением:

5 -

N

По-1

0,095.

(5.10)

Здесь Но - начальное количество повторных опытов; 7^., - значение критической скорости для /-20 опыта; Ӯ^.; - среднеарифметическое значение критической ско

рости для опытов.

Определим наибольшее отклонение экспериментальных данных от среднего

значения при разрушении меловой частицы:

ГУ _______ Чр.тах У кр 4,61*4,5 -i -i

: - 0,095 , .

(5.11)

s

179

Здесь Цр.^ах - максимальное значение критической скорости из опытов.

Первый центральный момент и коэффициент вариации, в процентном отношении, для экспериментов с разрушением меловой частицы определялись со-

-100% — — -100% — -1,64%,

11 '

(5.12)

ответственно по выражениям:

р —--------—

Л — —.100% = —-100% = 2,11%. Укр1 4,5

Количество повторных опытов рассчитывалось по выражению:

„„ __________ 1,162 — 2,112 о тэ

Пп — * —--------------* — 2,2 3.

" р2 1,642

Используя выражения (5.9)^(5.13) для расчёта количества повторных опы

(5.13)

(5.14)

тов, при разрушении известняковой частицы получаем:

S = 0, 27; Цлах = 1, 71; р = 2, 91 %; Q = 2, 85 %; = 2, 83.

При округлении полученных значений до целого в большую сторону ко

личество повторных опытов для меловой и известняковой частиц равно трём.

Для определения необходимого количества повторных опытов при исследовании разрушения клинкерных частиц о стальную плиту было проведено одиннадцать параллельных опытов. Диаметр частицы составлял 0,015 м; температура -383°К (110°С), свободное падение осуществлялось с высоты 2,4 м.

С использованием выражений (5.9)...(5.13) количество повторных опытов:

S = 4,49; = 1-18; Р = 3,64%; 0 = 5,69%; = 3,41.

При округлении до целого в большую сторону получается количество повторных опытов равное 4.

Для исследования параметров процесса движения МТ в корпусе мельницы с различными ЛЭУ, изменений «затрачиваемой» на их движение мощности, дина

мических нагрузок на внутримельничные устройства и подшипники использовался метод математического планирования экспериментов по плану ПФЭ ЦКОП 2n (табл.5.3). Эксперименты проводились на основе процедуры численных расчётов на компьютере. Внутренние диаметры корпусов и их длины изменялись в широких пределах. Исследования проводились с корпусом без внутримельничных

180

устройств; при конусообразной форме камеры; с установленными в цилиндрической камере НМП, ЛЭС, ЛЭЧУ, ДВЛ, НПЛУ. В качестве исследуемых факторов рассматривались различные параметры мельницы, приведённые в табл.5.3. За параметры, характеризующие рассматриваемые процессы приняты мощность, «затрачиваемая» на преодоление сил сопротивления при взаимодействии МТ с внут-римельничными устройствами, бронефутеровкой барабана, днищ; динамические нагрузки на цапфовые подшипники; скорости и координаты МТ, энергетические параметры их взаимодействия, распределение ударов по поверхности внутри-мельничных устройств. Используемые математические модели являются детерминированными, поэтому количество повторных опытов для проведения численных экспериментов равно единице.

Таблица 5.3 Исследуемые факторы и уровни их варьирования для проведения исследований параметров процесса движения мелющих тел в корпусе мельницы диаметром 0,45 м.

Характеристика устройств Исследуемые факторы Обозна- чение Ин- тервал Уровни варьирования

- а - 1 0 + 1 + а

Цилиндрическая камера Коэффициент загрузки мелющих тел ^, доли единиц X1 0,07 0,2 0,23 0,3 0,37 0,4

Относительная частота вращения барабана мельницы ^*, доли единиц X2 0,184 0,5 0,576 0,76 0,944 1,02

Конусообразныая камера Угол наклона образующей конусообразной камеры ^, град X1 7,072 5 7,928 15 22,072 25

Коэффициент загрузки мелющих тел ^, доли единиц X2 0,071 0,2 0,229 0,3 0,371 0,4

Относительная частота вращения барабана мельницы ^, доли ед. Хз 0,1768 0,5 0,573 0,75 0,926 1

Отношение длины камеры к диаметру большего основания Тц/Оц, доли един. X4 0,2355 0,4 0,498 0,733 0,969 1,07

ЛЭС Угол наклона плоскости сегментов, а, град X1 15,912 45 51,588 67,5 83,412 90

Коэффициент загрузки мелющих тел, ^, доли единиц X2 0,071 0,2 0,229 0,3 0,371 0,4

Относительная частота вращения барабана мельницы ^*, доли единиц X3 0,184 0,5 0,576 0,76 0,944 1,02

Угол наклона образующих сегментов ^, град X4 31,8 -45 -31,8 0 31,82 45

Экспериментальные исследования на ШМ DxL=1x0,6 м непрерывного действия проводились для поиска рациональных значений ее конструктивнотехнологических параметров при грубом помоле различных материалов (клинке

181

ра, известняка, мергеля), подтверждения эффективности использования ЦКУ, ККУ, ЭВКУ; установления адекватности математических моделей, описывающих параметры процессов движения сферических тел в камере, измельчения и классификации частиц материала; подтверждения адекватности реальным физическим процессам обобщённого описания процессов движения МТ, измельчения, классификации материала в камере, рассчитываемых программно. Эксперименты проводились как на физическом объекте, так и численно на основе процедуры численных расчётов на компьютере.

При установке в мельнице DxL=1x0,6 м ЦКУ определялись эффективность его применения при измельчении клинкера ЗАО «Катавский цемент». Характеристики мельницы, ЦКУ приведены в разделе 5.1; граносостав клинкера ЗАО «Катавский цемент» - в табл.5.4. Так как экспериментальная мельница имеет относительно промышленных небольшой диаметр корпуса, то из исходного клинкера была удалена фракция +0,02 м (табл.5.5). При расчёте ассортимента загружаемых в устройство МТ учитываем, что из поступающего материала через классифицирующие отверстия удалится мелкофракционный. Пересчитанные частные остатки крупной фракции с учётом удаления мелкой приведены в табл.5.6.

Таблица 5.4

Гранулометрический состав клинкера ЗАО «Катавский цемент»

№ сита 40 30 25 20 15 10 7,5 5 2,5 1,25 0,63 0,2 0,08

Остаток на сите полный, % 3,84 6,15 8,24 14,36 24,83 39,42 51,75 65,1 84,88 89,64 92,14 93,98 97,53

На основании поисковых экспериментов в качестве характеризующих работу мельницы параметров приняты производительность ^р.ц, кг/ч, приведённая к 10 % остатку материала на сите № 2,5; мощность Ец, потребляемая ее электродвигателем, Вт; приведенный удельный расход электроэнергии ^р.ц, Вт-ч/кг. Факторы и уровни их варьирования приведены в табл. 5.7. По рекомендациям [65]:

Спр.ц = Сф.ц-"'^^. (5.15)

^вых

Здесь ^ф.ц - фактическая производительность мельницы, кг/ч; - показатель степени, зависящий от свойств материала; и - остатки материала на кон

182

трольном сите, соответственно на входе и выходе мельницы.

Таблица 5.5

Гранулометрический состав клинкера, подаваемого в мельницу D*L=1*0,6 м с ЦКУ

№ сита 20 15 10 7,5 5 2,5 1,25 0,63 0,2 0,08

Остаток на сите полный, % 0 12,23 29,27 43,67 59,31 82,41 87,97 90,89 93,04 97,15

Р

9пр.ц=^. (5.16)

^пр.ц

В результате экспериментов (при = 0,004 м; ^цЛц = 0,445; = 0,28; =

0,76 ^кр) с использованием выражений (5.10)...(5.14) при определении ^пр.ц и

установлено количество повторных опытов равное 3.

Таблица 5.6 Гранулометрический состав крупной фракции клинкера, подаваемого в мельницу с ЦКУ

№ сита 20 15 10 7,5 5 2,5

Остаток на сите частный, % 0 14,84 20,68 17,47 18,98 28,03

Для оценки совокупного влияния на ^пр.ц, и ^р.ц исследуемых параметров был принят полнофакторный эксперимент по плану ЦКОП 24, позволяющий получать одинаковую дисперсию предсказанных значений функции отклика во всех равноудалённых от центра плана эксперимента точках.

Таблица 5.7 Факторы и уровни их варьирования по ПФЭ ЦКОП 24 при измельчении клинкера в мельнице D*L=1 *0,6 м с цилиндрическим классифицирующим устройством

Исследуемые факторы Обозна- чение Интервал варьиров. Уровни варьирования факторов

- 1,414 -1 0 +1 + 1,414

Ширина щели классифицирующего устройства а, мм. ^1 1 2,586 3 4 5 5,514

Отношение длины камеры ЦКУ к диаметру, Хц/Лц, доли ед. ^2 0,057 0,364 0,388 0,445 0,502 0,525

Коэффициент загрузки мелющих тел ^, доли ед. 0,03 0,238 0,25 0,28 0,31 0,322

Относительная частота вращения барабана мельницы ^, доли ед. ^4 0,08 0,647 0,68 0,76 0,84 0,873

При его реализации получены уравнения регрессии вида:

И И-1 и и