Введение к работе
Актуальность проблеми. Лисссртационная работа направлена на рзиснио научно-технической проблемі - повіі-пение зфїектипности процессов измельчения и механической активации твердых материалов путем создания методологически новых, более точних и производительных методов расчета в динамике мелких топ, совершенствования на этой базе и разработки нових конструкций мельниц для металлургии, горной, химической промысленности и производства строительных материалов. Известно, что процесс тонкого измельчения ( диспергирования ) в мельницах' затухает и, как правило, через некоторое время прекращается полностью. Причиной могет быть наступавшеє раиновес; ? ненду дезагрегацией и агрегацией частиц, - таем изменение характеристик порошков и нарастающая потребность в более интенсивных механических воздействиях. Так или иначе результати диспергирования зависимы от иночества параметров. Одни из них определяет Физические, а иногда и химические 'зффекти в конгломератах , другие - механику нагруксния.'
Многочисленны попытки расширить познания в различных сферах, создать математическую модель процесса диспергирования в целом, реконструировать мельницы, способствуя развития технологий. Например, для порошков перспективной керамики необходимы 00% частиц с размерами менее 2 мкм при твердости 7-7,5 единиц по скало Нооса. В производстве ситаллов и специальных стекл осуществляется поиск способов получении моногранулометричекого. состава компонентов 2-5 мкм. Для противопригарных красок литейных песчано-глкниешх форм пагно получать графита с удельной поверхность» 10-25 мг/г. Это d 5-7 раз больпе,чем у графитов стандартного измельчения.
В физических и химических аспектах заслуживает внимания свойства сыпучих сред и тпердых частиц, их реальная структура, влияние среды.- Что касается непосредственно механики нагруаенил, то очевидно неизбекное повышение основных характеристик ыельниц: ударного импульса или квазистатической склы. . скорости трения, плотности энергии, концентрируемой в единице объема мелющего аг-
регата, вероятности "поражения" исходных часты; материала и корреляции с частотен удароа или размерами зоні,' киазпетатического сжатия. Ряд, тыс називасьшх, энергонасыщенных аппаратов созван на предприятиях: "к'ехшюбр" (Санкт-Петербург), "Фрнч" и "Негч" (Германия).' "Кавасаки" (Япония). ИХТТиМС СО РАН. СКТВ "Лезпнтсг-ратор" (Таллин), ЯРД СО РАН и "Гидрсцзетмет" (Новосибирск) и ;;р. Среди десяткрз прелызлонних предприятий, заинтересованных в разработках, - Норильский горно-металлургический комбинат, "Клутал-маз", АО КРЛКЗ. По сибирскому региону и с цело;.: по і-осліи потребность в модернизациях технологий д оборудования соответствует болыюну удельному вес/ цветной и черной металлургии, переработки сырья в горно-до6ивак;ей и химической промышленности.
Параллельно совершенствуются мельницы различного типа яо-аа 1!нокества технологических задач. При это;.! отдает приоритет свободному удару частиц материала в отражатель или пальцу, сжатия с; трением в валках, если требуется високая производительность среднего ил;: грубого пошла ( при размерах частиц пороска ориентировочно больше 10-20 мк,м ), а твердость по Иоосу нн;;;е 4-5 единиц. Б применении к диспергирования и ілеханичесісоп актизации более тверда;; ыатсриолов элективное стеснённее удары в случае ыо-ляцих паров.
Хаотичность в движении паров препятствует повірений ударних импульсов пропорционально одному очевидному параметру, скажем, частоте вращения ротора мельницы. Суть с то;.!, что наличие малых импульсов, недостаточных для полезного действия, есть причина потерь энергии, ыозду тем чрезмерно высокие импульсы быстро разрушают ыелзщий агрегат. 'При этом смешение всего спектра импульсов б сторону увеличения или снижения приводит к нежелательным эффектам.
Нельзя не отметить, что авторами ряда принципиальных ехал ыельннц предусматривалась хаотичность в движении шаров каїс положительный фактор по зашелу о повсеместной воздействии на материал и равномерной износе мелвщего агрегата. Однако исследований, касающихся керн хаотичности, ее необходимого и достаточного уровня, известно немного,- а методы полуэмпирическяе.
Полуэмпирические расчетные модели движения паров в различных конструкциях, естественно, неадекватны гледцу собой. Например, в случае вращающегося барабана преимущественно аппроксимирует
траекторий доікєішя отдельных пароз, которая легко просштрига-отся а експериментах с прозрачными стенками пакета. Taicso известии исследования, где группы capon внутри барабана отображаются действием стационарной струи, а наряду с другиил ргсчеткгш моделями для вибромельниц предложено использозать молекулярную модель разряженного газа. Такій образе», некорректны, а, как правило, невозможны со юставлоння мельниц э теории, особенно в случае нових, изобретаешь конструкции, поскольку рэсчиткш модели для них не существуют.
ЕСТЬ об:?,ОЄ В Теории уСТрОйСТО, ОТЛНЧОП'.'ИХСЛ ОТ МОЛЬМ!Я| по
назначению. Близкими аналогами являются дробеструйные апизрати, раскатники и'обкатники п магинострсеики, содержащие гаровуэ яли роликову» загрузку. Аналогичное игброударное движение шроз развивается в подшипниках качения по мере их износа. Заимствованна а результатах кссл'эдовгянн. касаозихся нэльниц и апологов, способствует соїзершісті'соаш.'о теории осех перечислении устройств одновременно.
В обзоре . состояния проблемы использована информация Фирм "Ахе.ч.і". "Фрлч" (Германия). "Кавасаки" (Япония) и др., таки? предприятий стран СНГ, среди ісоторі« бмл осуществлен кент-штур-і;ь!ґі поиск при освоении производства опытных мельниц: "НКИстрсй-керамяа", Тиредмет", "Серп л молот" . ПО "Ссззстсклопро»їЛ2лн (Исаева), ИС!С (НарсС'0?!инск). Л:!П0 "Пигмент". Тиирскеталлоруд". СКТБ "Аьрора" (Сакк-Петсрбург), СІСТБ неорганических материалов (Рига). ПО "Орбита" (Саранск), н:П1'"Цоет:-от" (Усть-Камеиогорсч). Иртьгасгснн металлургический зг,і:од (Восточно-Казахст. обл.). "Уралквавцсаноцзеты". Полевсішй крнолнтовьш завод (Свердл. обл.) л яр.
Авторы нспользуе;.<>к публикации, ведущие ученые, разработчики оригинальных технология и устройств: С. Г. Апвакумоп. В.И.Аісу-лов, 8: И. Бабицкий, В. Н. Блинлчев. В. В. Болдырев. П. Ю.Бутягин. И. М. Гуидоров. Н. К. Барамбойм, Б.А.Гольдберг, А.Куазель. В.В.Кафа-ров, А.А.Кобринский. Т.Кубота. А.С.Ковалева. И. П. Коцупало. Д. К. Крюков. Э. З.Лавендел, Н. З.Ляхоз, Л.И.Мамина. А. Н.Нарота. В. И. Молчанов, Р.Ф. Нагаеэ. В. В, Неверов. В. А. Поров. В.Ф. Полетай-кии. ' А. Руссель. А. Б.Сыса. П. II. Сиденко. Г. С. Ходакоо, Н. Хеегн. Л. М. Черный, В. А. Чантурия, А. А. Ширяев. Т. С. Юсупов. В. В. Юрисов*и яр.
Актуальность настоящей работы обусловлена ужесточенной тре-
- є -
ООВанИЙ К Пр0;іЗІ:0ДИТЄ;:ЬН0СТІ1 ПрОЦеССОО ИЗМОЛиЧСНИіі !' іМЧССТПу
продуктов, необходимости) поведения надекноси п ресурсе зпорго-наещеннах ггрегатез. Для поиска перспективних устройств, обоснования их iipetiuy^eciL' ;;ол"лі:і быть объективнее методы сспсстаен-телыюго анализа и математические модели, адекватные - шкпеству аналогов.
Научные исследования проводились по научно-технической программе 0.43, раздел 0.85.0ч, п постановлении ГКІЇТ СССР U 60 от 11,03.87 г., { Переработка отходов производства и потребления; Создание и освоение о отраслях народного хозяйства технологий и оборудования для механической активации и измельчения минерального сырья и материалов ), Минвуза РС<'СР ( раздел 1.І ; Получение УДК методами- высокочастотного виброударного воздействия, 1987-1989 г. ), СО АН СССР (Агропромышленное смръо, 1986-1983 г). Российской программе (Мелкосерийная н малотоннажная наукоемкая продукция,. 1990-1903 г.), программам Красноярского края, з рамках хоздоговорных и госбадкетних рабат при непосредственном участии автора.
Целью работы является разработка унифицированных математических моделей и методов анализа движения паров, совор-иенетвование принципиальных схем и устройств с последующим освоением их с производство.
Цель достигается решением следующих задач:
\. Анализируя экспериментальные- данные, класаадшнрозать устройства по техническим признакам и назначенії», разработать принципи сопоставлений устройств по з/еекгигкести, позволяющие производить оптимизации на стадии проектирования.
-
Разработать математические модели, отобракгщяс в обцем случае нерегулярное ваброудзрнсе и многофазное двкіонио capon, тдкке вероятность достаточного поражения частиц материала.
-
Подтвердить приемлемость принципов согюстапления уст-' роисто, производя их модернизации с последуй::;;ас!і кслиташіямк в лабораторных її проуизлонікх условиях. Разработать ршвмэндацкн і: анализу динамических процессов и прссгт:росг:нз устройств.
Методы исследовали я. Лаборатсрниз и. проуцл-ленные испытания опытник конструкций в процессе, их последовательных модернизаций; использование стендов презкг/цоствзіьчо с тиристорнкмн приводами, измерением до-±ор:.:ацин и ендовах Факторов
-7-.
с помочь» тснзодатчикоз. наблюдением за ааровой загрузкой d лучах стробоскопа через прозрачные крыики. В отдельных зкспєримзн-тах - определение импульсов и частот ударов с применением пьезо-датчиков и специально построенных радиотехнических устройств с дистанционно установленным микрофоном. Измерения интенсивности износа периодическим взвешиванием деталей и по содер.іаніи намолотого келеза в продукте, определяемому химическим или полуколичественным спектральным анализом. Методи измерения дисперсности и уровня механической активации поропкоз преимущественно стандартные: пример исключения: измерение по затухании ультразвуїса в . суспензии.
В теоретическом исследовании - преимущественно имитация экспериментов на компьютере.
Достоверность научных полонений подтверздеиа сопоставлением теоретических выводов с результата},^! стендових испытаний физических поделен, лзбераторных и промышленных образцов мельниц. Созданная мельница ЦМА-02 огнечена серебряной мо-дальи ВДНХ СССР (1937 г.), . наряду с другими моделями демонстрировалась на выставках в Лейпциге (Германия, 1987 г.), Пекине (Китаї"!, 1988 г.), Дели (Индия,1989 г.). Белграде (Югославия.1989 г.) и других.
Научная и'о в и з на диссертационной работы заключается в создании новой методологии анализа динамических процессов в мельницах, постановке и решении задач о повышении их эффективности. В частности:
-
Разработаны математические (имитационные) модели к описании в общем случае нерегулярного виброударного дшяения шаров в трехмерном пространстве и вероятности достаточного поражения частиц материала. Для имитации стохастнчностн динамических процессов предложены варианта суммирования детерминированных и псевдослучайных величин. Проведены исследования существования и устойчивости'Теоретических решении.
-
Предложи метод оценки конструкции мельниц» по результатам анализа свойств теоретических резений.
-
Разработан метод сопоставления конструкций мельниц по теоретической эффективности, основанный на вычислениях модефициро-ванной Функции скорости измельчения или механической активации.
І. Разработаны рекомендации к численным экспериментам для
многофазного движения шаров, когда двияекие и некоторой азе происходят при наличии безударных механических связей и оплетается дифференциальна,:!! уравнениями.
5. Предложены сродства регулярного возбуждения и обеспечения эргодичности виброударных процессов, ограничения хаотичности движения иаров.
Практическая ценность' диссертационной работа представляется следуюциш результатами:
1.Комбинациями численных и аналитических решении достигнута приемлемость практических расчетов'с помощью ксильэтероо типа ID!.!.
2. Научная новизна подтверздзна рааработкаі.ш новых конструк
ций. Получена 26 авторских свидетельств и патентов, среди Них -
патенты США (4.976.472 US). Венгрии (2016S23),, Италии (1.223.555
IT).
3. Опытные модели ЦМЗ. ЦМА-02, ЦМА-06. 2ІІА-100 и иоди&аса-
цки, отвечающие азторским свидетельствам ІІ925336, 1531936,
1785126, патенту 2014117 и др.. внедрены в лабораторную практику
и производство ИХТТиМС СО РАН (Новосибирск). Сарадниского рудни
ка (Енисейзолото). НИЦСМ бывиего Госстроя СССР (Москва) и др.ор
ганизациях. Модели МАтОЗ и ЫА-10 освоены в серийной производства
фондом "Содействие" (Санкт-Петербург).
Апробация работ ц. Материала диссертации докладывались и'обсузвдались на научных и научно-технических конференциях, симпозиумах, совещаниях, семинарах, в том числе на: краевом совещании "Пути совершенствования производства и побіесіінй эффективности использования графитовых руд" (Красноярск. 1977); координационном совете ыинзага РСФСР (Москва. 1976-77); краевой конференции "Совершенствование существующих и рааработіса новых технологических процессов, направленных на ловьпзение кошлэкс-ности использования сьфья. округаадей среды и недр" (Красноярск. ,1981); краевой конференции "Перспективы, развития хш.іической про-ішиленности в Красноярском крае" (Красноярск. 1982); всесоюзной совещании "Неханохимия неорганических веществ" (Новосибирск, 1982); краевой конференции "Актуальные вопросы технологии, со- вершенствования и модернизации оборудования литейного производства" (Красноярск, 1983); всесоюзной конференции "Современные проблемы химической технологии" (Красноярск. 1986); меадународ-
- 9 ~
пых сн'етозиунлх "Хиса-87" (Прага, 1987); нХиса-90" (Прага, 1090); совещаниях исполнителей программы "Сибирь" СО АН СССР, ''Агропромышленной сырье" (Новосибирск, 1987-88). программы ГКНТ СССР 0.85.03 и постановления Н 68 от 11.00.87 (Новосибирск, 1988); всесоэзмеч совещании (Кенгисепп, 1989); всесоюзном семинаре "Дезнчгеграторше технологии" (Киез, 19S1); созецании исполнителей российской програмам "Мслкоссрийнпя и малотоннажная наукоемкая продукция" (Оаратоо. 1993); конференции КГТУ с меяду-народикм участием "Проблемы техники и технологий XXI века", (Красноярск, 1994), межрегиональной конференции с международна.! участием " Ультрадисперсній пороскн, материал:; и наноструктуры. Получение, спойстза и применение" (Красноярск. 1990).
П у б л и к а ц и и. Основное содержание работы опубликовано о 58 печатных трудах. 20 ангорских свидетельствах, российских и за( убкшых патентах. Публикации з открытой печати ограничены в связи с патснтовачтс!.; изобретен;:;'! ел рубегем, наличием сведений, составляющих государственную и кс:.:~рческую тайку.
Л іі ч и ы н вклад автора в результати работ. опублжозаншх в соавторство. Автору лично и полиость» принадлежат ссисвккс результате тсерзтаческих исследования. Его склад з зкеперкиенти. подготовку изобретений н пакета прикладных компьютерных программ. проекткрсоаіиг и освоение инструкций D ПРНЗ-подстпе заключается d постановко задач, научной руководстве с нопоервдетсенньзі участием а основных этапах работ.
Оригкиалъиыз кетоди химических анализов, кепользеваинь'з при оценке эффективности опытных конструкций мельниц, автору диссертационной работы не принадлежат (соответствуйте ссішаї о тексте имеются}.
За сказанную псисп-ь и шагмшшз автор признателен академику РАН, д.х.н, В.В.Болдыреву. про$,,д.т.н. Л. И. Маминой, к.т.н. Н.П.Коцу-папо и В.П.Исупопу. к.ф.-н.и. Л.П.Фадиенко. ина. А. И. Соловьи. В.Ф.Редысину, С.А.Коагреву, О.Р. Креболп, Н.Н.Рубцову А.В.Попову и ссем коллзгам - участникам кстозекешх разработок.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из сведения, пяти глаз, заклпче-ния и приложения. Всего 322 страницы. 33 рисунка и 46 таблиц. Спнсоїс литературы - 265 наименований.
