Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса, цель и задачи исследований 9
1.1. Современное состояние измельчительного оборудования 9
1.2. Современные тенденции развития оборудования для измельчения 10
1.3. Разработка нового способа измельчения и основные результаты испытаний мельниц типа МАЯ 13
1.4. Современные теоретические положения расчетов износа элементов оборудования 17
1.5. Определение области рационального использования центробежных мельниц вертикального типа 19
1.6. Научные основы проектирования центробежных мельниц 22
1.7. Методы теоретических исследований 26
1.7.1. Методы решения объемных задач 26
1.7.2. Исследования характера движения измельчаемого материала в центробежной мельнице 29
1.8. Выбор направления и задачи исследований 31
2. Теоретические исследования центробежной мельницы 35
2.1. Задачи теоретических исследований 35
2.2. Системный подход к решению задач по проектированию центробежных мельниц вертикального типа 35
2.3. Математическое описание характера движения измельчаемого материала в центробежной мельнице 37
2.4. Методика решения полученных уравнений численным методом 48
2.5. Сравнение усовершенствованной математической модели с обобщенной моделью Багнолда 58
2.6. Анализ характера движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы 61
3. Экспериментальные исследования центробежной мельницы 66
3.1. Задачи исследований 66
3.2. Исследования характера движения измельчаемого материала в рабочем пространстве мельницы при размещении в полости ротора радиальных ребер 66
3.3. Исследования характера движения измельчаемого материала в рабочем пространстве мельницы без размещения в полости ротора ради альных ребер 84
4. Промышленные испытания центробежной мельницы и определение основного механизма разрушения материалов 93
4.1. Задачи исследований 93
4.2. Испытания центробежной мельницы вертикального типа при размоле известняка 93
4.3. Испытания центробежной мельницы вертикального типа при размоле доломита 99
4.4. Усовершенствование зависимости для определения мощности электродвигателя 103
4.5. Определение основного механизма разрушения материалов в центробежной мельнице вертикального типа 107
Выводы 108
Заключение 110
Список использованных источников 113
Приложения 125
- Разработка нового способа измельчения и основные результаты испытаний мельниц типа МАЯ
- Системный подход к решению задач по проектированию центробежных мельниц вертикального типа
- Исследования характера движения измельчаемого материала в рабочем пространстве мельницы при размещении в полости ротора радиальных ребер
- Испытания центробежной мельницы вертикального типа при размоле доломита
Введение к работе
Актуальность работы. Наиболее трудоемкими и энергоемкими процессами в технологии обогащения руд являются дробление и измельчение, на долю которых приходится 60 - 70 % энергозатрат (на дробление более 5 %, на измельчение - 64 %), поэтому актуальной является концепция снижения энергозатрат на процессы дробления и измельчения путем переноса основной нагрузки в цикл дробления.
Применяемые в настоящее время измельчительные машины, среди которых наибольшее распространение получили барабанные мельницы, имеют низкий коэффициент полезного действия, громоздки, характеризуются низкой удельной производительностью, значительным расходом стали на мелющие тела и футеровку, высоким уровнем шума. Кроме того, увеличение крупности питания мельниц на 1 мм увеличивает энергоемкость процесса измельчения и понижает производительность последующих процессов переработки руды, на 1,2 -1,5 %.
В Северо-Кавказском горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете) разработан новый способ самоизмельчения материалов (патент РФ №2078613), при котором измельчаемый материал формируют в виде неподвижного вертикального цилиндрического столба, нижнюю часть которого вращают с определенной скоростью, а измельчение материала осуществляется в активной зоне за счет взаимного соударения частиц и кусков друг о друга и последующего их истирания в верхних слоях столба. Этот способ был реализован в виде устройства для измельчения (центробежная мельница самоизмельчения по патенту РФ №2084787), состоящего из вертикального неподвижного корпуса и соосно с ним установленного рабочего органа в виде чашеобразного ротора с перегородками во внутренней его полости.
Опытные образцы мельницы нового типа прошли успешные испытания по размолу руд и других сырьевых материалов и были реализованы в виде промышленных серии центробежных мельниц вертикального типа МВ-1.
Однако сдерживающими факторами для широкого внедрения этих мельниц являются отсутствие достоверных методик расчета основных технологических показателей измельчения в зависимости от физико-механических свойств измельчаемого материала.
Вышеприведенные вопросы невозможно решить исходя из ранее проведенных исследований центробежной мельницы, поэтому решение вопросов, связанных с разработкой методов повышения технологических показателей мельницы нового типа, является весьма актуальным.
Цель работы - исследование кинематических и динамических характеристик движения измельчаемого материала в центробежной мельнице вертикального типа.
Идея работы - установление закономерностей движения измельчаемого материала в рабочем пространстве и роторе центробежной мельницы вертикального типа путем применения системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса.
Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований: критическое обобщение опыта на основе анализа литературных и патентных источников, теоретические исследования с использованием теории гидродинамики и применением численных методов и ЭВМ; лабораторные эксперименты с использованием методов планирования экспериментов; статистические методы исследований с использованием ЭВМ.
Научные положения, защищаемые в работе:
Движение измельчаемого материала внутри неподвижного корпуса центробежной мельницы вертикального типа начинается от плоскости вращения верхних кромок ребер ротора, у стенок корпуса, и продолжается по восходящей спиралевидной траектории, которая расположена на поверхности параболоида вращения с вершиной на оси мельницы, далее по нисходящей траектории у оси мельницы и описывается системой дифференциальных уравнений Навье-Стокса.
При высоте столба материала более 0,6 от радиуса ротора в неподвижном корпусе центробежной мельницы вертикального типа наблюдается разворот измельчаемого материала от корпуса мельницы к ее оси, причем высота этого разворота находится на расстоянии от плоскости вращения верхних кромок, равной 0,6 от радиуса ротора, а вблизи оси мельницы наблюдается обратное движение, по отношению к направлению движения ротора.
3. Мощность привода центробежной мельницы вертикального типа зависит в основном от потерь на преодоление сопротивлений движению в слоях измельчаемого материала и в значительно меньшей степени от трения в подшипниковых опорах, трения материала о стенки корпуса мельницы и потерь на разрушение кусков материала.
Научная новизна:
Теоретическая модель движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы вертикального типа усовершенствована с учетом формы чашеобразного ротора в виде полого усеченного конуса, а коэффициент эквивалентной вязкости принят равным сумме двух составляющих, одна из которых постоянна, а вторая пропорциональна давлению от столба материала.
Высота разворота измельчаемого материала в неподвижном корпусе центробежной мельницы вертикального типа над плоскостью вращения верхних кромок ребер ротора центробежной мельницы вертикального типа, от корпуса мельницы к ее оси, определена с учетом частоты вращения ротора, высоты столба материала и удаления рассматриваемой точки от оси корпуса мельницы.
3. Мощность привода центробежной мельницы вертикального типа определена с одновременным учетом потерь на преодоление сопротивлений движению в слоях измельчаемого материала, трения в подшипниковых опорах, трения материала о стенки корпуса мельницы и потерь на разрушение кусков материала.
Научное значение работы:
1. Выявленные кинематические и динамические параметры движения измельчаемого материала в корпусе и роторе центробежной мельницы вертикального типа позволили определить скорость и направление слоев материала в любой точке рабочего пространства, энергетические затраты на перемещение слоев, влияние высоты столба материала на характер движения материала в пространстве над ротором.
2. Установленная высота разворота вовлеченного во вторичное ч движение измельчаемого материала над плоскостью вращения верхних кромок ребер ротора центробежной мельницы вертикального типа, от корпуса мельницы к ее оси, позволила определить предельную высоту расположения просеивающих поверхностей в нижней части рабочего пространства мельницы, равной 0,6 от радиуса ротора.
3. Выражение для определения мощности привода центробежной мельницы вертикального типа позволяет установить коэффициенты эквивалентной вязкости и установить основной механизм разрушения для различных измельчаемых материалов.
Практическое значение работы:<. - разработанные выражения для определения скорости удара и угла встречи измельчаемых частиц с поверхностью ребер и друг с другом позволили применить известные выражения для расчета срока службы ребер и установления области рационального использования центробежных мельниц вертикального типа; - определены зависимости для расчета сопротивлений в нижней части столба материала, позволяющие прогнозировать мощность электродвигателя центробежной мельницы.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: статистической обработкой результатов „ экспериментальных и теоретических исследований, использованием современных методик и измерительной аппаратуры, хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, не превышающей 7,1%, внедрением результатов исследований, подтвержденным актом.
Реализация выводов и рекомендаций. Методика и пакет программ для расчета характера движения материала в рабочем пространстве центробежной мельницы вертикального типа, а также рекомендации по модернизации ее рабочего пространства, приняты ОАО «Кавказцветметпроект».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на научных симпозиумах «Неделя горняка-2003» и «Неделя горняка-2004», г, Москва; на Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования, Москва, 2001; на Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р.Кубачека» Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности, г.Екатеринбург, 2002 г.; на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию СКГТУ «Перспективы развития горнодобывающего и металлургических комплексов России», Владикавказ, 2002г.; на Всероссийской конференции «Приложение начертательной геометрии в геотехнологии», Владикавказ, 2002 г.; на заседаниях секции технологических машин и оборудования ежегодных научно-технических конференций СКГМИ (ГТУ) 2001-2004 гг.; на расширенном заседании кафедры технологических машин и оборудования СКГМИ (ГТУ), 2005 г.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 13 научных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 127 страницах машинописного текста, и содержит 19 таблиц, 32 рисунка, список использованной литературы из 112 наименований, а также 4 приложения, включающих программу расчета на ЭВМ.
Автор выражает глубокую благодарность заведующему кафедрой теоретической и математической физики Северо-Осетинского государственного университета доц., к.т.н. Каменецкому Е.С. за консультативную помощь и ценные советы в процессе выполнения теоретических исследований.
Разработка нового способа измельчения и основные результаты испытаний мельниц типа МАЯ
В Северо-Кавказском горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете) (СКГМИ) был разработан новый способ измельчения материалов [13], согласно которому измельчаемый материал формируют в виде неподвижного вертикального цилиндрического столба, нижнюю часть которого вращают с окружной скоростью 10-70 м/с, давление материала на нижнюю часть столба поддерживают равным 0,05-0,15 МПа, а измельчение материала осуществляется в активной зоне за счет взаимного соударения частиц и кусков друг о друга и последующего истирания в верхних слоях столба. Практической реализацией этого способа являются мельницы МАЯ (мельница А. Ягупова) [14-16]. Вышеуказанные значения давления материала на нижнюю часть цилиндрического столба характерны для цилиндров с размерами более 2,5 метров.
В СКГМИ был также разработан способ измельчения материалов, согласно которому давление материала на нижнюю часть столба поддерживают равным 0,005-0,049 МПа [17]. Эти значения давления присущи значениям цилиндрического столба менее 2,5 м. Практической реализацией этого способа являются центробежные мельницы вертикального типа [18]. Новый процесс самоизмельчения минерального сырья многократно исследовался на лабораторных моделях мельницы «МАЯ» (мельница А. Ягупова) с диаметром ротора 300 и 450 мм [19-26], а также на опытно-промышленной мельнице МАЯ-Р6 с диаметром ротора 600 мм в условиях обогатительной фабрики Урупского ГОКа [27-29]. Измельчению подвергались различные сырьевые материалы: известняк, доломит, коксы, цементный клинкер, марганцевая, медная и свин-цово-цинковая руды, различные углеродистые материалы. Все проведенные испытания в лабораториях и промышленных условиях показали экономиче скую целесообразность и перспективность нового способа самоизмельчения за счет: отсутствия мелющих тел; совмещения операций мелкого дробления и измельчения; малой металлоемкости; отсутствия специальных фундаментов; высокой удельной производительности; сокращения удельного расхода электроэнергии; низкого расхода металла; низкого уровня шума в работе; простоты конструкции и ремонтных операций.
В 1983 году Днепропетровский завод металлургического оборудования (ДЗМО) изготовил опытную партию мельниц МАЯ-К10 диаметром ротора 1 метр, которые испытывались при размоле различных материалов: кокса на Днепровском электродном заводе (г.Запорожье) [30-32]; золотосодержащей руды в опытно- экспериментальном горно-металлургического цеха (ОЭГМЦ) Каульдинского рудника ПО «Узбекзолото»; пировскитовой руды на опытной фабрике МНТК «Механобр» в пос. Африканда (Кольский полуостров); магне-титовых кварцитов в полупромышленных условиях на опытном производстве института Механобрчермет (г.Кривой рог); при размоле доломита на открытой площадке составного цеха АО «Иристонстекло» (РСО-Алания); при размоле известняка на Терском известковом заводе (РСО-Алания) и др. Испытания мельниц МАЯ-К10 показали возможность эффективного разрушения материалов различной крепости и структуры.
В ходе испытаний были разработаны мероприятия по модернизации конструкции мельницы МАЯ-К10, которые были положены в основу разработки конструкторской документации центробежной мельницы МВ-1 диаметром ротора 1 м. Эта документация была передана АО «АГАТ» (бывший Георгиевский ремонтно-механический завод), который в 1993-1994 гг. изготовил и реализовал серию мельниц МВ-1 в количестве 10 экземпляров.
Мельница МВ-1 (рис.1.1) состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 и соосно с ним расположенного вала 2, установленного в подшипниковых опорах 3 и 4. В нижней части вал 2 соединен с приводом. В верхней части вал 2 соединен с чашеобразным ротором 5, имеющем форму перевернутого полого усеченного конуса.
Чашеобразный ротор 5 разделен радиальными перегородками 6 на секции, а в каждой секции имеются просеивающие поверхности в виде сит 7, вмонтированных в наклонную стенку чашеобразного ротора 5. Радиальные перегородки б в чашеобразном роторе 5 выполнены с зазором 8 относительно ступицы 9 ротора 5. В нижней части каждой перегородки 6, в зоне их контакта с наклонной частью чашеобразного ротора 5, образованы сквозные пазы 10 по форме прямоугольника, каждая большая из сторон которых размещена на наклонной поверхности ротора 5. В верхней своей части внешняя стенка чашеобразного ротора 5 выполнена с горизонтальным участком 11, который выполняется съемным. Внутренняя полость чаши ротора 5, над наклонной ее частью, выполнена с вертикальным участком, причем высота этого участка составляет 0,6 часть от максимального размера исходного питания мельницы.
На корпусе 1 закреплен выступ 72 с окнами 13, верхняя поверхность которого расположена под горизонтальным участком 11 ротора 5 с минимальным зазором по отношению к горизонтальному участку 11. Над кольцевым выступом 12 и концентрично корпусу 1 установлен перфорированный цилиндр 14, охватывающий в нижней своей части периферийную часть горизонтального участка 11 таким образом, что между поверхностями корпуса 1, кольцевым выступом 12 и перфорированным цилиндром 14 образованы камеры 15 для вывода готового продукта из рабочей зоны мельницы. Между перфорированным цилиндром 14 и участком 11 имеется кольцевой зазор, величина которого превышает более чем в три раза размер исходного измельчаемого материала. Сверху камера 15 закрыта кольцом 16.
К нижнему фланцу корпуса 1 крепится сборник 17, в котором имеется патрубок 18 для отвода измельченного материала из мельницы. Сверху корпус 1 перекрыт крышкой 19, в которой имеется загрузочное отверстие 20 для присоединения воронки, через которое осуществляется непрерывное питание мельницы кусковым материалом. Чашеобразный ротор 5 крепится на валу 2 гайкой 21, которая защищена от воздействия измельчаемого материала колпаком 22.
Системный подход к решению задач по проектированию центробежных мельниц вертикального типа
Разнообразие типоразмеров центробежных мельниц [17,18,87] по индивидуальным особенностям (диаметр ротора, высота корпуса, высота и размер просеивающих поверхностей, расположение привода и др.) приводит к тому, что задача нахождения оптимальных геометрических и технологических параметров мельницы с заданными производительностью и конечным фракционным составом решается строго индивидуально, так как оптимальный типоразмер для одной мельницы, найденный для одного типа материала, окажется непригодным для другого. В существующей практике проектирования центробежных мельниц размеры отдельных ее элементов определяются геометрически с учетом размеров кусков исходного питания. При этом не всегда гарантируется отыскание наилучшей формы ротора и рабочих элементов мель-
ницы, так как из-за ограниченных сроков проектирования машины проектировщики не в состоянии проанализировать достаточное количество вариантов конструктивного исполнения.
Поиск наилучшего в технологическом смысле конструкции мельницы можно свести к задаче математического программирования, для решения которой можно применить алгоритм поиска оптимальной формы элементов мельницы. Предлагаемая методика синтеза решений предполагает систематический учет всех факторов, оказывающих существенное влияние на объект проектирования, и целенаправленный, планомерный поиск искомого решения.
Методика основывается на следующих положениях. Проектно-конструкторские разработки представляют собой процесс поиска, сбора, переработки, создания и фиксации информации. В основу методики положен системный подход, т.е. объект (мельница) и процесс проектирования рассматривается как система, взаимодействующая со смежными системами и окружающей ее средой.
Анализ работ, посвященных исследованиям центробежной мельницы, показал, что входными параметрами для проектирования центробежной мельницы являются максимальный размер, крепость, плотность, кускова-тость, влажность и происхождение исходного продукта (рис.2.1).
Регулирующими параметрами являются потребляемая мощность, частота вращения ротора, количество и форма ребер ротора, высота столба материала в корпусе мельницы, высота расположения просеивающих поверхностей в корпусе мельницы, размер выпускных отверстий, материал изготовления ребер ротора. Выходными параметрами являются производительность мельницы, гранулометрический состав продуктов размола, срок службы рабочих элементов, содержание железа в конечном продукте. Ряд параметров рассматривался в работах [19-34,39-79,87], однако нерешенными остались вопросы взаимосвязи всех параметров. Их решение позволит обобщить задачу с решением ее на ЭВМ по универсальному алгоритму проектирования оптимальной конструкции и технологических параметров мельницы, меняя только исходные данные параметров измельчения [95,96].
Движение сыпучей среды при больших скоростях, которые наблюдаются в центробежных мельницах вертикального типа можно рассматривать как движение не ньютоновской жидкой среды [91]. Поскольку корпус мельницы представляет собой цилиндр (рис.2.2) целесообразно записать уравнения гидродинамики в цилиндрических координатах [92]. Уравнение движения в проекции на оси координат 3
В ранее разработанной модели движения измельчаемого материала в рабочем пространстве центробежной мельницы вертикального типа [87] было сделано предположение, что коэффициент трения пропорционален давлению [94], а компоненты тензора напряжения трения записывались аналогично выражениям (1.25 - 1.30). Данная модель дала качественно удовлетворительные результаты, однако количественно отклонения расчетных значений максимума и минимума углов направления движения материала, выбранных в качестве параметра сравнения, а в особенности точки перехода от области, в которой материал опускается в ротор, к области его подъема (нулевых значений вертикальной скорости, взятые в горизонтальной плоскости над срезом чаши) значительны. Кроме того, размеры вихря в вертикальном направлении в расчетах значительно превышали реальные, что свидетельствовало о необходимости дальнейшего совершенствования модели движения материала в корпусе мельницы.
Было сделано предположение, что более корректным будет представление коэффициента вязкости как состоящего из двух слагаемых т«(ц0 + к-Р),где х0 - константа (аналог динамической вязкости);к - коэффициент трения; Р- давление. Тогда компоненты тензора напряжения трения записываются следующим образом;
Исследования характера движения измельчаемого материала в рабочем пространстве мельницы при размещении в полости ротора радиальных ребер
В главе 2 была усовершенствована математическая модель движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы, которая описана уравнениями гидромеханики с учетом формы ротора, внутреннего сухого трения в слоях, угловой скорости и высоты столба измельчаемого материала над ротором [99-101]. Эта модель позволяет установить траектории движения материала в любой точке рабочего пространства мельницы, влияние высоты столба материала на характер движения материала, а также оптимальные высоту столба материала и место размещения просеивающих поверхностей в цилиндрическом корпусе мельницы для выпуска готового продукта. При этом необходимо иметь экспериментальное подтверждение корректности разработанной модели.
В связи с этим при проведении экспериментальных исследований были поставлены следующие задачи:- исследование характера движения материала в рабочем пространстве мельницы при размещении в полости ротора радиальных ребер и разработка рекомендаций по рациональной высоте кольцевых просеивающих поверхностей;- исследование характера движения материала в рабочем пространстве мельницы без размещения в полости ротора радиальных ребер и сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований.3.2. Исследования характера движения измельчаемого материала в рабочем пространстве мельницы при размещении в полости ротора радиальных ребер
Движение частиц материала зависит от случайных факторов, не зависимых друг от друга, значения которых заранее нельзя предвидеть: формы и размеров куска, его физических свойств, вращения вокруг своей оси, положения куска относительно ребра в момент удара и т.д. Однако вероятности параметров движения можно определить довольно точно. В центробежной мельнице мы имеем дело со случайными массовыми явлениями, поэтому на основании закона больших чисел частота изучаемых событий приближается к их вероятностям. Следовательно, изучение закономерностей движения частиц измельчаемого материала в центробежной мельнице можно вести вероятностно-статистическими методами.
В лаборатории измельчитель ной техники СКГМИ (ГТУ) была разработана и изготовлена модель мельницы с радиусом ротора R = 100 мм в которую были введены датчики.
Модель (рис. 3.1, 3.2) состоит из вертикального неподвижного цилиндрического корпуса 1 и соосно с ним расположенного вала 2. Одним концом вал 2 соединен с электродвигателем постоянного тока 3, позволяющим свободно варьировать частотой вращения. На другом конце вала закреплен чашеобразный ротор 4, представляющий собой полый усеченный конус. Внутренняя полость чашеобразного ротора 4 разделена вертикальными радиальными перегородками 5 на шесть секций. Сверху корпус 1 накрыт крышкой 6, в которой имеются шесть сквозных вертикальных отверстий 7, равноудаленных друг от друга и расположенных по радиусу крышки для установки в них блока датчиков 8, представляющего собой стальной стержень 9, на котором установлены датчики 10 на определенном расстоянии друг от друга, регулируемом с помощью цилиндрических прокладок 11. В нижней части стержень 9 имеет упор для удержания датчиков 10, а в верхней - устройство 12 для их фиксирования. В стенке корпуса 1 имеется девять сквозных горизонтальных отверстий 13, расположенных на образующей цилиндра и на определенном расстоянии друг от друга. В отверстиях 13 устанавливается датчик 14, представляющий собой стержень с загнутым под прямым углом концом. На другом конце стержня крепится стрелка 15, установленная параллельно загнутому концу стержня, а вокруг оси стержня размещен лимб 16 с угловыми делениями.
Испытания проводились по следующей методике. В корпус загружается гранулированный полиэтилен с диаметром зерен 4 мм. Блок датчиков 8 устанавливается в крышке корпуса, а датчик 14 в отверстии 13 корпуса модели. Частота вращения ротора п меняется в пределах 470-670 мин"1, высота столба материала в корпусе Н поддерживается на фиксированных значениях 60, 120 и 200 мм. Время каждого испытания составляет 5 мин, а каждый опыт повторяется 3-5 раз. Характер движения частиц материала в горизонтальной плоскости оценивается путем замеров отклонения датчиков 10, а в вертикальной плоскости - отклонением датчика от исходного положения с помощью стрелки, закрепленной на его стержне. Схема замеров углового отклонения приведена на рис.3.3 и рис. 3.4. Значения углов отклонения датчиков, полученные путем осреднения от 3 до 6 экспериментов, измерены от радиального направления (принятого за начало отсчета) в сторону вращения ребер ротора.
В результате испытаний установлено, что частицы материала, в зависимости от частоты вращения ротора п, расстояния от оси вращения ротора г, высоты столба материала Н и расстояния от среза чаши Л, движутся в корпусе модели по определенным траекториям.
При высоте столба материала Н, равном 0,3 части диаметра ротора материал, находящийся непосредственно над вращающейся чашей, движется из периферийной части полости ротора вверх по изогнутой траектории по направлению от стенок корпуса к оси мельницы (рис.3.5а и рис. 3.6), а на расстоянии г = 0,62/? наблюдается обратное движение (к стенкам корпуса), затем резкий спуск материала в полость ротора, к его ступице. Причем с увеличением частоты вращения ротора увеличиваются объем выходящего из чаши материала и угол его спуска в полость ротора. В верхних слоях происходит снижение объема и угла подъема восходящей струи, резкий поворот нисходящих струй к оси модели мельницы и крутой их спуск к ступице ротора. Непосредственно у оси мельницы наблюдается закручивание материала в обратную, по отношению к направлению движения ротора, сторону. Обнажается тело ступицы ротора.
При столбе материала Н, равном 0,6 части диаметра ротора частицы, находящиеся непосредственно над вращающейся чашей (рис.3.56 и рис.3.7), движутся из периферийной верхней части полости ротора вверх по изогнутой траектории от стенок корпуса к оси мельницы. Наступает некоторая стабилизация угла поворота материала к оси чаши на расстоянии г = (0,47 -0,62)R, затем спуск материала в полость ротора, к его ступице. Причем с увеличением частоты вращения ротора увеличивается объем выходящего из чаши материала и угол спуска материала в полость ротора. В верхних слоях происходит заметное снижение объема и угла подъема восходящей струи материала, причем частицы присутствуют только у стенок корпуса мельницы. Одновременно наблюдается резкий поворот нисходящих струй к оси вращения ротора и последующий их крутой спуск к ступице чаши.
Непосредственно у оси модели мельницы происходит закручивание материала в обратную, по отношению к направлению движения ротора, сторону, но затем эта закрутка ослабевает по высоте столба.При столбе материала Н, равном 0,9 части диаметра ротора, характер движения (рис.З.бв и рис.3.8) меняется незначительно: с ростом частоты вращения увеличивается объем материала, выходящего из полости чаши,
Испытания центробежной мельницы вертикального типа при размоле доломита
Асфальтобетонные смеси приготовляют в смесительных установках в нагретом состоянии из щебеночных (гравийных) материалов, природного или дробленого песка, минерального порошка, нефтяного дорожного битума, взятых в определенных соотношениях, которые должны соответствовать требованиям ГОСТ 9128-76. Особая роль при приготовлении смесей отводится минеральным порошкам, от качества которых зависит прочность, сдвигоустойчивость и износостойкость асфальтобетонного покрытия.
На участках по производству минеральных порошков для асфальтобетонных смесей крупнокусковый доломит проходит ряд технологических операций: дробление до размеров щебня, классификация дробленого продукта, измельчение щебня с последующей классификацией измельченного продукта. При этом зерновой состав минерального порошка по классам крупности должен соответствовать требованиям ГОСТ 16557-85. Однако несовершенство измельчительной техники (шаровые барабанные мельницы) применяемой на этих предприятиях ограничивает возможности и перспективы их развития.
Применение технологических схем производства порошков с использованием молотковых дробилок, вибрационных, планетарных и валковых мельниц, а также ряда новых устройств для измельчения неизбежно связано с предварительной сушкой, т.к. попадание мелкого влажного материала в эти измельчительные устройства вызывает забивание рабочего пространства и их аварийную остановку.
Для исследования возможности применения центробежных мельниц для получения минерального порошка из кускового доломита одну из мельниц МАЯ-К10 с диаметром ротора 1 м и мощностью привода 75 кВт модернизировали и испытали на базе Асфальтобетонного завода «Севосетинавтодор» (РСО-Алания). Модернизация центробежной мельницы заключалась в установке дополнительной обечайки в пространстве между нижним фланцем корпуса и поддоном мельницы с целью блокировки кольцевого горизонтального зазора между подвижным ротором и неподвижными элементами мельницы. При этом разгрузка измельченного продукта из рабочей зоны мельницы осуществлялась через просеивающие поверхности, встроенные в наклонную часть ротора [109,110].Технологическая схема получения доломитового порошка на Асфальтобетонном заводе АО «Севосетинавтодор» представлена на рис.4.4.
Испытания проводили по следующей методике. Доломит крупностью -30 мм, пройдя цикл сушки, поступал в центробежную мельницу. Частота вращения ротора составляла 300 мин-1, высота столба материала варьировалась в пределах 350 - 450 мм, величина зазора в решетках ротора составляла 4 мм. Отбор проб измельченного материала осуществлялся через каждый час работы мельницы, пробы расситовывались на классы крупности по стандартным методикам. Расход электроэнергии контролировали при помощи измерительного комплекса К-50. Производительность мельницы по конечному продукту замеряли путем заполнения емкости за каждый час работы мельницы и последующего ее взвешивания на весах. Были проведены четыре серии испытаний. Результаты испытаний сведены в таблицу 4.2.Проведенные испытания показали высокую эффективность работы центробежной мельницы вертикального типа при производительности 4-5 т/ч по исходному продукту.
Из табл. 4.2 видно, что гранулометрический состав продуктов размола мельницы не соответствуют в чистом виде требованиям ГОСТ 16557-85 на минеральные порошки. Увеличение высоты столба материала от 350 мм (в первых двух сериях испытаний) до 450 мм (в последующих сериях) привело в соответствие содержание классов крупности -0,071 мм с требованиями стандарта для неактивированных минеральных порошков. Однако излишним для этого стандарта является класс крупности + 1,25 мм.Приведение гранулометрического состава конечного продукта измельчения центробежной мельницы в соответствие с требованиями ГОСТ 9128-76 на асфальтобетонные смеси возможно несколькими способами, представленными ниже.
Во-первых, уменьшением размера выпускных отверстий в решетках ротора можно добиться снижения количества фракций +1,25 мм. Однако это мероприятие неизбежно приведет к снижению производительности центробежной мельницы с соответствующим увеличением энергетических затрат на измельчение. Другим путем соблюдения требований стандарта является организация замкнутого цикла измельчения с использованием стандартного оборудования для грохочения или воздушной сепарации с возвратом крупного класса на доизмельчение в мельницу, но этот вариант приведет к дополнительным производственным расходам.
Наиболее приемлемым вариантом использования центробежной мельницы вертикального типа для приготовления минеральных порошков является третий путы увеличение размера выпускных отверстий в решетках ротора и установка в рабочем пространстве мельницы дополнительных кольцевых просеивающих поверхностей. Это мероприятие приведет к дополнительной эвакуации готового продукта из корпуса мельницы и к повышению общей производительности. Одновременно с этим для соблюдения ГОСТ 9128-76 следует корректировать процентное соотношение компонентов минеральной части асфальтобетонной смеси, а именно: уменьшать количество дробленого песка на величину массы класса крупнее 1,25 мм в продуктах размола мельницы.
Таким образом, использование центробежных мельниц типа MB в технологических схемах приготовления асфальтобетонных смесей позволяет повысить эффективность производства за счет снижения производственных расходов.
Для расчета мощности привода центробежной мельницы были проанализированы работы Баумана В.А. [38], Выскребенца А.С. [32] и Гегелашвили М.В. [42], согласно которым мощность привода мельниц центробежного типа расходуется на:
Исследованные ранее характеры движения измельчаемого материала в корпусе мельницы и полостях ротора, выведенные на основе уравнений гидродинамики [99-101], имеют хорошую сходимость с результатами лабораторных и промышленных исследований центробежных мельниц. Тогда по Гинзбургу [89]где р - плотность материала; R - радиус ротора мельницы; о) - частота вращения ротора, v - коэффициент эквивалентной вязкости материала. Составляющая ]\[ст может быть определена из [32] какгде f2- коэффициент трения измельчаемого материала о стенки корпуса; RK- радиус корпуса мельницыИ— расстояние от верхнего (неподвижного) слоя столба материала; л? - коэффициент подвижности
GM - вес измельчаемого материала, находящегося внутри мельницы GAt=n-p g-H-R. Составляющая N определится как [38]:где а-р- предел прочности исходного материала при растяжении, кгс/см2; Q - производительность мельницы, м3/ч;/ - степень дробления;Dcs - средневзвешенный размер исходного материала, м; 7м-КПД мельницы; щ - КПД привода мельницы. Таким образом, приближенное выражение для расчета мощности электродвигателя центробежной мельницы будет выглядеть как [111]Найдем предельное максимальное значение коэффициента эквивалентной вязкости v для различных материалов
