Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные конструкции дробильно-размольного оборудования для углеродистых материалов 12
1.1. Сущность и технологическое назначение процессов дробления и измельчения 12
1.2. Основные виды дробильно-измельчительного оборудования, применяемого при обработке углеродистых материалов 14
1.3. Общая оценка мельниц, применяемых в практике, и основные тенденции развития измельчительной техники 25
1.4. Выбор направления исследования и его основные задачи 42
1.5. Системный подход к выбору параметров дробильно-измельчи-тельной установки (ДИУ) на базе способа динамического самоизмельчения 43
1.6. Гидродинамическая модель движения материала в центробежной мельнице 45
1.7. Сыпучая среда как основа для аналитического описания внутри мельничной загрузки 48
1.8. Основные характеристики зерновой смеси 50
1.9. Разрушение углеродистых материалов в центробежных мельницах. 53
Глава 2. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследование основных параметров мельницы 63
2.1. Задачи расчетно-теоретического исследования 63
2.2. Скоростные режимы работы мельницы 63
2.3. Оптимальный скоростной режим ротора в зависимости от прочности материала 75
2.4. Крутящий момент на валу ротора 80
2.5. Определение производительности мельницы 99
Глава 3. Экспериментальное исследование процессов динамического самоизмельчения в мельнице мая 111
3.1. Задачи экспериментального исследования 111
3.2. Лабораторные экспериментальные установки и приборы 111
3.3. Определение оптимального давления слоя материала на чашу ротора 120
3.4. Влияние влажности на процесс измельчения 124
3.5. Исследование частоты вращения ротора 129
3.5.1. Оптимальная скорость ротора с учетом прочности измельчаемого материала 131
3.6. Предельная крупность исходного питания 136
3.7. Крутящий момент на валу ротора 140
3.8. Исследование коэффициента внутреннего трения в зернистом углеродистом материале 140
3.9. Исследование производительности 148
Глава 4. Конструктивная разработка и промышленные испытания экспериментального образца мельницы динамического самоизмельчения 154
4.1. Принципиальная схема компоновки экспериментально-промышленного образца мельницы динамического самоизмельчения 154
4.2. Последовательность расчета основных параметров 154
4.3. Конструкция экспериментально-промышленного образца мельницы динамического самоизмельчения МАЯ-К-10 159
4.4. Промышленные испытания экспериментального образца мельницы динамического самоизмельчения 162
4.5. Износ рабочих органов мельниц динамического самоизмельчения. 172
Глава 5. Расчетно-теоретическая и конструктивная разработка дробильно-измельчительной установки для получения зерновых фракций углеродистых материалов 179
5.1. Дробильно-измельчительная установка для подготовки зерновых фракций углеродистых материалов 179
5.2. Определение основных параметров дробильно-измельчительной установки 184
5.2.1. Параметры полостей дробления 184
5.2.2. Пропускная способность камер дробления 193
5.2.3. Определение крутящего момента, расходуемого в кольцевой щели 203
5.3. Давление столба материала
5.4. Оптимальная частота вращения ротора для измельчения термоантрацита 204
5.5. Мощность на валу ротора 205
5.6. Общая производительность мельницы 212
5.7. Рекомендации по защите рабочих органов мельницы (МАЯ, ДИУ) 214
Заключение
Библиографический список 230
Приложения
- Основные виды дробильно-измельчительного оборудования, применяемого при обработке углеродистых материалов
- Оптимальный скоростной режим ротора в зависимости от прочности материала
- Определение оптимального давления слоя материала на чашу ротора
- Конструкция экспериментально-промышленного образца мельницы динамического самоизмельчения МАЯ-К-10
Введение к работе
Процессы дробления и измельчения материалов занимают важное место в различных отраслях производственной деятельности. Особенно важную роль дробление и измельчение играет в горно-рудной и угольной промышленности при обогащении полезных ископаемых, в цветной и черной металлургии при подготовке шихтовых материалов, при производстве электродов, в топливно-энергетическом комплексе, в производстве строительных и химических материалов. Дроблению и измельчению ежегодно подвергаются миллионы тонн материалов, потребляя при этом порядка 10 % производимой в мире электроэнергии [1-3].
В связи с переходом на угольное топливо происходит непрерывный рост объемов обогащаемых углей. Процессы дробления и измельчения занимают значительное место в технологических схемах обогащения углей, их брикетирования, коксования, выпуска сортовых углей, переработке отходов гравитационного обогащения, окомкования рудного сырья.
Измельчение углей и на их основе углеродистых материалов является главной технологической операцией в производстве электродных, огнеупорных, электроугольных изделий, химически стойких и антифрикционных материалов, в теплоэнергетике, графитированных блоков и деталей для атомной энергетики, электродных масс для алюминиевой промышленности, подготовке угольного топлива в теплоэнергетике.
Роль угля в топливно-энергетическом комплексе России весьма существенна, так к 2020 г. его доля должна составить до 44 %. Запасы нефти в России обеспечены на 20 лет, угля - на 500 лет. Почти половину мирового производства тепла и электроэнергии обеспечивает уголь. В топливно-энергетическом балансе США уголь составляет 56 %, в Германии - 55 %, в Китае - 70 %, в Польше-90% [4].
Широкая область использования углеродистых материалов определяет различные требования к гранулометрическому составу продуктов дробления и измельчения. Так, при окомковании рудного сырья требуется антрацит с разме-
ром зерен -3+0, при изготовлении анодной массы - 8+0, для сжигания углей в барабанных сушилках и трубчатых печах требуется тонкий помол.
Ежегодно миллионы тонн угля измельчаются в различных типах мельниц. Большое разнообразие применяемого дробильно-измельчительного оборудования объясняется различными физико-механическими характеристиками перерабатываемых углеродистых материалов. Все электродные и электроугольные материалы, а также ископаемые угли в основном содержат углерод. Значительное отличие физико-механических свойств углеродистых материалов объясняется величиной и группировкой отдельных кристаллов и особенностью кристаллической структуры. Процессы изготовления всех видов углеграфитовых изделий происходят в твердом состоянии из зернистых углеродистых материалов.
Существенное значение на качество продукции оказывает гранулометрический состав шихты, соотношение классов и вид углеродистых материалов [5, 6]. Учитывая отличия физико-механических свойств углеродистых материалов и требования к гранулометрическому составу для их дробления и измельчения, используют различные типы дробильно-размольного оборудования.
Практически все отделения подготовки зернистых материалов характеризуются громоздкостью, наличием большого количества дробильно-измельчительного, транспортирующего и просеивающего оборудования, и как следствие, высоким уровнем капитальных вложений и расходов на эксплуатацию.
Актуальность проблемы. Применяемое в настоящее время дробильно-измельчительное оборудование характеризуется значительным износом высококачественной стали, удельным расходом электроэнергии на тонну готовой продукции [7, 8]. В горно-рудной промышленности расходуется на измельчение около 40 % от всей используемой энергии, при производстве углеграфитовых изделий - около 60 %.
Учитывая низкий к.п.д. используемого в настоящее время дробильно-измельчительного оборудования (менее 1 %), большие объемы перерабатываемых углеродистых материалов, усовершенствование существующего и разработка принципиально нового оборудования является актуальной проблемой.
Перспективным направлением в развитии измельчительной техники является совершенствование и создание мельниц, в основу которых положен принцип самоизмельчения. Мельницы самоизмельчения отличает отсутствие мелющих тел, значительное сокращение износа металла, более высокая удельная производительность [9-11].
Однако широко известные барабанные мельницы самоизмельчения не нашли применения в практике измельчения углеродистых материалов. Наибольший интерес представляет мельница принудительного самоизмельчения, разработанная в Днепропетровском горном институте (а. с. № 606615, Крюков Д.К.), которая характеризуется преимущественно статическими нагрузками на разрушаемый материал.
Одним из современных направлений в технике измельчения материалов является разработанный в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте способ динамического самоизмельчения и создаваемые на его основе мельницы динамического самоизмельчения типа МАЯ (мельница А. Ягупова), которые относятся к классу центробежных мельниц [12 - 16]. Отличительной особенностью мельниц МАЯ является интенсивное динамическое воздействие на разрушаемый материал, вызывающее его самоизмельчение.
Следует отметить высокую эффективность работы мельницы на углеродистых материалах. Это прежде всего в несколько раз меньший удельный расход электроэнергии, меньшая металлоемкость, незначительный расход металла по сравнению с шаровыми барабанными и молотковыми мельницами. К недостаткам мельниц динамического самоизмельчения следует отнести переизмельчение твердых материалов, невозможность регулировки крупности готового продукта и получения зерновых фракций.
Цель работы - обоснование и выбор параметров центробежных дробильно-измельчительных комплексов для углеродистого сырья на базе способа динамического самоизмельчения.
Идея работы - теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение эффективности применения дробильно-измельчительных машин на ба-
зе мельниц динамического самоизмельчения, сочетание в одной установке процессов дробления и измельчения.
Методы исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований на основании опыта промышленной эксплуатации мельницы динамического самоизмельчения МАЯ-К-10 и дробильно-измельчительной установки ДИУ-К-6.
Дан анализ литературных и патентных источников. Рассмотрены вопросы теоретического обоснования и выбора основных параметров сухого измельчения углеродистых материалов. Экспериментальные данные обработаны с использованием численных методов и ЭВМ. Лабораторные и промышленные испытания проводились по методике планирования экспериментов, с последующей обработкой на ЭВМ.
Научные положения, защищаемые в работе
1. Скоростные режимы движения кусков материала в дробильно-
измельчительных установках и мельницах МАЯ, реализующих способ динами
ческого самоизмельчения, определяются соотношением вертикальной состав
ляющей вектора центробежной силы, действующей на кусок, и вектором силы
тяжести от столба материала. В зависимости от этого соотношения различают:
режим без циркуляции в вертикальной плоскости, режим динамического само
измельчения с циркуляцией материала в вертикальной плоскости и режим с
критической частотой, при которой весь материал выбрасывается из ротора.
Граничные значения скоростных режимов определяются размерами установки, степенью заполнения корпуса измельчаемым материалом и его физико-механическими характеристиками: коэффициентом внутреннего трения, крупностью кусков, относительной влажностью.
Производительность установок по исходному углеродистому материалу преимущественно определяются типоразмером установки, величиной разгрузочной щели, скоростью ротора, измельчаемостью материала, его прочностными характеристиками. При этом для сухого помола углеродистого сырья отно-
сительная влажность не должна превышать 6 %, а максимальная крупность кусков исходного материала не должна превосходить одной десятой диаметра ротора.
Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что величина момента на валу ротора дробильно-измельчительных установок и мельницы МАЯ зависит от их типоразмера, скоростного режима, коэффициента внутреннего трения материала, прочности частицы, разрушаемой в полостях дробления кольцевого зазора, и носит монотонный возрастающий характер.
Зависимость энергоемкости измельчения от основных параметров процесса носит экстремальный характер с минимальными значениями, соответствующими началу режима динамического самоизмельчения.
7. Зерновые фракции углеродистого сырья целесообразно получать на дробильно-измельчительных установках, созданных на основе способа динамического самоизмельчения, а пылевые фракции - в мельницах МАЯ. При необходимости получения сложного гранулометрического состава целесообразно объединять эти машины в последовательную технологическую линию.
Научная новизна
Выявлена закономерность скоростного режима с учетом параметров ротора, высоты слоя материала; характеристик разрушаемого материала; коэффициента внутреннего трения, предела прочности и размера кусков, поступающих в установку.
Доказано что, оптимальный режим динамического самоизмельчения может быть реализован при давлении столба на чашу ротора в пределах от 4 до 6 кПа, влажности исходного материала до 6 %, независимо от размера разгрузочной щели, крупности кусков исходного материала не более 0,1 диаметра ротора.
3. Экспериментально установлена зависимость производительности от
площади разгрузочной щели, скорости ротора, крупности и прочности материа
ла, типоразмера установки.
4. Разработана методика определения крутящего момента и мощности на
валу ротора и их составляющих на основании силового взаимодействия мате
риала, находящегося в роторе, над ротором, в камерах дробления кольцевой
щели, с силовыми элементами дробильно-измельчительного комплекса.
Научное значение
Выявленная зависимость скоростного режима от параметров ротора, высоты слоя материала, коэффициента внутреннего трения, предела прочности и размера кусков разрушаемого материала позволила определить оптимальную частоту вращения ротора, рационально использовать управляемые параметры для оптимизации процесса разрушения.
Установленные закономерности режима динамического самоизмельчения от давления столба материала на чашу, влажности и крупности исходного материала позволили определить диаметр ротора в зависимости от крупности разрушаемого материала; высоту корпуса ДИУ и МАЯ - в зависимости от вида разрушаемого материала; размер разгрузочной щели - от предельного содержания влаги в исходном материале.
Полученная зависимость производительности от площади разгрузочной щели, скорости ротора, типоразмера установки, физико-механических характеристик разрушаемого материала позволила разработать методику расчета производительности как общей, так и по узкому классу крупности.
Выведенная зависимость момента на валу ротора позволила определить значение момента на преодоление силы трения между слоями материала, а также сопротивления от разрушения материала в полостях дробления и на сообщение материалу необходимой угловой скорости.
Практическое значение работы
Определено оптимальное воздействие управляющих факторов на процесс разрушения материала в дробильно-измельчительном комплексе.
Разработана методика расчета и выбора основных технологических и конструктивных параметров в центробежных дробильно-измельчительных комплексах.
Разработаны рекомендации по защите от износа основных рабочих элементов ротора, статора, камер дробления.
4. Разработаны рабочие чертежи, а также изготовлены опытно-
промышленные образцы МАЯ-К-10 и ДИУ-К-6 с последующим изготовлением
опытной партии машин.
Реализация выводов и рекомендаций
Разработан комплект конструкторской документации для изготовления опытно-промышленного образца мельницы динамического самоизмельчения МАЯ-К-10, который был реализован на Днепровском электродном заводе.
По результатам исследований и опытно-промышленной эксплуатации мельниц МАЯ-К-10 на углеродистых материалах разработана методика расчета основных технологических и конструктивных параметров мельницы, которая использована Днепропетровским заводом металлургического оборудования (ДЗМО) при проектировании и изготовлении опытной партии мельниц МАЯ-К-10.
Для получения зерновых фракций построена и прошла опытно-промышленную эксплуатацию дробильно-измельчительная установка ДИУ-К-6 на Садонском свинцово-цинковом комбинате.
Рекомендации по проектированию дробильно-измельчительной установки использованы АО «Агат» (ранее Георгиевский ремонтно-механический завод) при изготовлении промышленной партии мельниц центробежного типа.
Апробация работы
Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, были доложены на ежегодных научно-технических конференциях и расширенных заседаниях кафедр технологических машин и оборудования, технологии разработки месторождений СКГМИ (ГТУ) (секция горной механики и технологических машин и оборудования); на объединенном заседании механоремонтной и обогатительной секций технического совещания при главном механике Норильского горно-металлургического комбината; на заседании технического Совета Братского алюминиевого завода; на Уральском семинаре «Механика и процессы управления» (Екатеринбург, 2001 г., Уральское отделение РАН).
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, приложений. Содержит 229 страниц текста, 53 таблицы, 55 рисунков.
Основные виды дробильно-измельчительного оборудования, применяемого при обработке углеродистых материалов
В табл. 1.1 приведена классификация дробильно-измельчительного оборудования по трем основным признакам: по принципу действия, по виду рабочих органов и по основным конструктивно-кинематическим особенностям.
А. Щековые дробилки (рис. 1.2 а) среди различных типов дробильного оборудования имеют наибольшее применение. Наряду с зубчатыми валковыми дробилками они применяются для предварительного дробления. Конструкции дробилок с простым и сложным движением щеки и их работа достаточно полно описаны в литературе [28, 32 - 34]. Щековые дробилки отличаются простотой конструкции, надежностью в работе, универсальностью использования (для крупного и среднего дробления сухих и влажных материалов различной крупности и абразивности). Приводной механизм имеет простую кинематику, надежен в эксплуатации. Высота щековых дробилок в 1,5 - 1,7 раза меньше высоты конусных дробилок той же производительности, в 1,7 - 2,5 раза легче и примерно в 1,5 - 2,5 раза дешевле конусных.
Технологические и конструктивные недостатки щековых дробилок: 1) относительно малая производительность по сравнению с конусными дробилками и примерно в 1,5 раза больший удельный расход электроэнергии; 2) неравномерность гранулометрического состава готового продукта; 3) необходимость установки массивных фундаментов и маховиков из-за наличия кривошипно-шатунного механизма, ударной нагрузки, вибрации.
Б. Конусные дробилки (рис. 1.2 б) разделяются на дробилки крупного, среднего и мелкого дробления. Дробящим органом является подвижный конус, помещенный внутри неподвижного. Для углеродистых материалов наибольшее применение получили дробилки среднего и мелкого дробления. Отечественные заводы изготовляют конусные дробилки с консольным, опирающимся на сферический подпятник, валом трех видов: для среднего дробления - дробилки с короткой параллельной зоной, для нижесреднего - с уменьшенным разгрузочным отверстием и для мелкого - с длинной параллельной зоной и малым разгрузочным отверстием. Конструкции дробилок всех трех типов аналогичны и достаточно подробно освещены в литературе [34 - 36].Отличие состоит в размерах загрузочного и разгрузочного отверстий и в профиле дробящей зоны. При одинаковой производительности конусные дробилки экономичнее щековых и выдают более равномерный гранулометрический состав продукта. Вместе с тем им присущи и недостатки: сложность конструкции, трудоемкость ремонтов, низкая производительность при работе на коксах.
В. Валковые дробилки (рис. 1.2 в, г) с зубчатыми валками используют для предварительного дробления углеродистых материалов до размера кусков 60 -г 70 мм. Для подготовки зерновых фракций прокаленных коксов и антрацитов применяют валковые дробилки с гладкими или рифлеными валками. В зависимости от количества валков дробилки бывают одновалковыми, двухвалковыми с зубчатыми и гладкими валками, четырехвалковыми.
Дробление в валковых дробилках производится между вращающимися навстречу друг другу валками путем раздавливания, частичного истирания, удара или изгиба. Конструкции дробилок и их эксплуатацию см. [37-38]. Валковые дробил ки отличаются простотой и компактностью, малой массой, хорошей доступностью для осмотра и замены рабочих органов. Продукт валковых дробилок содержит меньше мелочи. К основным недостаткам валковых дробилок относятся: низкая производительность, малая степень дробления, непригодность для дробления крепких материалов.
Г. Молотковые дробилки (рис. 1.2 д, ё) применяются для подготовки зерновых фракций углеродистых материалов, перед прокалкой и после неё. Принцип действия молотковых дробилок [5, 39 - 40] состоит в разрушении материала, ударами быстро вращающимися жестко или шарнирно закрепленными молотками. Достоинства молотковых дробилок: высокая степень дробления, достигающая в однороторных машинах 15, а в двухроторных - 40, что обусловлено многократным ударным воздействием молотков на материал; высокая производительность; меньший в сравнении с другими типами дробилок расход энергии; простота конструкции; пригодность для крупного, среднего и мелкого дробления хрупких материалов.
Д. Молотковые мельницы имеют ту же схему конструкции и принцип действия, что и молотковые дробилки. Их используют для подготовки пылеуголь-ного топлива из бурых и экибастузских углей, измельчение флюсов, коксика. По способу подвода транспортирующего сушильного агента они подразделяются на аксиальные, тангенциальные, комбинированные, аксиально-тангенциальные.
К недостаткам молотковых дробилок и мельниц относятся: интенсивный износ бил, большие вибрации, требующие точной балансировки и установки ротора.
Е. Механические мельницы. Значительное количество углеродистых материалов, применяемых для производства различных видов электродных изделий и всех видов угольного топлива, подвергаются тонкому измельчению в механических мельницах: барабанных, среднеходных, мельницах-вентиляторах. Самыми распространенными являются барабанные мельницы сухого помола, отличающиеся измельчающей средой, геометрической формой барабана, способом разгрузки материала из барабана (см. табл. 1.2).
Шаровые мельницы с периферической разгрузкой (рис. 1.3 а) применяются в электродной промышленности для получения зерновых фракций. Футеровоч-ные плиты располагаются по внутренней поверхности барабана таким образом, что между секциями имеются зазоры, через которые измельченный материал проходит в пространство между футеровкой и барабаном. Барабан выполнен в виде сита, агрегат осуществляет две операции - размол и отсеивание. Для устранения пылеобразования вся мельница закрывается герметическим кожухом. К недостаткам этих мельниц относятся: интенсивный износ броневых плит и шаров, загрязнение продуктов помола металлом и шум при работе.
Шаровые барабанные мельницы с центральной загрузкой нашли широкое применение в практике для грубого и тонкого помола материалов [25, 32, 41 -42]. К числу основных достоинств относятся: надежность и простота рабочего органа, сравнительно высокая производительность для углеразмольных мельниц (до 70 т/ч). Тонкость помола легко регулируется и может быть установлена в необходимых пределах; металлические части, попадающие в барабан вместе с углем, не нарушают ее работоспособность.
Оптимальный скоростной режим ротора в зависимости от прочности материала
Однако широко известные барабанные мельницы самоизмельчения не нашли применения в практике измельчения углеродистых материалов. Наибольший интерес представляет мельница принудительного самоизмельчения, разработанная в Днепропетровском горном институте (а. с. № 606615, Крюков Д.К.), которая характеризуется преимущественно статическими нагрузками на разрушаемый материал.
Одним из современных направлений в технике измельчения материалов является разработанный в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте способ динамического самоизмельчения и создаваемые на его основе мельницы динамического самоизмельчения типа МАЯ (мельница А. Ягупова), которые относятся к классу центробежных мельниц [12 - 16]. Отличительной особенностью мельниц МАЯ является интенсивное динамическое воздействие на разрушаемый материал, вызывающее его самоизмельчение.
Следует отметить высокую эффективность работы мельницы на углеродистых материалах. Это прежде всего в несколько раз меньший удельный расход электроэнергии, меньшая металлоемкость, незначительный расход металла по сравнению с шаровыми барабанными и молотковыми мельницами. К недостаткам мельниц динамического самоизмельчения следует отнести переизмельчение твердых материалов, невозможность регулировки крупности готового продукта и получения зерновых фракций.
Цель работы - обоснование и выбор параметров центробежных дробильно-измельчительных комплексов для углеродистого сырья на базе способа динамического самоизмельчения.
Идея работы - теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение эффективности применения дробильно-измельчительных машин на ба зе мельниц динамического самоизмельчения, сочетание в одной установке процессов дробления и измельчения.
Методы исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований на основании опыта промышленной эксплуатации мельницы динамического самоизмельчения МАЯ-К-10 и дробильно-измельчительной установки ДИУ-К-6. Дан анализ литературных и патентных источников. Рассмотрены вопросы теоретического обоснования и выбора основных параметров сухого измельчения углеродистых материалов. Экспериментальные данные обработаны с использованием численных методов и ЭВМ. Лабораторные и промышленные испытания проводились по методике планирования экспериментов, с последующей обработкой на ЭВМ. Научные положения, защищаемые в работе 1. Скоростные режимы движения кусков материала в дробильно измельчительных установках и мельницах МАЯ, реализующих способ динами ческого самоизмельчения, определяются соотношением вертикальной состав ляющей вектора центробежной силы, действующей на кусок, и вектором силы тяжести от столба материала. В зависимости от этого соотношения различают: режим без циркуляции в вертикальной плоскости, режим динамического само измельчения с циркуляцией материала в вертикальной плоскости и режим с критической частотой, при которой весь материал выбрасывается из ротора. 2. Граничные значения скоростных режимов определяются размерами установки, степенью заполнения корпуса измельчаемым материалом и его физико-механическими характеристиками: коэффициентом внутреннего трения, крупностью кусков, относительной влажностью. 3. Производительность установок по исходному углеродистому материалу преимущественно определяются типоразмером установки, величиной разгрузочной щели, скоростью ротора, измельчаемостью материала, его прочностными характеристиками. При этом для сухого помола углеродистого сырья отно сительная влажность не должна превышать 6 %, а максимальная крупность кусков исходного материала не должна превосходить одной десятой диаметра ротора. 4. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что величина момента на валу ротора дробильно-измельчительных установок и мельницы МАЯ зависит от их типоразмера, скоростного режима, коэффициента внутреннего трения материала, прочности частицы, разрушаемой в полостях дробления кольцевого зазора, и носит монотонный возрастающий характер. 5. Зависимость энергоемкости измельчения от основных параметров процесса носит экстремальный характер с минимальными значениями, соответствующими началу режима динамического самоизмельчения. 7. Зерновые фракции углеродистого сырья целесообразно получать на дробильно-измельчительных установках, созданных на основе способа динамического самоизмельчения, а пылевые фракции - в мельницах МАЯ. При необходимости получения сложного гранулометрического состава целесообразно объединять эти машины в последовательную технологическую линию. Научная новизна 1. Выявлена закономерность скоростного режима с учетом параметров ротора, высоты слоя материала; характеристик разрушаемого материала; коэффициента внутреннего трения, предела прочности и размера кусков, поступающих в установку. 2. Доказано что, оптимальный режим динамического самоизмельчения может быть реализован при давлении столба на чашу ротора в пределах от 4 до 6 кПа, влажности исходного материала до 6 %, независимо от размера разгрузочной щели, крупности кусков исходного материала не более 0,1 диаметра ротора. 3. Экспериментально установлена зависимость производительности от площади разгрузочной щели, скорости ротора, крупности и прочности материа ла, типоразмера установки. 4. Разработана методика определения крутящего момента и мощности на валу ротора и их составляющих на основании силового взаимодействия мате риала, находящегося в роторе, над ротором, в камерах дробления кольцевой щели, с силовыми элементами дробильно-измельчительного комплекса. Научное значение 1. Выявленная зависимость скоростного режима от параметров ротора, высоты слоя материала, коэффициента внутреннего трения, предела прочности и размера кусков разрушаемого материала позволила определить оптимальную частоту вращения ротора, рационально использовать управляемые параметры для оптимизации процесса разрушения.
Определение оптимального давления слоя материала на чашу ротора
В месте сопряжения наклонной волнообразной поверхности съемного кольца с рабочей поверхностью чаши угол равен 20. Его значение постепенно уменьшается и в месте перехода волнообразной поверхности в калибровочную разгрузочную щель 18 равно 0.
В случае изменения крупности измельченного материала следует изменять (уменьшить или увеличить) размер калибровочной разгрузочной щели 18 с помощью винтовых домкратов 9, которые определяют местоположение регулировочного кольца 8 над съемным кольцом 4. Привод мельницы представлен асинхронным двигателем и клиноремен-ной передачей. Гранулометрический состав продукта измельчения зависит от величины зазора между кольцами 8 и 4. Наличие параллельной зоны разгрузочной щели позволяет калибровать продукт по максимальному размеру.
Анализ эксплуатационных показателей существующего дробильно-измельчительного оборудования (табл. 1.4) и современных тенденций его развития, показывает, что перспективным направлением является создание машин, в основу работы которых положен принцип самоизмельчения. Внедрение центробежных мельниц самоизмельчения типа МАЯ в производство позволит сократить расход электроэнергии на измельчение, износ дорогостоящих футеровочных материалов, время простоев, снизить стоимость ремонтных работ, улучшить условия труда, автоматизировать процесс размола, сократить подготовительные стадии дробления и классификации. В связи с этим в работе ставятся следующие задачи: 1. Исследовать влияние скоростных режимов работы мельницы на процесс самоизмельчения. 2. Определить оптимальную частоту вращения ротора при работе мельницы на углеродистых материалах. 3. Определить крутящий момент на валу ротора мельницы, исследовать и выявить основные факторы, влияющие на его значение. 4. Исследовать производительность мельницы и основные факторы, определяющие ее значение. 5. Составить рекомендации к конструктивной разработке центробежных мельниц типа МАЯ для углеродистых материалов. Параметры, характеризующие работу дробильно-измельчительной установки, можно разделить на четыре группы: входные параметры, параметры, определяющие режим динамического самоизмельчения, управляющие параметры и выходные параметры. Входными параметрами дробильно-измельчительной установки являются крупность d, влажность w, и прочность а исходного материала. Управляющими параметрами являются размер разгрузочной щели, расстояние между ротором и статором, которые определяют гранулометрический состав продукта размола. Необходимым условием динамического самоизмельчения является высота слоя материала, которая должна обеспечивать оптимальное давление на чашеобразный ротор. Величина давления зависит от типоразмера ротора. Частота вращения ротора, должна достигать значения необходимого для создания условий циркуляции материала в вертикальной плоскости и для разрушения материала, выброшенного из чаши ротора Выходные параметры - это производительность мельницы, которая зависит от типоразмера установки, скорости ротора, крупности исходного материала, коэффициента измельчаемости. Крутящий момент на валу ротора /4/ где М\ - момент трения в подшипниковых опорах; Mi - момент на разрушение материала в полостях дробления; М3 - момент, необходимый для сообщения материалу, попадающему в чашеобразный ротор, вращательного движения; Мц - усредненный момент трения между слоями материала, увлекаемого чашей и расположенного над ней.
Гранулометрический состав продукта измельчения зависит от размера разгрузочной щели и расстояния между статором и ротором. Чем меньше это расстояние, тем больше перепад скоростей между слоями материала, находящегося в роторе и в статоре, следовательно, более интенсивное воздействие на материал. Входные параметры являются основой для выбора и расчета характеристик дробильно-измельчительной установки. Так размер поступающих кусков d является определяющим для диаметра ротора и типоразмера установки. Предел прочности на сжатие асж оказывает влияние на частоту вращения ротора. На производительность прочность материала влияет через коэффициент измельчаемости. В зависимости от прочности требуемый гранулометрический состав регулируется расстоянием между статором и ротором. При сухом способе измельчения влажность исходного материала существенно влияет на работу мельницы. С увеличением влажности производительность резко уменьшается, так как увеличивается прочность коагуляционных структур, и создаются условия для ухудшения выгрузки измельченного материала.
Конструкция экспериментально-промышленного образца мельницы динамического самоизмельчения МАЯ-К-10
В соответствии с требованиями п. 4.1 конструкция экспериментального образца (рис. 4.1, рис. 4.2) разрабатывалась на базе следующих решений.
Ротор мельницы 4 состоит из чаши, закрепленной на вертикальном валу 6, который опирается на верхний 3 и нижний 11 подшипниковые узлы. Подшипниковые узлы, в свою очередь, опираются на траверсы, соответственно верхнюю и нижнюю. В состав верхнего подшипникового узла входят радиально-упорный подшипник типа 7624 (ГОСТ 333-71) и радиальный типа 1320 (ГОСТ 5720-51). Вес ротора и столба материала, расположенных над чашей, воспринимается верхним подшипниковым узлом. Нижняя подшипниковая опора включает радиальный подшипник типа 11316 (ГОСТ 8545-57) на конической втулке, которая обеспечивает быструю разборку узла. Защита нижнего подшипникового узла, находящегося в области пылеобразования, осуществляется сальниковыми уплотнениями и лабиринтным устройством 10, через которое продувается сжатый воздух.
Чаша мельницы 9 отливается из стали с дальнейшим упрочнением износостойким материалом. Верхняя часть ребер упрочняется пластинами из твердого сплава. Кромка чаши, образующая разгрузочный зазор, по периметру наплавляется твердосплавным электродом (вариант 1) или секторами из марганцовистой стали (вариант 2).
Кольцо 8 вместе с чашей образует разгрузочную щель, величина которой определяет гранулометрический состав продуктов измельчения. Поверхность кольца, сопрягаемая с чашей, наплавляется твердосплавным электродом или футеруется секторами из марганцовистой стали. Кольцо перемещается в вертикальном направлении тремя винтовыми домкратами 7, расположенными под углом 120.
Корпус мельницы состоит из сварного вертикального стального цилиндра 5, имеющего верхний и нижний фланцы. Нижним фланцем корпус опирается на металлоконструкцию 13. К верхнему фланцу крепится траверса верхней подшипниковой опоры. Для контроля уровня материала в корпусе мельницы по всей высоте цилиндрической части имеется смотровое окно шириной 150 мм. В корпусе установлены сигнализаторы уровня верхнего и нижнего. Сигнализаторы определяют режим работы питателя (рис. 4.3), поддерживающего постоянный столб материала в мельнице. С целью исключения пылеобразования мельница сверху закрывается крышкой через уплотнительную резиновую прокладку.
Коллектор 12 предназначен для приема и вывода из мельницы готового продукта, а также поддержания нижней опоры ротора. Коллектор состоит из двух конусов, изготовленных из листовой стали и соединенных с помощью фланцев. Для исключения пылеобразования между фланцами предусматривается резиновая прокладка.
Привод мельницы / состоит из асинхронного электродвигателя, крутящий момент с которого передается ротору с помощью клиноременной передачи. В комплект привода входит несколько шкивов для изменения частоты вращения ротора. Материал в мельницу загружается через течку 2, герметично сопрягаемую с крышкой. Характеристика мельницы МАЯ-К-10 приведена в табл. 4.2.
Испытания проводили в условиях Днепровского электродного завода (г. Запорожье) в технологической линии производства анодной массы (рис. 4.3). Из прокалочной печи 1 материал подается системой транспортеров в бункер 2 емкостью 70 м . Под бункером установлен вибрационный питатель 3, с регулированием производительности, подающий материал в мельницу 4. Измельченный кокс (пековый) по отводной течке транспортируется к загрузочной головке элеватора, который подает его на систему грохотов. Тонко измельченный материал (-0,071 мм) транспортируется пневмотранспортом на дальнейшую переработку, минуя стадию тонкого измельчения. В бункер 2 подается также недоиз-мельченный материал (класс + 8 мм), возврат, отходы прессового углеграфитового производства. Мельница МАЯ-К-10 испытывалась при работе на пековом и нефтяном коксе, термоантраците и на возврате прессового углеграфитового производства.
В основном мельница работала на пековом коксе, как наиболее трудноиз-мельчаемом и абразивном материале. Гранулометрический состав исходного материала приведен в табл. 4.3. При испытании МАЯ-К-10 контролировались следующие параметры: производительность (определялась по времени выработки бункера или по времени наполнения мерной емкости, которая в последующем взвешивалась); мощность замерялась измерительным комплектом К-50; высота столба материала контролировалась по шкале, расположенной вдоль смотрового окна; гранулометрический состав исходного и готового материала; высота разгрузочной щели; частота вращения ротора; износ рабочих элементов; производительность мельницы определялась в зависимости от окружной скорости чаши, площади разгрузочной щели, коэффициента крупности исходного материала. Уровни перечисленных факторов взяты в соответствии из табл. 2.10. Полный факторный эксперимент 2 для оценки коэффициентов уравнения (2.47) проведен в соответствии с матрицей планирования (табл. 4.4). На каждом из восьми исследуемых режимов мельница работала в течение трех часов, поддерживалась постоянной высота столба материала. Производительность мельницы определялась по времени наполнения мерной емкости с учетом возврата. Отбор проб выполнялся через каждый час после начала работы. Из таблицы результатов (табл. 4.4) следует, что производительность мельницы возрастает с уменьшением крупности питания, с увеличением площади разгрузочной щели и окружной скорости чаши.
