Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и анализ научно-технической проблемы переработки отходов нерудных карьеров 12
1.1. Природоохранная технология переработки минерального сырья .12
1.2. Анализ отходов нерудных карьеров и продуктов их переработки для нужд народного хозяйства 18
1.3. Анализ технологических схем и оборудования для переработки отходов нерудных карьеров 29
1.4. Современное состояние исследований по переработке отходов минерального сырья 55
1.5. Цель, задачи и методы исследований 64
2. Систематизация процесса переработки отходов нерудных карьеров 67
2.1. Принципы системного анализа процесса переработки отходов 67
2.2. Обоснование классификационных критериев 72
2.3. Модель стоимостного баланса процесса переработки отходов 82
2.4 Выводы 89
3. Разработка метода оценки и выбора перерабатывающего оборудования .90
3.1. Анализ критериев оценки эффективности перерарабатывающего оборудования 90
3.2. Выбор критериев для оценки эффективности классификационно-измельчительного оборудования 97
3.3 Разработка алгоритма оптимизации технологических схем и после-, довательности оптимизации параметров оборудования по переработке отходов нерудных карьеров 113
3.4. Выводы 121
4. Анализ текущих отходов и техногенного сырья нерудных карьеров и классификация технологических схем для их переработки 122
4.1. Выводы 132
5. Оценка классификационно-измельчительного оборудования для переработки отходов нерудных карьеров 134
5.1. Методические основы экспериментальных исследований 134
5.2. Эффективность использования классификаторов и измельчителей для сухой переработки отходов в технологических схемах I и II классов.. 141
5.3. Оценка классификаторов для сухого разделения отходов 155
5.3.1. Струнные просеивающие поверхности виброгрохотов для разделения отходов естественной влажности 155
5.3.2. Грохоты с криволинейными просеивющими поверхностями для разделения мелких фракций отходов 174
5.3.3. Пневмоклассификаторы для разделения мелких фракций отходов .187
5.4. Оценка измельчителей для сухого помола отходов 199
5.4.1. Особенности измельчения отходов нерудных карьеров 199
5.4.2. Наклонные вибрационные и планетарные мельниц для тонкого и сверхтонкого помола отходов 208
5.5. Выводы 228
6. Практическая реализация созданных технических решений классификационно-измельчительного оборудования и разработка принципов его совершенствования .231
6.1. Практическая реализация созданных технических решений 231
6.2. Разработка принципов совершенствования классификационно-измельчительного оборудования 243
6.3. Выводы 257
Заключение 258
Литература 262
Приложения 283
- Анализ технологических схем и оборудования для переработки отходов нерудных карьеров
- Анализ критериев оценки эффективности перерарабатывающего оборудования
- Струнные просеивающие поверхности виброгрохотов для разделения отходов естественной влажности
- Практическая реализация созданных технических решений
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время только 10 % извлекаемого из недр земли минерального сырья превращаются в готовую продукцию, оставшиеся 90 % идут в отходы, загрязняя окружающую среду и занимая полезные площади, на которых могли бы возделываться пашня или расти лес. Экономика России 70-90-х годов предопределила одностороннее развитие горноперерабатывающей отрасли, направленное исключительно на извлечение из добываемого сырья тех компонентов, добыча которых в то время была наиболее выгодной. Оставшиеся в результате добычи и переработки отходы, как правило, складировались, что привело к созданию огромных запасов техногенного сырья по всей России. Ежегодно при производстве горных работ в России в отвалы поступает около 2 млрд. м3 вскрышных и вмещающих пород, а также отходов обогащения полезных ископаемых. За последние 30 лет открытыми разработками нарушено 2 млн. гектаров плодородных земель, из которых одна половина занята карьерами, а другая - отвалами и терриконами. Поэтому проблема переработки направляющихся в отвалы и уже накопившихся в них отходов минерального сырья, в частности отходов нерудных карьеров, выделилась в настоящее время в самостоятельную проблему, решение которой имеет огромное значение для народного хозяйства.
По данным 1990 года, ежегодное количество отходов нерудных карьеров в России составляет 150 млн. м3. Анализ исследований по утилизации отходов нерудных карьеров достаточно убедительно доказывает возможность получения из них таких строительных материалов, как щебень, песок, кирпич, цемент, абразивы, наполнители бетонов и полимеров, а также строительные и бытовые краски, лаки, шпаклевки, наполнители для резиновой промышленности, известняковую муку для мелиорации почв, крошку для подкормки животных и птиц и др. Анализ состояния вопроса показал, что для нужд строительной индустрии и других отраслей народного хозяйства используются не более 15% из вновь образующихся отходов, при этом номенклатура получаемых в результате переработки товарных продуктов весьма ограничена.
Многообразие различных видов отходов нерудных карьеров, их структурное и физико-химическое различие, а также конкретные требования к качеству продуктов переработки и их количеству вызвало применение самых различных, подчас далеко не оптимальных, схем технологических линий с использованием разнотипных перерабатывающих машин. В зависимости от условий процесса переработки в состав технологических линий могут входить машины и оборудование для очистки от загрязняющих примесей, подсушки отходов, измельчения, классификации, транспортировки, фасовки и т.п. Основным оборудованием являются машины для классификации и измельчения, так как они осуществляют главные технологические операции, определяют количество и качество получаемых из отходов продуктов переработки, а также основные материальные и энергетические затраты на их производство.
В России и за рубежом создано множество машин для классификации и измельчения, предназначенных для переработки различных видов минерального сырья, однако существующий парк машин для переработки отходов нерудных карьеров является весьма ограниченным, а методы оценки эффективности их использования в реальных эксплуатационных условиях являются несовершенными, так как они не в полной мере решают проблему оптимизации выбора конкретных технологических схем, типов машин, их конструктивных и режимных параметров.
Учитывая масштабы развития промышленной переработки отходов нерудных карьеров в России в ближайшем будущем, обеспечивающей частичное удовлетворение потребности народного хозяйства в строительных материалах и других товарных продуктах, разработка классификационно-измельчительного оборудования, метода оценки и выбора типов машин, их параметров в технологических линиях переработки отходов является актуальной научной проблемой.
Работа выполнялась в рамках программы по решению научно-технической проблемы "Разработать эффективные комплексы оборудования нового технического уровня и технологию для переработки сырья и отходов нерудных карьеров с целью комплексного использования сырья, улучшения качества продуктов горного производства, экономии трудовых и энергетических ресурсов", единого пятилетнего плана проведения исследований, разработок и опытных работ МНТК "Механобр" на 1986-1990 гг., утвержденного постановлением ГКНТ СССР от 28.04.86 №128, единого пятилетнего плана проведения фундаментальных и прикладных исследований, опытно-конструкторских и технологических работ по созданию высокоэффективных видов техники, технологий и материалов МНТК "Механобр" на 1986-1990 гг., утвержденного постановлением ГКНТ СССР от 14.08.86 №317, постановлениями Мосгорисполкома №1145 от 08.05.87,ТКНТ СССР №56 от 10.03.86 (задание 03.01.Н12) и №68 от 11.03.87 (задание 06.20.Н1), а также в соответствии с Федеральной целевой программой "ОТХОДЫ", раздел 1.17 "Техническая политика по отходам горнодобывающей промышленности", 1994 г.
Цель работы. Повышение эффективности процесса переработки отходов нерудных карьеров путём разработки, модернизации и выбора классификационно-измельчительного оборудования на основе установления закономерностей взаимодействия рабочих органов машин с перерабатываемым материалом и определения комплексных затрат перерабатывающих систем.
Идея работы. Разработка, модернизация и выбор классификационно-измелъчительного оборудования для переработки отходов нерудных карьеров осуществляется на основе анализа физической сущности процессов взаимодействия рабочих органов машин с перерабатываемым материалом, удельных энергетических, массовых и временных затрат на получение целевого продукта переработки.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Метод оценки классификационно-измельчительного оборудования для его разработки, модернизации и выбора в виде определяющих критериев удельного действия - комплексных показателей, учитывающих затраты перерабатывающих систем, устанавливаемых в зависимости от физической сущности процессов переработки, иерархии оценки и отнесённых к единице объёма (массы) целевого продукта переработки.
-
Комплекс математических моделей, описывающих рабочие процессы классификации отходов на вибрационных грохотах со струнными просеивающими поверхностями, грохотах с криволинейными подвижными и неподвижными просеивающими поверхностями, в пневмо- и вибропневмо-классификаторах с аэрофонтанирующим слоем и измельчения в наклонных вибрационных и планетарных мельницах, учитывающих закономерности поведения перерабатываемого материала на просеивающих поверхностях и распределительных решётках классификаторов и в помольных камерах измельчителей, в зависимости от его физико-механических свойств, механических и технологических характеристик машин.
-
Аналитические и экспериментальные зависимости между основными параметрами классификационно-измельчительного оборудования, учитывающие особенности взаимодействия его рабочих органов с перерабатываемым материалом, на базе которых разработаны новые принципы действия и перспективные конструктивные схемы машин и технологических комплексов для переработки отходов нерудных карьеров.
-
Зависимости для установления определяющих критериев удельных действий от конструктивных и релшмных параметров классификаторов и измельчителей, позволяющие среди равнозначных параметров, установленных по критериям эффективности разделения и производительности или энергоёмкости измельчения, выбрать наиболее предпочтительные по условию минимизации удельных затрат.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на использовании научных методов исследований, включающих аналитические исследования с использованием основополагаю-
щих положений теории колебаний, теории грохочения,' классификации и измельчения, экспериментальных исследований процессов разделения и размола отходов нерудных карьеров на стендах и в промышленных условиях с применением современной измерительной аппаратуры. Опытно-промышленные испытания установок по переработке отходов на ряде карьеров нерудной промышленности подтвердили результаты исследований. Точность экспериментальных исследований при доверительной вероятности 0,9 составляла не ниже 85 %.
Научная новизна. Для разработки и модернизации классификационно-измельчительного оборудования и оценки эффективности его использования в технологических линиях по переработке отходов предложены комплексные показатели - критерии удельного действия, учитывающие физическую сущность процесса переработки, энергетические и массовые характеристики движения перерабатываемого материала и его физико-механические свойства.
Разработаны комплексы математических моделей, описывающих рабочие процессы классификации отходов на вибрационных грохотах со струнными просеивающими поверхностями, грохотах с криволинейными подвижными и неподвижными просеивающими поверхностями, в пневмо- и вибропневмо-классификаторах с аэрофонтанирующим слоем и измельчения в наклонных вибрационных и планетарных мельницах. Модели учитывают закономерности поведения перерабатываемого материала на просеивающих поверхностях и распределительных решётках классификаторов и в помольных камерах измельчителей в зависимости от его физико-механических свойств, механических и технологических характеристик машин для определения их конструктивных и режимных параметров.
Установлены аналитические и экспериментальные зависимости между основными 'параметрами классификационно-измельчительного оборудования, учитывающие особенности взаимодействия его рабочих органов с перерабатываемым материалом. На базе этих зависимостей разработаны новые принципы действия и перспективные конструктивные схемы машин и технологических комплексов для переработки отходов нерудных карьеров.
Установлены зависимости для определяющих критериев удельных действий, используемые для оценки комплексов перерабатывающего оборудования, разнотипных энергоёмких машин одного функционального назначения и параметров классификаторов и измельчителей, структура которых зависит от иерархии оценки и типа оцениваемого оборудования.
Научное значение работы заключается в разработке математических моделей, зависимостей и комплексных оценочных критериев, позволивших создать научную базу для разработки, модернизации и выбора классификаци-онно-измелвчительного оборудования и разработки методик оценки и выбора типов машин и их параметров, что является вкладом в создание и совершенствование конструкций перерабатывающего оборудования.
Практическое значение работы заключается:
- в разработке методики оптимизации параметров классификационно-
измелъчительного оборудования по условию минимизации удельных затрат;
- в разработке методик оценки комплексов оборудования и различных ти-типов перерабатывающих машин одного функционального назначения с целью выбора наиболее эффективного оборудования для конкретных условий эксплуатации;
в разработке методики определения конструктивных и режимных параметров наклонных вибрационных мельниц для помола сухих и влажных отходов карбонатных карьеров;
в разработке рекомендаций по выбору параметров оборудования для переработки отходов, включая струнные просеивающие поверхности инерционных грохотов, криволинейные просеивающие поверхности дуговых, винтовых и вибровинтовых грохотов, пневмо- и вибропневмокласификаторы, вибрационные наклонные и планетарные мельницы;
в разработке и реализации в конструкциях классификаторов и измельчителей значительного количества новых технических решений, защищенных авторскими свидетельствами и патентами.
Реализация выводов и рекомендации работы. Разработанные в диссертации методика, рекомендации и новые высокоэффективные конструкции оборудования прошли промышленное опробование и внедрены на ряде карьеров ОАО "Моспромстройматериалы" и других предприятий в технологических линиях по переработке отходов нерудных карьеров. В частности, резинотросовые сита (по а.с. №827169 и по а.с. №1811087) для производства щебня фракции 5-20 мм внедрены на Пятовском карьере и Вяземском ГОКе; пневмосепаратор с аэрофонтанирующим слоем (по а.с. №1419760) для производства щебня 3-10 мм на Питкярантском карьере; вибрационная мельница для производства известняковой муки по ТУ - на Хомяковском карьере.
Суммарный экономический эффект от внедрения перечисленного оборудования составил 288,3 тыс. руб. в ценах 1990 года.
Апробация работы. Работа и ее отдельные положения докладывались на Всесоюзной конференции "Ускорение научно-технического прогресса промышленности строительных материалов" (Москва, 1987 г.); научно-техническом семинаре с международным участием ученых, аспирантов, инженеров и студентов "Проблемы и перспективы развития горной техники" (Москва, 1994 г.); Международном симпозиуме "Горная техника на пороге XXI века" (Москва, 1996 г.); 1-й международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" ( Тула, 1996 г.), XXIV и XXV международных симпозиумах "Моделирование в механике" (Польша, 1994 и 1996 гг.); Международной научно-технической конференции "Приоритетные технологии в пищевой промышленности" (Москва, 1998 г.); Международных симпозиумах "Неделя горняка - 98", "Неделя горняка - 99",
"Неделя горняка - 2000"; Международной конференции стран СНГ "Молодые учёные - науке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения" (под эгидой ЮНЕСКО) -Москва, 2000 г.; техническом совете ОАО "Моспромстройматериалы" (Москва, 1999 г.); технических советах ряда карьероуправлений: Пятовского, Вяземского, Питкярантского и др. ( 1982-1999 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ и получено 47 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 335 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 39 таблиц, список использованной литературы из 216 наименований и приложения.
Сложную и многогранную проблему разработки, оценки и выбора оборудования и определения его рациональных параметров в технологических схемах переработки отходов нерудных карьеров оказалось возможным решить и довести до практически значимых результатов лишь совместными усилиями коллектива отраслевой лаборатории переработки нерудных строительных материалов и камнеобработки, возглавляемой проф. Н.Г. Картавым и проф. Г.А. Доброборским, которым автор выражает глубокую признательность за консультации, внимание и поддержку при подготовке и завершении диссертации.
Анализ технологических схем и оборудования для переработки отходов нерудных карьеров
Структура технологических схем переработки нерудного сырья зависит, как известно, от физико-механических свойств перерабатываемых пород, горнотехнических условий и производственных мощностей предприятия. Эти же условия влияют и на сруктуру технологических схем по переработке отходов нерудного сырья. Основным критерием, характеризующим качество подлежащих переработке отходов, является кусковатость, а определяющими структуру технологической схемы еще и их загрязненность, крепость, абразивность и влажность.
Гранулометрический состав отходов нерудных карьеров весьма неоднороден даже в пределах одного месторождения и зависит от действующей на предприятии технологии добычи и переработки полезного ископаемого. Прочностные свойства отдельных частиц в силу избирательного характера дробления также различны. Большинство месторождений карбонатных пород (около 60%) обводнены, из-за чего отходы имеют высокую естественную влажность. Массовая доля влажности в дробленном камне из массива колеблется от 2-3% до 10-12%. В отдельных случаях, особенно при загрязнении полезного ископаемого глинистыми включениями, влажность может быть еще выше.
Все отсевы дробления при переработке горных пород по содержанию глинистых материалов подразделяют на две группы [17]:
- отсевы дробления, получаемые при переработке на щебень изверженных горных пород и валунов;
- отсевы дробления, получаемые при переработке на щебень массивных осадочных горных пород (песчаников, известняков, доломитов) и гравия.
В отсевах дробления первой группы содержится меньшее количество загрязняющих примесей, чем в отсевах второй группы в них практически отсутствуют глина в комках; отсевы дробления второй группы, как правило, содержат значительное количество глинистых тонкодисперсных частиц и глины в комках, характеризуются более низкими прочностными свойствами и морозостойкостью, непостоянством зернового состава.
Следовательно, для отсевов, особенно второй группы, характерны повышенное содержание пылевидных фракций, загрязненных вскрышными породами и зернами слабых фракций, попадающих в отсев на первых стадиях дробления. Кроме того, содержание зерен неправильной формы в мелких фракциях может достигать 70... 75% [19].
Отсевы дробления значительно отличаются от природных песков не только своими свойствами, но и поведением в бетоне. Особенно неблагоприятно влияет на качество бетона фракция 0...0,16 мм, поэтому для использования искусственных песков из отсевов дробления в качестве мелкого заполнителя бетона необходимо эту фракцию удалить.
Таким образом, переработка отсевов дробления должна включать следующие операции: выделение зерен крупнее 5 мм и мельче 0,16 мм, удаление пылевидных, глинистых и илистых частиц, а также глины в комках. Мелкие фракции отсева целесообразно использовать для получения стекол, керамических изделий, кладочных и штукатурных растворов, а крупные фракции - для получения мелких фракций щебня [20].
В настоящее время отсевы дробления используются, в основном, дорожно- строительными организациями для устройства оснований и получения асфальтобетонов. В.И.Кармазиным [21] выделено три основных способа для обогащения отсевов по крупности: обогащение на грохотах, в пневматических классификаторах, в Гидравлических классификаторах.
Обогащение грохочением широко используется на предприятиях строительных материалов и подразделяется на сухое и мокрое. Выбор сухого или мокрого способов грохочения сопряжен в основном с наличием или отсутствием технических водоемов, технологическими условиями процесса переработки нерудного сырья, требованиями к качеству готового продукта. Выбор типа классификационного оборудования для переработки отходов нерудных карьеров во многом условен и зачастую проводится интуитивно, основываясь на результатах опробования выбираемых типов грохотов в аналогичных условиях эксплуатации.
Сухое грохочение в основном применяется для разделения по крупности мелкозернистых отходов с влажностью до 1-2%. Для разделения сухих мелкозернистых материалов наиболее часто используют пневмоклассификаторы. К недостаткам пневмоклакссификации относится значительный расход воздуха, который после использования необходимо очищать. Кроме того, на пневмо-классификаторах процесс разделения по крупности практически прекращается при влажности исходного материала свыше 3-4% [22].
В зарубежной практике в отдельных случаях для разделения сухих мелкозернистых отходов применяют барабанные грохоты, вращающиеся вокруг горизонтальной оси. Существенным недостатком таких грохотов является высокая энерго- и металлоемкость [23].
Мокрое грохочение используется для разделения мелкозернистых материалов повышенной влажности, при этом процесс классификации совмещается с промывкой, что позволет получать мелкий заполнитель хорошей чистоты. Однако технологические трудности, вызванные необходимостью утилизации пульпы и возможностью работы только при положительных температурах, сводят на нет преимущества мокрого грохочения перед сухим.
Для обогащения по крупности мелкозернистых материалов повышенной влажности применяют гидроклассификацию, основанную на использовании разных скоростей падения материалов различной крупности и различной формы зерен в водной среде [24]. По сравнению с пневмоклассификаторами гидроклассификаторы имеют большую производительность и позволяют одновременно с разделением удалять пылевато-глинистые примеси [25, 26]. Несмотря на то что, гидравлическая классификация наиболее часто используются для разделения мелкозернистых материалов по крупности, она имеет ряд недостатков: высокий расход воды -до 3,5...4,5 м на 1 м готовой продукции, загрязнение близлежащего водного бассейна, необходимость обезвоживания крупного продукта, сезонный режим работы гидроклассификаторов [27].
По промываемости загрязняющих примесей отходы нерудных карьеров, так же как и основную горную массу, можно разделить на две основные категории: легкопромываемые и труднопромываемые [28]. Легкопромываемыми считаются такие отходы, которые могут быть промыты на вибрационных грохотах в процессе мокрого грохочения, а труднопромываемыми - для промывки которых необходимо включать в технологическую схему специальные промывочные аппараты.
В схемах переработки отходов горных пород первой и второй категории, промывку щебня осуществляют, как правило, на окончательных стадиях грохочения. При совмещении операций товарного грохочения с промывкой производительность грохотов увеличивается на 20...25% [15]. Для получения обогащенного песка используют спиральные классификаторы типа КСН. Иногда на предприятиях малой мощности для упрощения технологической схемы применяют только промывку щебня на грохотах, песковую- пульпу направляют в отстойники.
При переработке карбонатных пород и их отходов, содержащих примеси в виде средних и тяжелых суглинков, промывка щебня осуществляется в корытных мойках типа К-12 или К-14, не уступающим по техническим характеристикам зарубежным промывочным машинам. Однако на некоторых отечественных предприятиях их неправильно эксплуатируют, не устанавливая грохоты для ополаскивания материала после промывки, а, наоборот, снижают подачу воды для уменьшения влажности промытого материала, чем ухудшают процесс промывки [29].
По рекомендациям [17] при применении на дробильно-сортировочных заводах мокрого способа обогащения отсевов дробления технологическая схема установки по обогащению включает следующие операции (рис. 1.2): промывку исходных отсевов дробления; обезвоживание отсевов дробления в ковшовом обезвоживателе, спиральном классификаторе или в другом аппарате такого же назначения с получением песка из отсевов дробления; осветление промывочной воды в отстойниках и подачу оборотной воды в технологическую схему; подачу готовой продукции (щебня и песка) на склад.
Анализ критериев оценки эффективности перерарабатывающего оборудования
Об эффективности подбора типов перерабатывающих машин и выбора их параметров судят по результатам работы на предприятиях, а именно по соответствию получаемых продуктов переработки требованиям стандартов. Такой подход к оценке эффективности комплекса перерабатывающего оборудования имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что он не учитывает энергозатрат, маталлоемкости используемого оборудования и многих других факторов и, кроме того, используемые по назначению машины применяются зачастую в условиях, несоответствующих их паспортным режимам.
Как правило, выбор и расстановку оборудования для переработки отходов нерудного сырья осуществляют исходя из практики эксплуатации этого оборудования в первичном цикле переработки, т.е. без учета специфики переработки "вторичного" сырья в конкретных условиях, в результате чего качество получаемых продуктов зачастую не соответствует требованиям стандартов, при этом себестоимость их значительно увеличивается. Все это ограничивает внедрение машин по переработке отходов на горных предприятиях и требует разработки новых методов оценки правильности выбора перерабатывающих машин и их параметров.
Наиболее объективным критерием истинности и полезности всего нового всегда являлась практика людей. Однако не всегда рационально каждое новое техническое решение подвергать длительной технической проверке. Поэтому в различных областях науки и техники, в том числе и в области переработки минерального сырья, предлагаются те или иные критерии для оценки новой техники, для оптимизации управления данным производственным процессом, для сравнения и выбора рациональных технологических схем, для оптимизации параметров разрабатываемых или используемых в конкретном технологическом процессе машин.
Все используемые в технике перерабоки минерального сырья критерии для оценки эффективности конкретных машин могут быть подразделены на технические, экономические и критерии качества. Существуют также комплексные или универсальные критерии [86].
Под технической эффективностью переработки минерального сырья, в том числе отходов, следует понимать целесообразность или рациональность совокупности механических движений перерабатывающих машин либо динамических характеристик движения перерабатываемого материала при разрушении или разделении сырья и других технологических операциях (транспортировании, промывке и т.п.), т.е. в процессе совершения работы определенного качества и сложности при получении целевого продукта с определенными физико-механическими характеристиками.
По классификации, приведенной в работе [86], технические критерии могут быть подразделены на дифференциальные и интегральные. Первые характеризуют процесс в определенной позиции (например, в какой-то момент цикла), вторые - за конечный промежуток времени. К дифференциальным критериям можно отнести мощность, максимальные и минимальные нагрузки, ускорения и др. Их использование для выбора рационального технического решения перерабатывающей системы и для его оптимизации затруднено тем, что таких критериев достаточно много, рациональные варианты системы по различным критериям получаются разными, при оптимизации критерии изменяются в различных направлениях, и выделить среди них главный, как правило, не удается.
К интегральным критериям механических систем относятся производительность за смену, месяц, год; эффективность; затраты энергии и сырья, удельная мощность; металлоёмкость; коэффициент полезного действия; эксплуатационная надежность; средние значения кинематических и динамических характеристик и другие. Однако они разнородны по содержанию и нет общих рекомендаций в каких случаях, какие из этих критериев следует применить.
Для оптимизации различного рода механических систем разными авторами предложен ряд динамических интегральных критериев. Они нашли самые различные названия: затраты энергии [87, 88], производительность и силовой режим [89], затраты сырья и электроэнергии [90], мощность, долговечность, стабильность, надежность [92, 93], КПД [94] и другие. С развитием теории многокритериальной оптимизации механических систем появились комплексные, обобщающие критерии, полученные путем "свертывания" нескольких критериев в один [95], составления комплексного критерия, адекватного заданной системе предположений [96].
Широкое распространение для поиска оптимальных параметров механических систем получил метод Соболя-Статникова [97], основанный на следующих предпосылках:
1.Задачи проектирования по существу многокритериальны. Имеется много критериев, в улучшении которых заинтересован заказчик.
2. Как правило, не удается сформулировать область допустимых вариантов решений и свести задачу к единому критерию, учитывающему достаточно полно все цели разработки и создания механической системы.
По существу метод Соболя-Статникова является методом постановки и решения задачи определения допустимого множества решений, их неформального анализа и выявления оптимального варианта создаваемой механической системы. Он позволяет учитывать столько критериев, сколько разработчик считает необходимым для полной оптимизации системы.
Наиболее распространенным интегральным критерием при оценке перерабатывающего оборудования является критерий производительности переработки (за смену, месяц, год). Однако в целом этот критерий не учитывает ни энергозатраты, ни металлоемкость используемого оборудования, ни стоимостные затраты и многие другие показатели. Естественно, для сопоставления различных перерабатывающих систем этот показатель непригоден.
В работе [48] описаны методы оптимизации процесса многоуровневого дробления по критерию производительности maxQBbIX и, если производительность Q0 процесса дробления задана, то по критерию общих энергозатрат пип Рвых.- Процесс дробления формализован в виде графа Г с ограниченными пропускными способностями ребер, где r=(M,G), М- множество вершин графа, GeMxM - множество его ребер. В вершинах графа расположены дробилки крупной, средней и мелкой стадии дробления, а также выходные транспортеры соответствующих стадий дробления. В результате оптимизации разработан пошаговый алгоритм нахождения максимальной производительности при некотором варьировании размера выходной щели головной дробилки крупного дробления. Задача минимизации общих энергозатрат процесса дробления решена методом динамическгого программирования, в результате чего определены оптимальные размеры щелей, входных и выходных производительностей каждой из дробилок всех стадий.
Однако, как критерий производительности, так и критерий общих энергозатрат представляют собой единичные критерии, которые пригодны для оптимизации технологического процесса с четко оговоренным набором оборудования В этом случае имеет место оптимизация параметров данного оборудования.
В качестве основного критерия оценки эффективности различных способов переработки, технологических машин в настоящее время принята себестоимость .1 MJ полученного продукта: Величина себестоимости вычисляется с учетом затрат, необходимых для обеспечения процесса переработки: заработной платы, электроэнергии, материалов, амортизации, услуг транспорта, ремонта и др. Этот критерий считается наиболее универсальным и объективным. Все же следует отметить, что этот критерий более, чем остальные подвержен влиянию субъективных и коньюктурных факторов, выходящих за рамки собственно процесса переработки, так как в его формировании участвуют такие показатели, как: цена, заработная плата, амортизация, услуги. Эти показатели зависят от коньюктуры рынка, имеющихся сырьевых и трудовых ресурсов, географического и экономического районирования страны, потребности в строительных материалах.
Струнные просеивающие поверхности виброгрохотов для разделения отходов естественной влажности
Как следует из таблиц 4.1 и 4.2, даже в отсевах фракций 0-5(10) мм карбонатных и песчано-гранитных пород содержится значительное содержание зерен крупностью свыше 5 мм. Что же касается техногенного сырья карьеров, то на примере Пятовского карьера (табл. 4.3) видно, что их содержание колеблется в пределах от 30 до 65 %. Учитывая возможность выделения из отходов товарных фракций щебня 5(10)-20 мм и 5(3)-10 мм, возникает потребность в определении параметров классификационного оборудования для разделения отходов нерудных карьеров по указанным классам.
Известно, что для выделения щебня указанных фракций из сильнозагрязненных глиной отходов безальтернативной разделительной операцией является мокрое виброгрохочение, совмещаемое с промывкой, как это было осуществлено на Горенском карьере (см. гл.1).
Однако немалая часть текущих отходов, а также отходов, находящихся в отвалах, содержат небольшое количество загрязняющих примесей (например, участок складирования отходов 1970-75 г.г. на Пятовском карьере). В этом случае, как показали проведенные в МГГУ исследования [116], целесообразно осуществлять менее дорогостоящую операцию сухого разделения отходов естественной влажности на виброгрохотах.
Конструкции грохотов, используемых для сухого грохочения отходов нерудных карьеров естественной влажности, должны удовлетворять следующим требованиям: отсутствие залипання просеивающих отверстий за счет непрерывной самоочистки рабочих элементов просеивающих поверхностей, простота в обслуживании и технологичность в изготовлении. В промышленности строительных материалов широко распространены инерционные виброгрохоты, оборудованные ячеистыми проволочными либо резиновыми ситами. Такие просеивающие поверхности доказали свою эффективность при грохочении горной массы влажностью до 3-4 %. С увеличением содержания влаги в горной массе влажные частицы слипаются друг с другом и с рабочей поверхностью. сит, вследствие чего затрудняется расслоение материала и происходит залипание ячеек просеивающих поверхностей [135].
Создание элластичных просеивающих поверхностей, рабочие элементы которых имеют возможность перемещения друг относительно друга, позволило успешно решить вопрос залипання отверстий при грохочении трудноразделимого сырья. К таким просеивающим поверхностям можно отнести резиновые струнные сита (РСС), образующие щелевые отверстия [127], резонирующие ленточно-струнные сита (РЛСС), выполненные из отдельных элементов - лент-струн с пёреодическими выступами - зубьями с одной стороны лент [128, 129] а также резинотросовые струнные сита (РТС), разработанные в МГГУ[125, 126, 139].
Высокие показатели качества работы струнных сит, как показывает практика их эксплуатации, достигаются при резонансном режиме колебаний рабочих элементов просеивающей поверхности. Это объясняется интенсивным, разрыхляющим перемещающийся по ситу материал движением струн сита, а также самоочистительным эффектом. Создание резонансного режима колебаний или близкого к нему зависит от правильности выбора параметров, определяющих этот режим. К ним отосятся: амплитуда Аг и частота юг колебаний короба грохота, усилие натяжения струн Fc и длина их свободных участков с, зависящая от числа промежуточных гребенок на сите пг. Значительное влияние на динамический режим колебаний элементов струнного сита имеет технологическая нагрузка.
Автором проведен комплекс исследований по определению величин амплитуд колебаний струн с различными механическими характеристиками под нагрузкой и без нагрузки [123].
На рис. 5.1 показана расчетная схема струнного сита. На схеме изображена рама (сита, на которой закреплены предварительно натянутые с усилием То струны. С расчетной точки зрения струны представлены как гибкие растяжимые нити с нулевой изгибной жесткостью, концы которых жестко закреплены. на раме сита и движутся по заданному закону, определяемому движением короба грохота. С рамой сита связана подвившая система. координат XOZU. X O Z U - неподвижная система координат.
В результате решения задачи получено уравнение движения струны [124]
Значения безразмерного коэффициента вязкого сопротивления определены эксперементальным путем при различных величинах технологической нагрузки, механических характеристиках материала струн сита и их конструктивных параметров.
На рис. 5.2 представлены расчетные и эксперементальные зависимости максимальных величин амплитуд относительных колебаний Uo резиновых и тросовых струн от длины их свободных участков с при различных значениях технологической нагрузки.
Анализ этих зависимостей показывает, что величина амплитуд относительных колебаний резиновых струн под нагрузкой с увеличением длины их свободных участков уменьшается, а тросовых струн - возрастает, достигая максимума при определенных, характерных для принятых высот слоя материала Н, значениях длины 1С [123]. Следовательно, одним из основных преимуществ тросовых струн, по сравнению с резиновыми, является возможность повышения живого сечения за счет увеличения расстояния между опорами при сохранении высоких и устойчивых по величине амплитуд колебаний струн. С учетом особенностей технологического процесса разделения средних фракций отходов нерудных карьеров в МГГУ под руководством автора созданы струнные просеивающие поверхности ячеистого типа, в качестве рабочих элементов которых использовались тросовые с резиновым покрытием струны, т.е. струны, облицованные резиновой оболочкой, имеющей боковые разделительные выступы. Такие просеивающие поверхности получили название резинотросовых струнных сит (РТС) - а.с. №№ 827189 [188], 1811087 [189].
Для оценки эффективности различных типов просеивающих поверхностей виброгрохотов при фракционировании отходов нерудных карьеров разработан специальный стенд виброгрохота, принципиальная схема которого показана на рисунке 5.3. Стенд представляет собой модель грохота с дебаланс-ным вибровозбудителем. Грохот снабжен комплектом сменных сит 1. Испытуемое сито устанавливалось в подвилшой раме 2 с возмолшостью регулирования угла его наклона от 0 до 30 посредством направляющих стоек 3, размещённых на подвилшой раме 4. Рама 4 закреплена на упругих опорах, в качестве которых использованы циллиндрические прулсины 5. Сито совершает колебательные движения по круговой траектории под воздействием де-балансного вибровозбудителя 6. Вращение вала вибровозбудителя осуществлялось от электродвигателя 7 через ременную передачу 8. Загрузка материала проводилась через питающий бункер 9 Подрешетный продукт поступает в приемник 10 , а надрешетный - в приемник 11.
Для исследования процесса грохочения отходов по кл. 10 мм, использованы следующие типы просеивающих поверхностей (рис. 5.4): металлическое сито с ячейками 10x10 мм; резиновое струнное сито (РСС) с шириной просеивающей щели 6 мм; резонирующее ленточно-струнное сито (РЛСС) с ячейками 10x10 мм; резинотросовое струнное сито (РТС) с ячейками 10x10 мм.
Исследования проводились при постоянных значениях амплитуды и частоты колебаний сит, которые соответствовали паспортным данным промышленного грохота ГИЛ-52 и составляли соответственно А=2,5 мм, и со=120 с"1.
Гранулометрический состав, а также физико-механические характеристики отходов соответствовали пробе № 12, взятой из-отвалов складирования Пя-товского карьера 1971...75 г.г.
Практическая реализация созданных технических решений
Конечной целью данных исследований является проектирование и применение эффективных технических средств переработки отходов в производственных условиях на основании разработанного метода их оценки.
Примерами практической реализации результатов исследований автора являются:
1. технология грохочения переувлажненного щебня из карбонатных пород (отходов) с повышенным содержанием глинистых примесей;
2. технологическая линия производства из отходов щебня мелких фракций сухим способом;
3. технологическая линия производства известняковой муки из несушеных отсевов карбонатного сырья.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования процесса грохочения трудноразделимых отходов на просеивающих поверхностях струнного типа позволили определить рациональные характеристики рабочих элементов сита и форму просеивающих ячеек в зависимости от технологической нагрузки. На основании этих исследований разделение переувлажненных средних фракций щебня-(по кл. 10 мм и 20мм) при повышенных технологических нагрузках рекомендовано осуществлять на резинотросовых ситах (РТС). Опытно-промышленные испытания указанных сит проведены на Пятовском, Вяземском и Питкярантском карьерах ПО «Моснерудпром».
Резинотросовые сита изготавливались в двух вариантах: ячеистого типа (в виде карт) и струнного типа.
Изготовление карт резинотросовых сит осуществлялось на опытно-механическом заводе ПО «Моснерудпром». Для их производства под руководством автора была разработана и изготовлена специальная пресс-форма. Размеры карт выбирались из условия монтажа их на грохоте ГИЛ-52 [186].
Изготовление рабочих элементов резинотросового струнного сита осуществлялось из резинотросовой конвейерной ленты типа 2 РТЛ-1500 механизированным способом по разработанной автором технологии [187]. В ленте выфрезеровывались симметрично с двух сторон поперечные пазы, ширина которых соответствовала длине ячеек сита. В процессе обработки пазов формировались боковые разделительные выступы, после чего лента разрезалась на отдельные струны.
Применительно к указанным типам резинотросовых сит была разработана и изготовлена система крепления и натяжения просеивающих элементов. На рис. 6.1 приведены общий вид и схема крепления резинотросового струнного и ячеистого сит.
Экономическую эффективность использования резинотросовых сит обусловили следующие факторы: увеличение эффективности грохочения на 3-6% по сравнению с проволочными ситами в сухое время года, сокращение времени простоев технологического оборудования из-за остановки грохотов для очистки сит в весенне-осенний периоды, увеличение в 6-10 раз срока службы по сравнению с проволочными ситами.
Установка опытно-промышленных образцов резинотросовых сит на грохотах ГИЛ-52 и эксплуатация их в течение 1,5 лет в технологических линиях по переработке отходов позволила увеличить выход щебня фракции 5-20мм на Пятовском карьере на 68,2 тыс.м в год и на Питкярантском карьере - на 9,1 тыс. м3 в год.
Годовой экономический эффект от внедрения резинотросовых сит струнного и ячеистого типа на Пятовском карьере составил 92,9 тыс. рублей, Питкярантском карьере - 38,7 тыс. рублей, Вяземском ГОКе - 22,4 тыс. рублей (в ценах 1990 года) - Приложение 1.
Анализ грансостава отсевов ДСФ Питкярантского карьера показал, что в них содержится до 37% щебня фракции +2,5мм (до 30% щебня фракции +3,0мм) (табл. 4.2).. Существующая технология и оборудование не позволяли выделять из них щебень фракции 2,5 (3) - 10мм, остродефицитный для строительных организаций г. Москвы, поэтому отсевы поступали в отвалы, загрязняя окружающую среду и пополняя запасы техногенного месторождения.
В связи с этим был проведен комплекс иследовательских работ по изучению процесса выделения щебня кл. 3-Ю мм из отсевов, выбору типа оборудования и определению его рациональных параметров.
Так как отсевы имели незначительное содержание глинистых примесей (2.6%), совместно с руководством карьера принято решение применить сухой способ переработки, как более экономичный. В связи с невозможностью организации операции сушки отсевов (из-за больших капитальных вложений), решено использовать классификационное оборудование, способное осуществить разделение отходов естественной влажности. Поскольку качественная работа классификаторов различного типа невозможна при сухом разделении сырья высокой влажности (W 7%) по кл. 3 мм, время работы предполагаемой установки определено сухими летними и зимними периодами, когда влажность отсевов не превышала бы 6%.
Производительность линии отсевов Питкярантской ДСФ составила 20-25 т/ч. Требования качеству целевого продукта переработки (щебню фр. 3-Ю мм) следующие: закрупнение - не более 5%, замельчение - не более 10%, содержание пылевато-глинистых частиц - не более 0,5%. Такие требования, кроме операции разделения на фракции, предполагают дополнительно операцию обеспыливания.
Для формирования альтернативных технологических схем в банк данных отобраны следующие конструкции классификаторов для сухой переработки гранитных отходов естественной влажности: вибрационный грохот ГИЛ-52, оборудованный ситом типа РЛСС; винтовой виброгрохот ВВГ; пневмосепарационная установка СУ-1 с пневмо - и вибропневмоклассификатором.
Предварительно осуществлены экспериментальные исследования разделения влажных гранитных отсевов на экспериментальных классификаторах указанных типов. Результаты этих исследований приведены в табл. 6.1.