Введение к работе
Актуальность проблемы. Для России важной государственной проблемой является снижение энергозатрат во всэх уровнях производства и, в первую очередь, в такой энергоемкой, как переработка и обогащение руд. Наиболее трудоемким и энергоемким процессом в технологии обогащения является дробление и измельчение руды, на долю которых приходится 60-70 % энергозатрат, (на дробление более 5 %, на измельчение - 64 %). Поэтому актуальной и перспективной является концепция перераспределения энергозатрат между процессами дробления и измельчения - перенос 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 %.
Совмещение в одном устройстве операций дробления и измельчения при высоких технологических показателях возможно эффективно осуществлять в аппаратах нового типа. Наиболее перспективными являются центробежные мельницы вертикального типа, в которых измельчаемый материал сформирован в виде цилиндрического столба, нижнюю часть которого вращают при помощи ротора, представляющего собой перевернутый полый усеченный конус с перегородками. Остаются пока нерешенными вопросы прогнозирования технологических и конструктивных параметров таких мельниц, повышения долговечности ее рабочих элементов, что снижает эксплуатационные показатели отделений измельчения.
Учитывая вышеизложенное, разработка научно-обоснованных решений при проектировании центробежных мельниц нового типа, внедрение которых на горно-обогатительных предприятиях снизит энергозатраты на измельчение и снизит переизмельчение готового продукта, вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса, решит крупную, актуальную задачу.
Цель работы- создание дробильно-размольного оборудования нового поколения путем разработки научных основ его проектирования на базе исследований центробежных мельниц вертикального типа, предназначенных для переработки минерального сырья и реализация результатов исследований при проектировании новых и модернизации существующих горно-обогатительных предприятий.
Идея работы - установление закономерности движения измельчаемого материала в рабочем пространстве и роторе центробежной мельницы для интенсификации процессов измельчения и повышения эффективности ее работы путем разработки и внедрения новых конструкций рабо-
чего пространства и рабочих элементов, разработке мероприятий дл снижения переизмельчения готового продукта, определении области ра ционального использования центробежных мельниц вертикального типе научном обосновании и выборе высокоэффективных износостойких мате риалов и разработке долговечных узлов центробежной мельницы, по,и вергающихся интенсивному абразивному износу.
Методы исследований. В работе применен комплексный метод ис следований: критическое обобщение опыта на основе анализа литератур ных и патентных источников, теоретические исследования с использовг нием теории гидродинамики с применением численных методов и ЭВ^ лабораторные и промышленные эксперименты с использованием методо планирования экспериментов; рентгеноструктурный и микроскопически анализы, статистические методы исследований с использованием ЭВМ.
Научные положения, защищаемые в работе:
-
Кинематические и динамические параметры движения измельчав мого материала в корпусе центробежной мельницы вертикального тип характеризуются системой дифференциальных уравнений гидромеханию
-
Механико-математическая модель движения измельчаемого мат< риала в полостях ротора центробежной мельницы вертикального тип описывается дифференциальными уравнениями гидродинамики с neps менным расходом вдоль пути движения.
-
Интенсивность ударно-абразивного износа, являющегося осної ным механизмом изнашивания рабочих элементов центробежной мельні цы вертикального типа, зависит от окружной скорости ротора и крупносп измельчаемых частиц и описывается уравнениями регрессии в степенно виде.
-
Оптимальное количество радиальных ребер в полости ротора цеі тробежной мельницы вертикального типа определяется максимальне крупностью исходного питания и угловой скоростью ротора.
Научная новизна:
-
Создана теоретическая модель движения измельчаемого маті риала в корпусе центробежной мельницы с учетом внутреннего сухої трения в слоях, угловой скорости и высоты столба материала над рот ром.
-
Разработана механико-математическая модель движения измел чаемого материала в полостях ротора центробежной мельницы верт кального типа, которая описана дифференциальными уравнениями ги, родинамики с переменным расходом вдоль пути, учитывающих физик механические свойства измельчаемого материала.
-
Установлен основной механизм износа рабочих элементов центр бежной мельницы вертикального типа, проявляющийся в виде пластич ской деформации поверхностного слоя ребер с последующим наклепом послойным разрушением слоев металла под ударами измельчаемых ча
тиц, а также получена зависимость интенсивности изнашивания рабочих
элементов, учитывающая окружную скорость ротора и крупность измель
чаемых частиц. ;
4. Разработана методика определения соотношения максимальной крупности питания и параметров рабочего органа центробежной мельницы вертикального типа, позволяющая минимизировать износ ребер за счет создания условий для эффективного разрушения крупных частиц центральным ударом.
Новизна научных положений подтверждена тремя патентами РФ и пятью авторскими свидетельствами СССР на изобретения.
Научное значение работы:
1. Установленный характер движения измельчаемого материала в
корпусе центробежной мельницы позволяет определить скорость слоев
материала в любой точке рабочего пространства, установить траектории
движения материала, энергетические затраты на перемещение слоев,
влияние высоты столба материала на характер движения материала в
пространстве над ротором, а также рациональную высоту столба мате
риала и местоположение просеивающих поверхностей в нижней части ра
бочего пространства мельницы.
-
Разработанная механико-математическая модель движения измельчаемого материала в полостях ротора центробежной мельницы позволяет определить основные технологические показатели процесса измельчения материала (частоту вращения ротора, высоту столба материала и производительность мельницы), а также выдать рекомендации по конструированию ротора центробежной мельницы.
-
Установленные механизм и закономерности износа радиальных оебер ротора позволяет обосновать рациональный (с точки зрения долговечности) выбор материала для их изготовления, а также определить оптимальные соотношения между производительностью и величиной износа эабочих элементов в зависимости от окружной скорости ротора, крупности измельчаемых частиц и высоты столба материала.
-
Разработанная методика определения оптимального количества эебер ротора центробежной мельницы позволяет определить рациональные (с точки зрения долговечности ребер) частоту вращения ротора и максимальный размер кусков питания мельницы.
Практическое значение работы:
определена область рационального использования центробежных лельниц;
определена оптимальная высота столба материала в корпусе цен-робежной мельницы;
установлена оптимальная высота просеивающих поверхностей в >абочем пространстве центробежной мельницы;
определены значения скорости слоев материала над плоскостьн вращения радиальных ребер ротора и угла встречи кусков материала < поверхностью ребер;
определены зависимости для расчета сопротивлений в нижней час ти столба материала, позволяющие прогнозировать мощность электро двигателя центробежной мельницы;
установлены зависимости для определения максимального размер; питания центробежной мельницы;
- определено оптимальное количество радиальных ребер ротор;
центробежной мельницы;
разработаны мероприятия по эффективной эвакуации готового про дукта из рабочего пространства центробежной мельницы;
разработаны схемы блокировок горизонтального кольцевого зазор; между подвижными и неподвижными элементами, позволяющие резкі снизить износ сопряжения рабочих элементов центробежной мельницы;
разработаны техническое задание и рабочие чертежи, а также изго товлена и реализована предприятиям РФ серия мельниц МВ-1 диаметро» ротора 1 м.
Достоверность и обоснованность научных положений, вьіводої и рекомендаций подтверждается: хорошей сходимостью теоретических і экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и про мышленных условиях, статистической обработкой результатов экспери ментальных и теоретических исследований, использованием современны методик и измерительной аппаратуры, широким внедрением результатої исследований и новых научно-технических разработок в производстве подтвержденным актом внедрения.
Реализация выводов и рекомендаций. Разработанные методик; выбора материалов для изготовления радиальных ребер ротора и схемь блокировок кольцевого зазора между рабочими элементами внедрень при опытной эксплуатации мельницы МАЯ-КЮ на Днепровском электрод ном заводе (ДЭЗ)в 1984 г., в ПО "Узбекзолото" - в 1985 г., на Терском из вестковом заводе - в 1987 г. Основные рекомендации по повышению на дежности рабочих элементов мельницы приняты к использованию н; Днепропетровском заводе металлургического оборудования при разра ботке технической документации машины МАЯ-Р25, в ОНИЛ ДРО Мин тяжмаша СССР, на Новочеркасском электродном заводе (НЭЗ) при экс плуатации модернизированной мельницы МАЯ-КЮ в 1989-1991 гг.
Методика и пакет программ для расчета срока службы рабочих эле ментов, характера движения материала в рабочем пространстве и полос ти ротора центробежной мельницы, рекомендации по повышению долго вечности рабочих элементов и своевременной эвакуации готового продук та легли в основу проектирования центробежных мельниц вертикальной типа МВ-1 в АО «Агат» (бывший Георгиевский ремонтно-механический за
вод), которое изготовило и реализовало предприятиям стройиндустрии, стекольным, кирпичным и черепичным предприятиям РФ в 1993-1994 гг. 10 центробежных мельниц диаметром ротора 1 м.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на заседаниях секции горной механики и технологических машин и оборудования ежегодных научно-технических и юбилейных конференций СКГТУ (ранее СКГМИ), 1980-1999 гг.; на Всесоюзной конференции «Способы повышения долговечности и надежности термонапряженного металлургического и горно-металлургического оборудования», 1983 г. (г.Челябинск); на технических советах ДЭЗа (г.Запорожье), 1984 г.; на техническом совете ДЗМО (г.Днепропетровск),
-
г.; на объединенном заседании кафедр горной механики и горных машин Криворожского горно-рудного института (г.Кривой Рог), 1988., на объединенном заседании кафедры горных машин и комплексов и отраслевой научно-исследовательской лаборатории дробильно-размольного оборудования Минтяжмаша СССР (г.Свердловск), 1988 г., на расширенном заседании кафедр горной механики и горных машин СКГМИ, 1988 г.; на технических совещаниях при директорах Терского известкового завода,
-
гг., НЭЗа, 1990-1991 гг., АО «АГАТ», 1992-1994 гг.; на международной конференции по вопросам приложения начертательной геометрии в орном деле, Владикавказ, 1994 г.; на 11-й Международной конференции 'Безопасность и экология горных территорий", г. Владикавказ, 1995 г.; на региональной научно-технической конференции «Крайний Север-96», г. Норильск, 1996 г.; на расширенном заседании кафедры технологических иашин и оборудования СКГТУ, 1999 г.
На конструкцию центробежной мельницы с усовершенствованными 10 рекомендациям настоящей диссертационной работы рабочими элементами получена серебряная медаль ВДНХ СССР в 1987 г.
Данное направление исследований, руководителем которых является штор настоящей диссертационной работы, признано в 1997-1999 гг. победителем конкурса грантов одновременно по двум направлениям: по рундаментальным исследованиям в области горных наук при Московском осударственном горном университете по разделу «Проблемы комллекс-юй переработки и обогащения минерального сырья с учетом требований ікологии» и по фундаментальным исследованиям в области металлургии іри Екатеринбургском государственном техническом университете.
Публикации. Основные положениядиссертации отражены в 37 науч-ых статьях, в числе которых монография, патент РФ на «Способ измель-ения материалов», 3 патента РФ на «Мельницу», 5 авторских свиде-ельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти