Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в развитых странах на механические способы обогащения полезных ископаемых тратится 5-8% всей производимой электроэнергии. Примерно 80% от этой величины составляют энергозатраты на измельчение. На современных горно-обогатительных комбинатах используются мельницы в основном больших типоразмеров. Масса мелющих гел в таких машинах соизмерима, а иногда и превосходит массу остальных час-гей мельницы. На движение мелющей загрузки расходуется 95% всей подводимой к мельнице энергии. Динамика мелющих тел тесно связана с потреблением энергии мельницей. В связи с этим точное измерение и задание строго определенных величин динамических параметров мелющих тел позволяет оптимизировать процесс по критерию энергоемкости. Определение истинных значений динамических характеристик мелющих тел до настоящего момента не представлялось возможным в связи с замкнутостью объема помольной камеры и зследствие этого отсутствием возможности передачи информации от мелющих гел к приёмному устройству традиционными методами (например, с помощью іроводов). Существующие в настоящее время методы измерения параметров движения шаровой загрузки мельниц носят косвенный характер, вследствие че-"о точность полученных результатов не позволяет достоверно оценивать величину энергии, затрачиваемой на измельчение материалов.
Как правило, в пределах технологической линии измельчение осуществляется мельницами одного типа. Это приводит к необходимости обеспечения эолыпого значения числа кратности измельчения - значительной разнице меж-іу средней величиной диаметра частиц измельчаемого материала, содержащих-:я в исходном и готовом продуктах. Вследствие этого энергоёмкость измельче-тая повышается.
Практически неисследованным остаётся вопрос, связанный с определением динамических параметров отдельных мелющих тел по всему объёму мелю-дей загрузки. Исследования в данной области имеют важное значение в определении энергоёмкости измельчения, т.к., зная параметры движения и энергию сдельных мелющих тел, можно с достаточной степенью точности определить зеличину энергии всей шаровой загрузки, необходимой и достаточной для измельчения материала до требуемого гранулометрического состава.
В связи с вышеизложенным развитие теории движения мелющей за-рузки и повышение эффективности оборудования для тонкого измельче-іия горных пород, обеспечивающие снижение энергоёмкости процесса ізмельчения горных пород, является актуальной научной проблемой.
Пель работы. Снижение энергоёмкости измельчения горных пород і повышение эффективности оборудования на основе новых закономер-шстей движения мелющей загрузки, установленных с использованием
оригинальных методов и устройств, позволяющих определять истинные значения динамических параметров мелющих тел.
Идея работы. Исследование движения мелющей загрузки с учётом взаимосвязи между динамическими параметрами ударных импульсов, возникающих при движении мелющих тел и величиной энергии, необходимой для измельчения частиц материала до требуемой величины и обоснование на данной основе типа измельчительного оборудования и параметров его работы.
Методы исследований. Для выполнения поставленной цели использовались методы компьютерного моделирования и спектрального анализа ударных импульсов, проводились лабораторные и промышленные испытания комплексов измельчительного оборудования, а также использовался способ передачи из внутренних областей мелющей загрузки информации о динамических параметрах ударных импульсов с помощью радиосигнала.
Основные научные положения, выносимые на зашиту, состоят в следующем:
-
Математическая модель процесса движения шаровой загрузки в мельницах различных типов, отличающаяся тем, что учитывает динамические параметры отдельных мелющих тел, а также включает вероятностный метод оценки влияния их соударений на формирование фазового портрета шаровой загрузки.
-
Динамические параметры отдельных мелющих тел находятся в корреляционной зависимости от фрикционных свойств измельчаемого материала и определяют фазовый портрет мелющей загрузки и энергию, потребляемую мельницей.
-
При ударных импульсах с амплитудами, превышающими 250 g и длительностями менее 0,01 с, стенки трещин в измельчаемом материале можно рассматривать как тонкие однородные пластины с упругими и дисси-пативными свойствами, движение которых описывается уравнением Ла-гранжа П рода с одной степенью свободы, решение которого определяет энергию ударного импульса.
-
Установлена структура условно неподвижного ядра барабанной мельницы, доказано существование динамически пассивной зоны в центре помольной камеры вибрационной мельницы и определены динамические параметры мелющей загрузки, при которых шары, находящиеся в этих зонах, могут быть вовлечены в рабочий процесс, что обеспечивает повышение эффективности работы мельниц.
Научная новизна работы. 1. Осуществлено аналитическое описание процесса взаимодействия мелющих тел с измельчаемым материалом, основанное на использовании метода Лагранжа при описании движения стенки трещины, а также на установлении и применении энергетического критерия
оценки способности мелющего тела разрушать материал до требуемого размера.
-
Дано описание физики процесса соударений отдельных мелющих тел, позволившее установить формы и параметры ударных импульсов для различных материалов и типов мельниц.
-
Определены критерии выбора измельчительного оборудования и его параметров для различных типов измельчаемых материалов, учитывающие динамику шаровой загрузки и обеспечивающие минимальную энергоёмкость измельчения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на использовании широкого диапазона современных научных методов исследований, включающих аналитические исследования с использованием основополагающих положений механики, научное обобщение и экспериментальные исследования процессов измельчения горных пород на ггендах и в промышленных условиях с применением современной измеритель-гой аппаратуры. Опытно-промышленные испытания комплекса измельчитель-юго оборудования на ряде карьеров нерудной промышленности подтвердили результаты исследований. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований при доверительной вероятности 0,9 составляет 85 %.
Научное значение работы заключается в развитии теории движения ме-[ющих тел, как в общей массе шаровой загрузки, так и в отдельности, а именно:
-
Осуществлено математическое описание формы ударных импульсов, определён энергетический критерий разрушения материала;
-
Разработаны математические модели взаимодействия мелющих тел с измельчаемым материалом в мельницах различных типов.
-
На основе представления стенки трещины в виде сплошной однородной пластины определены критерии развития трещины вследствие ударного воздействия мелющих тел на частицы материала.
-
Получены зависимости между режимными и технологическими параметрами мельниц, а также установлено влияние основных параметров мельниц на энергоёмкость измельчения.
Практическое значение работы заключается:
-
В разработке методики оптимизации выбора оборудования и его параметров по критерию минимизации энергоёмкости измельчения.
-
В разработке программного обеспечения математического моделирования движения шаровой загрузки в мельницах различных типов, графической интерпретации энергетического критерия разрушения, обработки полученного с мелющего тела радиосигнала, спектрального анализа ударных импульсов.
-
В разработке оригинальных (запатентованных в Российской Федерации) способа и устройства для измерения истинных значений параметров ме-
тощих тел и передачи информации от мелющего тела к приёмному устройству. 4. Разработаны оригинальные способ и устройство для измерения реальных ударных импульсов, возникающих в результате взаимодействия мелющих тел с измельчаемым материалом и позволяющие передавать полученную информацию на приёмное устройство с помощью радиосигнала. 4. В разработке и создании нового высокоэффективного комплекса виброизмерительного оборудования, позволяющего оперативно получать и обрабатывать информацию о движении мелющих тел в любой точке помольной камеры.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации выводы и рекомендации внедрены на П/О «Фосфаты» в технологической линии по производству фосфоритной муки, а также при производстве порошка из древесного угля с использованием промышленной установки на базе планетарной мельницы фирмы «FunPlanet Enterprises, Ltd.», (г.Чэпел Хилл, штат Северная Каролина, США).
Результаты исследований использованы отраслевой лабораторией переработки нерудных строительных материалов и камнеобработки МГТУ при разработке технической документации на наклонную вибрационную мельницу МВН-8 и комплекс передвижного оборудования для производства известняковой муки из карбонатных отходов.
Суммарный экономический эффект от внедрения перечисленного оборудования составил 294,3 тыс. руб. в ценах 1991 года.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на XI Международной конференции молодых ученых (Москва, МГТУ 1992 г.), на XX Международной научно-технической конференции «Проблемы проектирования, производства и эксплуатации горного оборудования» (Польша, Гливице, 1993 г.), на Международном семинаре ученых, инженеров, аспирантов и студентов (Москва, МГТУ, 1994 г.), на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых (Москва, МГТУ, 1995 г.), на Международном симпозиуме, посвященном 80-летию МГТУ, (Москва, МГГУ, 1999 г.), на Международной научно-практической конференции «Неделя Горняка-99» (Москва, МГГУ, 1995г.), на XXXY Симпозиуме "Моделирование в механике" (Польша, Силезский политехнический институт 1999 г.), на заседании Технического Совета П/О «Фосфаты» (Воскре-сенск, 1999 г.), на заседании Технического Совета фирмы «Fullen> (г. Катаса-куа, штат Пенсильвания, США, 1999 г.), на заседании Технического Совета фирмы «MicroGrinding Systems, Inc.» (г.Литл Рок, штат Арканзас, США, 1999 т.), на заседании Технического Совета фирмы «FunPlanet Enterprises, Ltd.» (г.Чэпел Хилл, штат Северная Каролина, США, 1999 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложенного в 35 работах, в том числе 29 статьях и 6 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 246 наименований. Диссертация изложена на 429 страницах, включая 259 страниц текста, 194 рисунка 16 таблиц и 2 приложения.
Автор выражает глубокую признательность Дмитрак О.В, и Дмитраку А.Ю. за создание идеальных условий для написания диссертации, к.т.н. Яцке-вичу Н.С. за помощь в создании программного обеспечения исследований, проф., д.т.н. Рачеку В.М. и проф., д.т.н. Редкозубову С.А., за ценные замечания, высказанные в процессе редактирования диссертационной работы.