Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния вопросов проектирования, эксплуатации и научных исследований вибрационных мельниц . 9
1.1. Перспективы развития конструкторско-технологического обеспечения процесса вибрационного измельчения минерального сырья. 9
1.2. Анализ основных направлений в теоретических исследованиях динамики рабочих органов вибрационных мельниц . 24
2. Теоретические исследования динамики рабочих органов вибрационной мельницы . 36
2.1. Обоснование актуальности исследований. 36
2.2. Разработка математической модели кинематики шаровой загрузки в помольной камере вибрационной мельницы. 37
2.3. Определение степени влияния случайной величины массы шаров на кинематические параметры мелющей загрузки . 47
2.4. Составление уравнения регрессии скорости шара на массу мелющей загрузки. 77
2.5. Выводы. 84
3. Экспериментальные исследования динамики рабочих органов вибрационной мельницы . 85
3.1. Обоснование актуальности исследований. 86
3.2. Характеристика исходного сырья. 87
3.3. Разработка комплекса лабораторного оборудования для измерения механических характеристик мелющей загрузки . 87
3.4. Проведение экспериментальных исследований с использованием метода «активного» планирования. 97 стр.
3.5. Ранжирование кинематических, конструктивных и рабочих параметров вибрационной мельницы по уровню значимости. 97
3.6. Составление уравнения множественной регрессии. 105
3.7. Установление зависимостей между кинематическими, конструктивными и рабочими параметрами вибрационной мельницы. 121
3.8. Выводы. 127
4. Обобщение и практическое применение результатов научных исследований . 128
4.1. Установление степени сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований. 128
4.2. Рекомендации по выбору основных параметров вибрационной мельницы . 132
Заключение 138
Список литературы 140
- Анализ основных направлений в теоретических исследованиях динамики рабочих органов вибрационных мельниц
- Определение степени влияния случайной величины массы шаров на кинематические параметры мелющей загрузки
- Разработка комплекса лабораторного оборудования для измерения механических характеристик мелющей загрузки
- Рекомендации по выбору основных параметров вибрационной мельницы
Введение к работе
Актуальность работы. Основными подготовительными операциями при обогащении полезных ископаемых являются дробление и измельчение. Эти операции весьма металлоемки и энергоемки: энергозатраты на эти процессы достигают 50-70% суммарных энергозатрат на весь цикл обогащения. При этом движение загрузки, включающей мелющие тела и измельчаемый материал, поглощает до 80% подводимой энергии.
Накопленный опыт показывает, что вибрационные мельницы являются наиболее часто используемыми для тонкого измельчения хрупких крепких пород и аналогичных по физико-механическим свойствам материалов. Вместе с тем вибромельницы обладают высокой энергоёмкостью вследствие специфики движения мелющей загрузки, масса которой может в несколько раз превышать массу остальных узлов мельницы. Представление многочисленных исследователей вибро-мелышц о мелющей загрузке как о едином теле, в лучшем случае наделённом упругими и диссипативными свойствами, не позволило получить в полной мере достоверную картину её движения. Для значительного повышения точности расчётов и получаемых результатов с целью снижения удельной энергоёмкости измельчения необходимо вести дальнейшие исследования в направлении изучения кинематических характеристик отдельных мелющих тел. В связи с изложенным определение кинематических параметров шаровой загрузки вибрационной мельницы для тонкого измельчения горных пород с целью снижения её удельной энергоемкости является актуальной научной задачей.
Цель работы. Определение кинематических характеристик шаровой загрузки и установление на этой основе зависимостей между основными параметрами вибрационной мельницы для снижения её удельной энергоёмкости.
Идея работы. Установление рациональных кинематических параметров отдельных мелющих тел, распределённых по всему объёму помольной камеры, с целью снижения удельной энергоемкости вибрационной мельницы.
Методы исследований. В ходе исследований применялись статистические методы определения кинематических параметров мелющих тел, метод симплекс-планирования экспериментальных исследований, а также метод передачи информации о кинематических параметрах отдельных мелющих тел с помощью радиосигнала.
Основные научные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:
-
Математическая модель мелющей загрузки вибрационной мельницы, отличающаяся тем, что на основе сложного движения отдельных мелющих тел установлена взаимосвязь между кинематическими и рабочими параметрами мельниц.
-
Векторное соотношение между скоростями двух соседних шаров мелющей загрузки определяется разностью их относительных скоростей, определяемых по отношению к скорости продольной оси симметрии помольной камеры.
-
Удельная энергоёмкость вибрационной мельницы находится в параболической зависимости от величины диаметра шаров, причём минимум удельной энергоёмкости достигается при значениях отношения диаметров камеры и шара, лежащих в диапазоне 10- 12.
Научная новизна работы:
Разработана математическая модель кинематики мелющих тел в помольной камере вибрационной мельницы, основанная на теории сложного движения мелющих тел, и установлены закономерности влияния кинематических параметров шаровой загрузки на удельную энергоёмкость измельчения.
На основании описания движения отдельных мелющих тел определены кинематические параметры мелющей загрузки.
В результате проведённого статистического анализа установлена зависимость закона распределения случайной величины массы мелющей загрузки
на ускорение шара, а также определены кинематические параметры мелющей загрузки.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются обоснованным выбором векторного способа задания движения отдельных мелющих тел, численными методами расчётов кинематических параметров мелющей загрузки, экспериментальными исследованиями процесса измельчения горных пород на опытном образце вибрационной мельницы с применением специально разработанного устройства для измерения статических и динамических составляющих ударных импульсов. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований составляет 85 %.
Практическое значение работы заключается в разработке методики определения рациональных параметров вибрационных мельниц, основанной на определении кинематических параметров мелющей загрузки.
Реализация результатов работы. Методика определения рациональных параметров вибрационной мельницы принята к использованию ФГУП «ВНИ-ПИИстромсырьё» при разработке проектов ДСФ с технологическими линиями по производству микрокальцита.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на Международных научно-практических конференциях «Неделя горняка -2010» (Москва, МГГУ, 2010г.) и «Неделя горняка -2011» (Москва, МГГУ, 2011г.), на научно-техническом совете Уральского государственного горного университета.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 5 научных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 135 наименований. Диссертация содержит 117 листов, включая 107 страниц текста, 46 рисунка, и 34 таблицы.
Анализ основных направлений в теоретических исследованиях динамики рабочих органов вибрационных мельниц
Исследования, проведенные с целью установления целесообразности применения наклонных вибрационных мельниц для измельчения отходов производства карбонатного щебня, в том числе влажных, показали перспективность этого вида оборудования для указанной цели. Ниже дан анализ основных конструкций вибрационных мельниц, разрабатываемых ведущими отечественными и зарубежными фирмами.
В Московском государственном горном университете на протяжении ряда лет ведутся работы по совершенствованию конструкций и разработке комплексов оборудования на базе вибрационных мельниц. В частности, разработана конструкция вибромельницы с четырьмя наклонными камерами (рис. 1.3). Каждая камера разделена двумя перегородками. Это сделано для того, чтобы обеспечить дополнительную передачу энергии от перегородок вглубь шаровой загрузки [41-43].
Среди вибромельниц с вертикальным расположением помольных камер интерес представляют конструкции, разработанные под руководством профессора Франчука В.П. [103-107]. Достоинствами этих мельниц являются отсутствие переизмельчения готового продукта и повышенная по сравнению с другими типами вибромельниц пропускная способность. При этом разработанные автором вертикальные вибромельницы обеспечивают такой виброударный режим воздействия шаров на измельчаемый материал, при котором осуществляется интенсивное измельчение прочных и абразивных материалов при минимальном намоле металла, получающемся вследствие истирания поверхности мелющих тел абразивом.
Другим примером стремления конструкторов и исследователей к повышению динамики шаровой загрузки является двухкамерная промышленная вибрационная мельница конструкции Северо-Кавказского горнометаллургического института (СКГМИ). Мельница вибрационная, многокамерная предназначена для тонкого измельчения сырья с целью дальнейшего получения твердосплавных порошков на заводе «Победит» г. Владикавказ [31]. Мельница разработана в СКГМИ на кафедре металлургии цветных металлов. Отличительной особенностью мельницы являются сухой, сверхтонкий помол, а также уменьшенная нагрузка на опорную конструкцию, т.к. векторы сил инерции каждого барабана направлены в противоположные стороны (рис. 1.4).
Двухкамерная вибромельница конструкции Северо-Кавказского горнометаллургического института. Среди последних разработок интерес представляет вибромельница, спроектированная ООО "Вибротехцентр-КТ" - ведущим российским разработчиком и производителем вибрационного транспортно-технологического оборудования, который занимается решением технологических задач связанных с рассевом (просеиванием), транспортировкой, перемешиванием (смешиванием), измельчением и дроолением различных материалов на оазе аппаратов собственного производства (рис. 1.5). Отличительными свойствами данной вибромельницы является оптимальное заполнение барабана мелющими телами и измельчаемым материалом. Это в максимальной степени обеспечивает устранение застойных зон в помольной камере из-за более равномерного распределения измельчаемого материала по всему её объему. При этом максимально эффективно используется рабочий объем помольной камеры, а процесс измельчения становится более эффективным. 1 1 - рабочая камера, 2 - патрубок загрузки, 3 - клапан разгрузки, 4 - упругие элементы, 5 - опорная рама, 6 - приемный стакан
Очень интересное решение предложили специалисты Московского опытного завода со специальным КБ вибротехники. Они сконструировали вибрационнаую мельницу с аспирационным устройством (рис. 1.6). Данное техническое решение позволяет вовремя отводить из зоны измельчения частицы готового продукта, что, с одной стороны, повышает качество готового продукта (устраняется его переизмельчение), а, с другой стороны, снижается энергоёмкость процесса, т.к. значительная часть подведённой к мельнице энергии тратится на измельчение именно мелких фракций.
Рис. 1.6. Вибрационная мельница с аспирационным устройством конструкции Московского опытного завода со специальным КБ вибротехники.
Среди зарубежных производителей вибромельниц также наметилась тенденция увеличения интенсивности взаимодействия мелющих тел с измельчаемым материалом.
Так, Криворожским КБ измельчительной техники была спроектирована вибрационная мельница (рис. 1.7), предназначенная для среднего и особо тонкого (от 0,1 — 0,04 мм до измельчения и до 0,015 — 0,001 мм после измельчения) помола сыпучих материалов (песка, щебня, цемента, шлака, графита и т. п.).
Вибрационная мельница конструкции Криворожского КБ измельчительной техники. Она может быть эффективно использована в технологических линиях приготовления заполнителей бетонных, растворных, сухих строительных, керамических смесей, изготовления каменного литья и др. Режим работы мельницы - непрерывный. В верхнюю часть мельницы вентилятором по трубе нагнетается воздух, который выносит мелкие частицы в сепаратор. Выделенные в сепараторе крупные частицы снова возвращаются по желобам в мельницу на доизмельчение, а мелкие вместе с отходящими газами поступают в циклон, где они выпадают из потока и осаждаются в приемнике. Очищенный в циклоне воздух поступает в вентилятор. Приемная часть барабана мельницы отделена от зоны продувки диафрагмой. Управление установкой автоматизированное и предусматривает при пуске двигателя мельницы опережающий пуск питателя и вентилятора. Производительность мельницы при сухом помоле до частиц 60 — 80 мкм, -2 т/ч. Объем барабана - 1 мЗ. Частота колебаний барабана, 50-100 1/с. Амплитуда колебаний, 4-14 мм. Установленная мощность - 36 кВт.
Ещё одним производителем современных вибромельниц является ИЦ "Вибромаш" (Казахстан). Вибромельницы, выпускаемые этой фирмой, предназначены для тонкого измельчения материалов в периодическом режиме. Конструкции вибрационных мельниц по сравнению с используемыми шаровыми мельницами вращательного типа обеспечивают интенсификацию процесса в 5-10 раз, позволяют осуществлять процесс сухого, мокрого измельчения в вакууме или контролируемой газовой среде (рис. 1.8). Помольные камеры могут быть выполнены из малоуглеродистой или коррозионной стали. В качестве мелющих тел могут использоваться стержни, шарики, цильпебсы. Мельницы имеют несколько параметров управления процессом.
Определение степени влияния случайной величины массы шаров на кинематические параметры мелющей загрузки
Движение мелющей загрузки в помольных камерах вибрационных мельниц является наименее изученным процессом в исследованиях, посвященных тонкому измельчению материалов. Это связано, с одной стороны, с наличием нескольких сотен мелющих тел, одновременно находящихся в движении и взаимодействующих друг с другом, и, с другой стороны, замкнутостью объёма помольных камер, в которых находятся мелющие тела, что значительно усложняет, а иногда и делает невозможным измерения динамических параметров загрузки.
Анализ теоретических исследований движения мелющей загрузки в помольных камерах вибрационных мельниц свидетельствует о наличии достаточно малого числа работ, посвященных изучению динамики мелющих тел во всем объеме помольной камеры, а также в отдельных ее частях. На наш взгляд это связано с ограниченными возможностями нахождения истинных значений различных коэффициентов (например, демпфирования при соударении шаров или трения при движении отдельных слоев загрузки), входящих в уравнения движения.
Изучение динамики движения шаровой загрузки в помольных камерах вибрационных мельниц - задача сложная как в экспериментальной, так и в теоретической постановке. Исключительно "суровые" условия внутри мельницы создают значительные трудности в измерении параметров мелющих тел с помощью датчиков. С другой стороны, моделирование движения шаровой загрузки должно включать в себя описание взаимодействия сотен шаров, соударяющихся и взаимодействующих друг с другом (в том числе и безударно). В настоящий момент мощность компьютеров позволяет выполнять численное моделирование рассматриваемого явления.
Однако без численного моделирования движения отдельных мелющих тел в помольных камерах мельниц невозможно точное описание динамики мелющей загрузки в целом и установление режимных параметров мельницы, при которых обеспечивается минимальная энергоёмкость измельчения.
Первые исследования в этом направлении проведены в МГГУ [66, 86]. В результате проведённых исследований авторы разработали математические модели движения отдельных мелющих тел, что позволило им значительно повысить точность полученных результатов. Так, в работе [86] Мешковым Ф.А. впервые получены основные кинематические характеристики отдельных мелющих тел. На наш взгляд такой подход является наиболее адекватным в описании движения мелющей загрузки в целом. В этой главе мы попытаемся придерживаться данного подхода, сделав при этом существенные дополнения прежде всего в расчётную схему, что должно положительно отразиться на точности описания динамики мелющей загрузки.
Разработка математической модели кинематики шаровой загрузки в помольной камере вибрационной мельницы.
Представим помольную камеру вибромельницы в виде цилиндра с осью х = у = 0 в правой декартовой системе координат (рис. 2.1 а). Сечение Пунктирной линией на рисунке 2.1 а) показано смещение помольной камеры в произвольный исследуемый момент времени. Таким образом центр масс С помольной камеры (без учёта массы мелющей загрузки) движется по окружности радиусом СХС. При этом радиус-вектор СХС совершает вращательное движение вокруг точки С с угловой скоростью Q. Уравнение вращательного движения этого радиуса-вектора запишется в следующем виде: p = p(t), (2.2) где p = \ldt
Здесь необходимо сделать очень важное замечание. Опыт эксплуатации вибрационных мельниц показал, что измельчение в помольной камере происходит в основном в плоскости, перпендикулярной продольной оси помольной камеры. Это связано с тем, что обычно коэффициент заполнения помольной камеры шарами равен 0, 75-0,85. Т.е. от 75 до 85 % объёма помольной камеры заполнено шарами, не считая пространства, занимаемого материалом. Понятно, что при такой плотности расположения шары лишены возможности совершать большие перемещения внутри помольной камеры (в отличие от мелющих тел в барабанной мельнице). Экспериментально подтверждено, что шары совершают апериодические колебания вокруг первоначального положения своего центра масс в плоскости, перпендикулярной продольной оси помольной камеры. В нашем случае это отражается тем фактом, что все шары одного слоя находятся на одинаковом расстоянии от начала координат. Положение центров масс шаров задаётся соответствующими радиусами векторами - Г. и г.. При этом, исходя из вышесказанного,
Следует обратить внимание, что вышеуказанные вектора выходят из начала подвижной системы координат. Таким образом, шары совершают сложное движение: центр масс каждого шара движется относительно начала подвижной системы координат x,y,Z, а начало подвижной системы координат (точка С) движется по окружности радиуса СХС относительно неподвижной системы координат Xi,yi,zi с началом в точке С,. Первое движение будем называть относительным, а второе - переносным.
Движение каждого шара задаётся векторным способом. К каждому шару из начала подвижной системы координат проводится радиус-вектор, постоянно меняющий величину и направление. Радиус-векторы, проведённые к шарам с номерами г,/, Л" из начала неподвижной системы координат, определяются следующим образом:
Разработка комплекса лабораторного оборудования для измерения механических характеристик мелющей загрузки
Построим гистограмму распределения ускорения шара а, и график функции распределения случайной величины а (рисунок 2.7). Найдём интервалы zt и zM, по которым будем определять значения функции Лапласа. Для этого составим таблицу 2.20. Здесь следует отметить, что функция Лапласа определена на всей оси абсцисс, но вероятность попадания значений V вне интервала [320;920] практически равна 0. В связи с этим левый конец первого интервала примем равным — оо, а правый конец последнего интервала - + оо.
Гистограмма и закон распределения случайной величины ускорения шара а при условии распределения массы шаров т по равномерному закону.
Найдём теоретические вероятности Pt и теоретические частоты п. - п-Р. =100-Р.. Такие параметры должна была бы иметь статистическая совокупность, распределённая по нормальному закону. Для этого составим таблицу 2.21.
Сравним эмпирические и теоретические частоты, используя критерий %г Пирсона. Вычислим наблюдаемое значение критерия Пирсона. Для этого составим таблицу 2.22.
По таблице приложения 5 [28] по заданному уровню значимости а - 0.05 и числу степеней свободы к = S-3 = %-3 = 5, где S- число интервалов, находим X =11.1. xlatm Zip значит параметры выборки не противоречат гипотезе о нормальном законе ускорения шара а. Принимаем данный закон распределения для дальнейших вычислений. В результате проведённого статистического анализа установлено, что закон распределения ускорения шара а не зависит от закона распределения массы шаров т и является нормальным. Для расчётов принимаем нормальный закон распределения массы шаров т, т.к. при данном законе параметр %2т6л имеет наименьшее значение, что указывает на большую правомерность задания этого закона распределения в датчике случайных чисел.
Определим число опытов, необходимое для проверки статистических гипотез данной работы. Для этого задаём уровень значимости а — 0.05 и точность оценки 8 = 122(т/с2). Данная точность составляет 20% от абсолютного значения математического ожидания, что вполне приемлемо для инженерных расчётов. Таким образом, доверительный интервал для оценки математического ожидания величины а будет иметь границы:
Таким образом, для надежной проверки гипотезы о нормальном распределении величины а необходимо провести 97 опытов. В нашем случае проводилось 100 опытов, что удовлетворяет условиям поставленной задачи.
Определим тесноту связи между случайными величинами а я т. Для этого рассчитаем выборочный коэффициент корреляции и напишем уравнение регрессии а на т. Так как данные величины распределены нормально, то из теоремы о двух нормально распределённых случайных величинах следует, что они связаны линейной корреляционной зависимостью. При этом уравнение регрессии а наш будет иметь вид [28]:
Найденное значение коэффициента корреляции близко к единице, что говорит о почти функциональной зависимости а от т. Подставляем найденное значение г в формулу (2.47) и получаем:
Выражение (2.49) является уравнением линейной регрессии а на т. Оно свидетельствует о том, что ускорение шара линейно зависит от массы мелющей загрузки (рисунок 2.8). Причём, судя по величине тангенса угла наклона прямой, эти две случайные величины при прочих равных условиях отличаются приблизительно в три с половиной раза.
Корреляционная зависимость ускорения шара а и массы шаров т. В результате проведённого статистического анализа были получены величины математических ожиданий различных кинематических параметров и построены графики зависимостей между ними. Например, распределения ускорений шаров с различными номерами, представленные на рисунке 2.9, отличаются друг от друга математическими ожиданиями их ускорений.
На рисунке 2.10 показаны зависимости математических ожиданий ускорений шаров от номера слоя, в котором они находятся. При неизменных прочих параметрах менялась только частота колебаний помольной камеры т. Номера слоев считаются от периферии камеры к её центру. Из рисунка 2.10 видно, что графики имеют характерные участки, соответствующие динамическим зонам. При переходе от слоя к слою вглубь шаровой загрузки наблюдается скачкообразное падение ускорений шаров, находящихся в малоподвижном ядре. Далее при переходе к следующему слою наблюдается рост ускорений шаров
При увеличении угловой скорости вращения камеры зона малоподвижного ядра меняет свои размеры. Сначала при небольших скоростях вращения малоподвижное ядро охватывает значительную площадь. Это связано на наш взгляд с быстрой потерей кинетической энергии, передаваемой от слоя к слою. При увеличении величины (О всё большее число шаров втягивается в процесс измельчения, и площадь зоны неподвижного ядра уменьшается. На рисунке 2.10 наименьшее число слоев шаров, принадлежащих малоподвижному ядру, приходится на величину со - 130 с4 .
На рисунке 2.11 показаны зависимости ударного ускорения шара от времени. На рисунке хорошо видны часто повторяющиеся короткие импульсы с относительно небольшой амплитудой (порядка 250 g). Такая картина ударных импульсов характерна для высокочастотного воздействия мелющих тел на измельчаемый материал. При этом прослеживается пропорциональность частоты Зависимости ударного ускорения шара от времени. соударений значению частоты колебаний помольной камеры. Пользуясь зависимостью частоты соударений от частоты колебаний камеры, можно определить общее количество соударений в помольной камере вибрационной мельницы.
На рисунке 2.12 показаны зависимости частоты колебаний шаров от коэффициента заполнения помольной камеры при различных значениях частоты её колебания. Характер кривых свидетельствует о том, что частота колебаний шаров в вибрационной мельнице достигает максимума при значениях коэффициента заполнения помольной камеры 0,7-0,85. Небольшие значения частоты колебаний шаров при низком коэффициенте заполнения объясняется малым количеством мелющих тел, что снижает вероятность их столкновений друг с другом. В то же время при значениях коэффициента заполнения больших 0,9 у шаров практически не остаётся пространства для движения, что резко снижает частоту их соударений.
Рекомендации по выбору основных параметров вибрационной мельницы
Исследования, проведённые в настоящей работе, позволили решить задачу обоснования рациональных параметров вибрационной мельницы. Проделанный объём работы позволяет подвести итоги и оценить степень сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований. В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований удалось на основе сложного движения отдельных мелющих тел сформировать динамический портрет мелющей загрузки вибрационных мельниц, определить степень влияния случайной величины массы шаров на кинематические параметры мелющей загрузки, разработать комплекс лабораторного оборудования для измерения механических характеристик мелющей загрузки, осуществить симплекс-планирование экспериментальных исследований и установить взаимосвязь между кинематическими и рабочими параметрами вибрационной мельницы. В достаточной степени достоверность полученных результатов может подтвердить хорошая (достаточная для инженерных расчётов) сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей ускорения шара от номера слоя, в котором он находится. Сравнение данных кривых показывает, что сходимость результатов, полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований достаточно высока и удовлетворяет общепринятым нормам, применяемым в инженерных расчётах.
На рисунке 4.3 показаны зависимости ударного ускорения шара от времени. Рис. 4.3 а) отражает экспериментальные зависимости, а рисунок 4.3 б)- теоретические.
В качестве примера сравним теоретические и экспериментальные зависимости, представленные на рисунке 4.3. Обращает на себя внимание тот факт, что на обоих графиках число ударов шара в единицу времени одинаковое: приблизительно 40 ударов в секунду шара об основную массу загрузки. Кроме того, величины амплитуд расчётного и экспериментально установленного ударных импульсов практически одинаковы. Это говорит о хорошей сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных зависимостей показал адекватность разработанных математических моделей реальным динамическим процессам мелющей загрузки в помольной камере вибрационной мельницы. Сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований при доверительной вероятности 0,95 составляет 85 %.
Анализ конструкций вибрационных мельниц выявил наметившуюся в последнее время тенденцию разработки измельчительного оборудования нового технического уровня с повышенной производительностью при заданной эффективности измельчения. Вместе с тем вибрационные мельницы являются одними из самых энергоёмких машин, используемых для измельчения горных пород. Поэтому ключевым вопросом настоящей работы являлось установление оптимального соотношения между производительностью вибромельницы и её энергоёмкостью. Этот вопрос удалось решить, используя подход минимизации удельной энергоёмкости при заданной эффективности измельчения.
При выборе типоразмера мельницы представляется целесообразным выполнение следующей последовательности действий:
Пояснения к методике выбора рациональных параметров мельницы. Этап 1. На данном этапе проводится анализ грансостава и физических свойств исходного сырья и готового продукта, оценивается его твёрдость и пористость, наличие вязких составляющих, а также включений, значительно отличающихся по своим физическим свойствам от основной массы материала. При необходимости производится грохочение или сепарация материала, прошедшего предварительные стадии дробления, с целью отделения фракций готового продукта, содержащихся в исходном материале. Данный пункт является основным в выборе методов ведения процессов измельчения, т.к., как было показано в настоящей работе, от характеристики исходного сырья во многом зависит целесообразность использования вибрационной мельницы для получения готового продукта с заданными свойствами.
Этап 2. На данном этапе устанавливается кратность процесса измельчения и учитываются результаты исследований настоящей работы с целью недопущения перерасхода энергии при измельчении. Значения величины отношения диаметров камеры и шара являются ключевыми в определении числа циклов, которые должен пройти материал, чтобы измельчение велось с заданной эффективностью при минимальной удельной энергоёмкости. Как только отношение диаметров камеры и шара начинают выходить за границы значений, установленных в настоящей работе, возникает необходимость в смене типоразмера мельницы и её рабочих параметров.
Этап 3. На основании опыта использования вибрационных мельниц для тонкого измельчения горных пород даётся оценка возможности использования вибрационной мельницы для получения готового продукта с заданными свойствами. При этом учитываются результаты исследований настоящей работы с целью недопущения перерасхода энергии при измельчении.
Этап 4. На основании опыта использования дробильно - измельчительного оборудования для тонкого измельчения горных пород производится предварительный выбор конструктивных параметров вибрационной мельницы мельницы с учётом оптимального с точки зрения удельной энергоёмкости отношений диаметров камеры и шара. В частности, используются результаты работы по определению зависимостей между видом измельчаемого материала и его крупностью на формирование динамического портрета мелющей загрузки.
Этап 5. На данном этапе согласно рекомендациям, полученным в данной работе, происходит выбор угловой скорости вращения камеры и частоты её колебаний, при значениях коэффициента заполнения помольной камеры 0,7-0,85.
Этап 6. На основании анализа мероприятий, проведённых на предыдущих этапах, производится выбор типоразмера вибрационной мельницы с учётом показателя эффективности измельчения. При этом значение удельной энергоёмкости является определяющим в выборе типа мельницы.
Этап 7. Данный этап является завершающим в выборе рациональных параметров вибрационной мельницы и её типоразмера. Разработка технологической схемы получения готового продукта с использованием вибрационной мельницы должна лечь в основу руководства для персонала по применению данной методики на предприятиях нерудной промышленности.
Каждый из указанных пунктов выполняется на основе теоретических и экспериментальных данных, содержащихся в настоящей работе.
В качестве иллюстрации применения настоящей методики рассмотрим процесс измельчения мраморной крошки, применяемый в технологических линиях по производству микрокальцита. Микрокальцит представляет собой отсеянный на фракции размером от 1 до 500 мкм молотый мрамор. Основными требованиями к мрамору молотому являются процентное содержание в помоле карбоната кальция (от 97 до 99%), белизна молотого мрамора на уровне 96-98% и фиксированная влажность не более 0.1, 0.2, 0.5%. На внешний вид мрамор молотый (или микрокальциту) это сухой порошок белого цвета с равномерной зернистостью и без запаха.
В целом микрокальцит используется для поучения белой бумаги с минимизацией производственных расходов, различных акриловых и масляных эмалей, грунтовок и стойких к УФ лучам солнца покрытий, затирочных, в том числе финишных смесей, кровельных покрытий и высокостойких резинотехнических изделий, герметиков, клеев и чистящих абразивных паст и даже косметики. Применяют микрокальцит также в производстве стеновых блоков из легких и ячеистых бетонов, керамической плитки, жестких пластиков, а также в медицине для приготовления медицинских препаратов на кальциевой основе, производства медицинской посуды и ампул для инъекций.
Допустим требуется получить микрокальцит со средним размером частиц 10 мкм. Если ориентироваться на размер частиц исходного материала, то использование вибрационной мельницы представляется целесообразным со следующими параметрами: диаметр шаров 20 мм и диаметр камеры 200 мм. С другой стороны, если ориентироваться на конечную крупность материала, то в силу того, что на уровне нескольких микрон материал начинает проявлять свои демпфирующие свойства, и высокочастотное воздействие на материал такого грансостава становится малоэффективным. При таких условиях для эффективного измельчения подойдёт либо струйная, либо планетарная мельницы. Если же материал измельчать только в вибрационной мельнице, то до определённой величины среднего диаметра частиц измельчение будет происходить эффективно, а затем с увеличением тонины помола мелющие тела вибромельницы в силу указанных причин постепенно будут терять способность измельчать материал, и эффективность измельчения будет уменьшаться. При этом удельная энергоёмкость процесса будет резко расти. Поэтому в данном случае процесс измельчения целесообразно разделить на два этапа: сначала материал измельчать в вибрационной мельнице диаметром 40 мм и шарами диаметром 40 мм, а затем в струйной мельнице. На рисунке 4.4 представлены кривые кинетики измельчения мраморной крошки при использовании одного цикла измельчения в вибрационной (сплошная линия) или струйной (штрих - пунктирная линия) мельницах и при последовательном измельчении материала сначала в вибрационной, а затем в струйной мельнице (пунктирная линия). Анализ рисунка свидетельствует о том, что при использовании только вибрационной мельницы процесс измельчения сначала протекает очень интенсивно, а затем постепенно замедляется и в итоге материал вообще не достигает требуемого гранулометрического состава. При измельчении материала в струйной мельнице процесс измельчения сначала протекает очень медленно, а затем быстро ускоряется, но за счёт медленной первой фазы время измельчения достаточно велико. Замедление процесса измельчения на начальной фазе связано с невозможностью струйной мельницы измельчать материал, содержащий частицы размером более 5 мм.
