Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические исследования процесса разрушения материалов ударом 10
1.1. Тепло- и массообмен в аппаратах интенсивного действия 11
1.2. Методы расчета процесса влагоудаления в устройствах интенсивного действия 15
1.3. Влияние напряженного состояния на процесс влагоудаления 19
1.4. Пути интенсификации массообменных процессов при измельчении материалов 25
1.5. Теоретические основы измельчения материалов в мельнице 35
1.6. Основные задачи исследования 38
1.7. Выводы по первой главе 40
ГЛАВА 2. Теоретические предпосыжи процесса обезвоживания хрупких материалов при ударе 42
2.1. Обезвоживание материалов при ударном нагружении 43
2.2. Обезвоживание материалов в процессе удара 50
2.2.1. Обезвоживание влажных частиц хрупких материалов при ударе о неподвижную поверхность 50
2.3. Взаимосвязь между деформацией и количеством удаленной влаги 57
2.3.1. Изменение скорости деформации при ударе 59
2.4. Гранулометрический состав разрушенных частиц материала 65
2.5. Выводы по второй главе 74
ГЛАВА 3. Исследования процесса обезвоживания материалов при измельчении 76
3.1. Исследование гидродинамических потоков в измельчителях 78
3.2. Исследования движения воздушного потока в измельчителе 86
3.3. Выводы по третьей главе 91
ГЛАВА 4. Исследование процесса измельчения в мельницах ударного действия 92
4.1. Исследование трехступенчатой мельницы ударно-отражательного действия 93
4.1.1 Описание трехступенчатой мельницы и методики проведения исследований 93
4.1.2. Разработка методики расчета количества ударных элементов и неподвижных планок 95
4.1.3. Гранулометрический состав продуктов измельчения в трехступенчатой мельнице 96
4.2. Исследование дезинтегратора 102
4.2.1. Гранулометрический состав влажного материала, измельченного в дезинтеграторе 103
4.3. Выводы по четвертой главе 107
Общие выводы 109
Библиографический список
- Влияние напряженного состояния на процесс влагоудаления
- Обезвоживание влажных частиц хрупких материалов при ударе о неподвижную поверхность
- Исследования движения воздушного потока в измельчителе
- Разработка методики расчета количества ударных элементов и неподвижных планок
Введение к работе
Техника и технология измельчения на протяжении своего развития остается объектом пристального изучения видных специалистов, как в нашей стране, так и за рубежом. Их труды направлены на дальнейшее совершенствование экспериментальных и теоретических результатов при создании инженерных методов расчета и конструкций машин комбинированного действия, в которых можно совместить такие энергоемкие процессы как измельчение - сушка, измельчение - смешение, измельчение - химическая реакция и ряд других показателей.
Получение материалов с узким гранулометрическим составом являет-ся труднодостижимой задачей, хотя без них невозможно существование новых нанотехнологий. Существующее оборудование чрезвычайно энергоемко, малоэффективно и не обеспечивает качество конечного продукта по многим показателям.
При измельчении влажных материалов возникает необходимость предварительной их сушки, что является энергоемким процессом.
Влажные материалы в процессе диспергирования комкуются, снижая эффективность дальнейшего измельчения. В этой связи возникает необходимость в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях с целью выявления влияния влажности исходного продукта на интенсивность процесса измельчения. Одним из наиболее перспективных направлений научного поиска является теоретическое и экспериментальное изучение влияния способа разрушения влажного материала на интенсивность процесса удаления свободной влаги.
Ранее отмечено, что ударный способ нагружения, с точки зрения вла-гоудаления, является более экономичным, чем разрушение, например, статическим сжатием. В ряде трудов отмечено, что удельная (отнесенная к единице массы материала) потребляемая энергия, необходимая для разрушения материала статическим сжатием в 5- 10 раз больше, чем та же энергия, расходуемая на разрушение кусков ударом.
Установлено, что повышение скорости нагружения приводит к росту этой разницы в 20 и более раз.
На отечественных предприятиях технологические процессы, связанные с измельчением влажных материалов, нуждаются в предварительной сушке. Создание машин интенсивного принципа действия, в которых можно совместить такие энергоемкие процессы как сушка и измельчение, является весьма актуальной задачей.
Данная работа является продолжением теоретических и экспериментальных исследований процесса обезвоживания горных пород при их измельчении, проводимых на кафедре «Производство строительных материалов» ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет».
Работа выполняется в соответствии с планом научных исследований НИР РАН «Теоретические основы химической технологии» (разделы 2.22.1, 2.22.8, постановлением Правительства РФ № 1414 от 23.11.1996 г.).
Цель работы. Исследование процесса разрушения влажных материалов ударом, разработка математической модели процесса на основе дробления одиночных частиц с определением распределительной функции осколков по размерам и эффективности влагоудаления с последующим использованием результатов для описания гранулометрического состава продуктов измельчения в машинах ударно-отражательного действия.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- теоретически и экспериментально установить механизм обезвоживания влажных материалов при ударе;
- теоретически обосновать возможность обезвоживания влажных материалов в процессе их разрушения ударом;
- экспериментально исследовать процесс влагоудаления при различных скоростях нагружения горных пород;
- на основе разрушения одиночных частиц разработать инженерную методику расчета процесса обезвоживания и дробления материалов в ударно-отражательной мельнице;
- экспериментально подтвердить возможность совмещения процессов диспергирования и обезвоживания в аппарате интенсивного принципа действия. Научная новизна работы;
- теоретически обоснована возможность обезвоживания влажных горных пород за счет ударного нагружения и установлено, что интенсивность влагоудаления зависит от физико-механических свойств и интенсивности приложенного импульса;
- получена математическая зависимость между скоростью ударного нагружения, гранулометрическим составом полученных после разрушения осколков и влажностью конечного продукта;
- разработана математическая модель процесса измельчения влажных материалов в измельчителях ударно-отражательного действия, базирующаяся на результатах разрушения одиночных частиц;
- установлена связь между изменением давления внутри измельчителя и интенсивностью удаления влаги из материала;
- предложена инженерная методика расчета гранулометрического состава продуктов измельчения на выходе из мельницы с учетом начальной влажности и дисперсионных характеристик исходного материала.
Практическая ценность
1. Получены экспериментальные результаты исследования процесса разрушения одиночных частиц влажных горных пород с различными физико-механическими свойствами.
2. Предложена инженерная методика расчета гранулометрического состава материалов при их диспергировании в мельницах ударного и ударно-отражательного действий. 3. Найдена взаимосвязь между конструктивными параметрами (количество ударных элементов, ступеней измельчителя) и дисперсионными характеристиками готового продукта.
4. Результаты работы внедрены в производство для измельчения влажных материалов с одновременным удалением влаги.
На защиту выносится:
1. Математическая модель обезвоживания природных материалов в процессе их измельчения в мельнице ударно-отражательного действия.
2. Теоретические и экспериментальные значения процесса разрушения одиночных частиц влажных материалов ударом.
3. Результаты экспериментальных исследований процесса обезвоживания
влажных материалов при их диспергировании в измельчителе ударно-отражательного действия.
4. Инженерная методика расчета процесса влагоудаления при измельчении материалов в измельчителе ударно-отражательного действия.
5. Результаты экспериментальных исследований по влиянию скорости измельчения на эффективность влагоудаления и дисперсионный состав готового продукта.
Реализация работы. Результаты теоретических и экспериментальных
исследований внедрены на предприятиях ЗАО «ИСМА» г. Иваново, ОАО «Ивстройкерамика» г. Иваново при дроблении влажной глины и известняка.
Апробация результатов работы.
Основные научные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований автором докладывались и обсуждались на Между 9 народной научной конференции «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» (ИГХТУ, 2004), Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» XII Бенардосовские чтения (ИГЭУ, 2005); научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых (ИГАСУ, Иваново, 2004, 2005, 2006), Международной научно-технической конференции «Информационная среда вуза» (ИГАСУ, 2005).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Общий объем работы 150 страниц печатного текста, содержит 27 рисунков, 8 таблиц. Библиографический список включает 126 работ отечественных и зарубежных авторов.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Производство строительных материалов» ГОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет».
Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность и благодарность к.т.н., доценту Ладаеву Н.М. за помощь при выполнении разделов диссертации.
Влияние напряженного состояния на процесс влагоудаления
Проблеме разрушения одиночных частиц твердых материалов посвящено достаточно много работ /44-45/. Разрушение представляют как некую пространственную структуру, подчиненную вероятностным закономерностям, где установлено, что любой материал характеризуется наличием системы пространственных макро- и микродефектов, стохастически распределенных в объеме и частично выходящих на поверхность тела. При деформации, возникающие вследствие теплового движения молекул механические напряженные дефекты, обладают высокой подвижностью, т.е. прочность материала, сопротивляемость его разрушению, снижается от 100 до 1000 раз по сравнению с идеальным бездефектным телом.
Деформация реального материала приводит к росту размеров и количества дефектов. При достижении этих дефектов определенной плотности в материале возникают трещины с размерами, превышающими критические, что приводит к его разрушению.
В зависимости от природы материала его разрушение может быть хрупким или пластическим /46-52/.
При пластической деформации материала, образовавшиеся под действием нормальных напряжений микротрещины, поворачиваются и, сливаясь, друг с другом, образуют, поверхность раздела, которая совпадает с плоскостью действия максимальных касательных напряжений. Это приводит, к так называемому, разрыхлению материала, и силы сцепления между его частицами снижаются до нуля.
Целью механики разрушения, в том числе и влажных тел, сводится к выявлению процесса деформации материалов различных форм, работающих под действием заданных нагрузок.
Напряженное и деформированное состояние в любой точке тела, опи сывается уравнением вида матрицы: (1.19) где ах,а ,GZ - главные нормальные напряжения; ех,гу,е2 - соответствующие деформации. Авторы считают, что прочность материала зависит от напряженного состояния, определяемого тензором напряжений, условия прочности выра жается равенством: F(a1,a2ta3) A (1.20) В трехмерном пространстве значения cltc2, 3 интегрируются поверхностью, ограничивающей область безопасных состояний.
В уравнении (1.20) величина А является критерием прочности, кото рый имеет физический смысл, и характеризует такие свойства материала, как максимальное нормальное и касательное напряжения при ударе, максимальную деформацию, энергию формоизменения и т.д.
Кроме напряженного состояния на прочность материала оказывает влияние его дефектность, влияние температуры, влажность, масштабный фактор и ряд других характеристик.
В теории прочности используются теории предельных состояний, при которых разрушение рассматривается как некий спонтанный акт, при этом не анализируются вопросы структуры материала. Гриффите ввел понятие /55/ поверхностной энергии (П), которая пропорциональна образованной поверхности. Он решал вопросы о распространении трещин с помощью уравнения энергетического баланса: AU + AII = AA, (1.21) где HU - разность упругих энергий; А/7 - поверхностная энергия; ЬЛ - дополнительная работа для перехода внешних сил из первого положения во второе. Теория Гриффитса в последствии была дополнена Ирвином и, она применяется в инженерных задачах для расчета на трещиностойкость материалов. К КС, (1.22) где Кс - постоянная влажности для данного материала так же, как модуль Юнга, коэффициент Пуассона, теплоемкость.
Однако теория Гриффитса - Ирвина неудовлетворительно работает, когда речь идет об ударном нагружении, когда процессы деформации и разрушения протекают очень быстро /56/. В работе /57/ предложен новый феноменологический критерий разрушения, согласно которому: j l j d max- J - \aj(r,t )drdt ac, (1.23) zl-rd о где CT - главное напряжение, Па; ac - прочность на разрыв бездефектного образца из исследуемого материала, Па; d - параметр длины образца; т - параметр времени. По мнению авторов, если в какой-то момент времени (/) равенство соблюдается, то имеет место разрушение материала. Авторами /57/ предложено вычислить значение d по формуле: d = 2K c/KK2c. (1.24) Для деформируемого материала параметр времени вычисляется по формуле: t = d/c, (1.25) где с - максимальная скорость распространения упругих волн в теле, м/с. Значение параметра времени (т) достаточно хорошо согласуется с экспериментальными исследованиями по разрушению лишь металлов /58-59/.
Обезвоживание влажных частиц хрупких материалов при ударе о неподвижную поверхность
Полученные выше уравнения не полностью раскрывают процесс обезвоживания частиц при ударе, так как не учитывают такие важные характеристики, как физические свойства разрушаемого материала, а также ту долю энергии, которая расходуется на удаление влаги.
В действительности обезвоживание может произойти под действием упругих деформаций, при которых материал сжимается без разрушения с последующим отскоком за счет сил инерции. Для получения количественных зависимостей влияния скорости удара на процесс влагоудаления при разрушении материалов возникает необходимость в экспериментальных исследованиях.
Для экспериментальных исследований процесса обезвоживания хрупких материалов ударом нами была изготовлена установка, представленная на рис. 2.3. Отсутствие массообмена между воздухом и частицей обеспечива лось работой установки в вакууме.
Разработанная установка позволяет разрушать частицы влажного материала любой формы от 15 мм до 0,1 мм при скорости нафужения 10-450 м/с. Начальное влагосодержание частиц достигалось искусственно путем их увлажнения в воде. Устройство (рис. 2.3) работает следующим образом.
Частицы материала с помощью питателя (на схеме не указан), через зафузочный патрубок 6 поступают в центр быстровращающегося ротора 3, установленного на вертикальном валу 2. На роторе частицы материала разго 52 няются с помощью лопаток 4 до определенной скорости, вылетают и ударяются об неподвижные плиты 5.
Вращением неподвижных плит 5 относительно их осей крепления можно изменить угол соударения частицы от прямого до косого. Скорость вылета влажной частицы с поверхности ротора 3 регулировалась изменением числа оборота вала 2. Величина угловой скорости вращения измерялась прибором ТСА. Для обработки экспериментальных результатов использовались: - для определения начальной и конечной влажности - весовой метод; - для определения гранулометрического состава, полученных после разрушения осколков - ситовой анализ на стандартных ситах.
Отсев частиц до размеров 40 мкм производился механическим способом с использованием машин, создающих комбинированное (вибрация, круговые колебания) воздействие /125/.
При проведении анализов гранулометрического состава, продукты разрушения предварительно подвергались сушке. В качестве исследуемых материалов использовали известняк, песок.
Исходный материал помещался в эксикатор и выдерживался до определенной влажности. Текущая начальная влажность (WH) определялась временем выдержки в воде. Затем навески узкого гранулометрического состава весом 50 г подвергались разрушению. Начальная и конечная влажность материала определялась путем взвешивания, выдержки в сушильном шкафу в течение 3,5-4 часов при температуре 60-70С. Разрушению подвергались моно фракции размерами 5,0- -3,15 мм, 3,15- 2,0 мм, 2,0-И,0 мм, 0,75 -0,63 мм. В экспериментальных исследованиях определялись начальная влажность частиц и конечная после разрушения. Влажность определяли из равенства: W=Gl Gl-l00, (2.23) G2 где Gj - вес навески до сушки, кг; G2 - вес навески после сушки, кг. Взвешивание проводилось на весах JW-1 с точностью 0,01 гр. Скорость удара частицы о неподвижную плиту определяли из равенства: Vyd=Vp-sina = ± R2-Rp2, (2.24) где Rp - радиус ротора, м; R - радиус установки неподвижных плит, м; п - число оборотов вращающегося ротора, об/мин.
Скорость нагружения играет большую роль на интенсивность удаления влаги из материала /108, 114/. С увеличением скорости количество удаленной влаги из материала возрастает. Характерным является и то, что процесс влагоудаления зависит также от исходного размера частиц, подвергаемым разрушению. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 2.4, где точками на кривых обозначены данные, полученные опытным путем, сплошной линией теоретические.
Исследования движения воздушного потока в измельчителе
При работе измельчителя материал с потоком воздуха через входной патрубок поступает на вращающийся ротор. Затем под действием центробежных сил частицы материала попадают на стенку корпуса. Далее дисперсный материал из мельницы удаляется через выгрузочное отверстие. Учитывая такой характер движения двухфазной среды (воздух + дисперсный материал) можно утверждать, что движение этой среды происходит вдоль стенки измельчителя. Наличие неподвижных планок, установленных на внутренней поверхности корпуса создает струйное течение потока. Экспериментально установлено, что основная струя образуется после удара о неподвижную планку, а ось струи и касательная стенки составляет 25. Перед неподвижными планками поток тормозится и попадает под удар набегающего ударного элемента. Наличие неподвижных отбойных планок создает предпосылки к двухразовому удару в каждом секторе. Поэтому максимальное количество ударов равно 11, а минимальное 1. Условия попадания потока на один из секторов носит вероятностный характер, который можно определить из уравнения: р(") = фт; (3.2) где Ge - количество, поступающего воздуха с ротора на сектор, кг; Y, G - общее количество, поступающего воздуха в аппарат, кг. В связи с этим появляется необходимость в определении расхода воздуха, который поступает в каждый сектор. Непосредственные замеры воздуха по каждому сектору оказались сложными. Однако, зная давление воздуха в каждом из секторов, можно рассчитать его общее количество из условия, что: YG = G]+G2 + G3 + G4+G5+G6. (3.3) Если перейти к определению количества ударов через их вероятности, то: Р1 + Р2 + Р3+РА+Р5+Р6=\. (3.4) Допускаем, что в каждом из секторов поступает одинаковое количество энергии, которая пропорционально произведению расхода воздуха на давление, т.е.: Э = GXHX = G2H2 = G3H3 = GAHA = G5H5 = G6H6. (3.5)
Основываясь на уравнение (3.5) было рассчитано значение вероятности попадания частиц измельченного материала в каждый сектор мельницы. Графическое изображение результатов работы представлено на рис. 3.9.
Из рисунка видно, что вероятность попадания частиц измельченного материала в сектор внутри камеры разрушения не зависит от скорости вращения ротора в достаточно широком интервале. Причем значения вероятности меняется скачкообразно. Сначала возрастает в первых секторах, затем снижается с последующим ростом. Характерным является тот факт, что форма изменения кривой вероятности разрушения не зависит от вида измельчаемого материала (рис. 3.9).
Было рассчитано среднее количество ударов частиц измельчаемого материала о стенку корпуса, а также эти значения при ударе частиц о неподвижные планки и ударные элементы, установленные на вращающемся
Расчетные значения вероятностей затем проверялись экспериментальными исследованиями на основании анализа гранулометрического состава продуктов измельчения. Максимальная погрешность результатов составляет 6%. Таким образом, вероятность попадания частиц измельченного материала в каждый из секторов мельницы составляет Р =—, где т - количество неподвижных контрударников, т установленных в корпусе измельчителя. Экспериментальные исследования показали, что увеличение числа ударных элементов и контрударников более чем 6 практически не оказывает влияния на гранулометрический состав конечного продукта. Аналогичные результаты получены другими авторами при исследовании влияния конструктивных особенностей ударно-отражательных мельниц на гранулометрический состав готового продукта 121.
Разработка методики расчета количества ударных элементов и неподвижных планок
Такое отличие объясняется тем, что, во-первых, в трехступенчатой мельнице количество ударов больше, а во-вторых, скорость механического нагружения возрастает ступенчато. Из рис. 4.4 также видно, что при одних и тех же скоростях вращения вала ротора эффективность измельчения в трехступенчатой мельнице ударно-отражательного действия выше. Гранулометрический состав более узок, т.е. полностью отсутствуют крупные осколки.
Обработка результатов экспериментальных исследований показала, что стандартное отклонение можно описать зависимостью: где п - среднее значение ударных нагружений частиц материала в процессе измельчения.
Уравнение (4.3) является универсальным для описания гранулометрического состава продуктов разрушения. Его можно использовать как при описании распределения одиночных частиц, так и коллектива. Зная зависимость стандартного отклонения от начального размера частиц и от скорости нагружения можно рассчитать гранулометрический состав продукта на выходе из мельницы.
Эффективность работы трехступенчатой мельницы выше, чем однороторной, т.к. на процесс выноса относительно крупных частиц не влияет увеличение расхода воздуха, когда угловая скорость вращения ротора возрастает. При малых расходах воздуха тонкость готового продукта на выходе из мельницы возрастает.
Это можно объяснить тем, что частицы измельчаемого материала определенного размера, выброшенные некоторой скоростью в пространство, где закреплены неподвижные отбойные планки, при встрече с воздушным потоком теряют свою скорость и их удар ослабляется. При больших скоростях перемещения очень малых частиц их скорость несколько раз падает вследствие турбулизации воздушного потока (ранее это экспериментально подтверждено при рассмотрении аэродинамики потока в однороторной мельнице ударного принципа действия).
Таким образом, можно констатировать, что находящийся в мельнице воздух оказывает сопротивление движению частиц, величина которого зависит от размера, формы и геометрии поверхности этих частиц.
Если производительность однороторной мельницы оказывает существенное влияние на гранулометрический состав готового продукта, то изменение производительности ступенчатой мельницы в интервале значений 50 - 350 кг/час практически не оказывает влияния на гранулометрический состав.
Теоретические и экспериментальные исследования позволяют полагать, что в силу ступенчатого профиля корпуса мельницы, частицы материала при движении вместе с воздухом несколько раз меняют направление вектора своего перемещения. Это позволяет повысить среднее время нахождения частиц в зоне интенсивного разрушения, что естественно повышает эффективность работы ступенчатой мельницы. За эффективность работы измельчителя принимается прирост удельной поверхности при диспергировании или изменение степени измельчения материалов. Дезинтеграторы - это широко известные измельчители, используемые промышленностью при среднем и мелком помоле различных материалов.
Традиционно дезинтегратор состоит из корпуса, внутри которого вращаются в противоположных направлениях два ротора с ударными элементами (круглыми или плоскими). На каждом роторе концентрично установлены ударные элементы. Ударные элементы одного ротора расположены между рядами другого ротора. Роторы закреплены на валах, которые расположены на одной геометрической оси, каждый с самостоятельным приводом.
Габаритные размеры лабораторной установки, на которой были проведены исследования, следующие: диаметр корпуса - 400 мм; диаметр роторов - 300 мм; ширина корпуса - 120 мм. Производительность лабораторной мельницы 350-450 кг/ч, а удельные затраты энергии 10-13 кВт-ч/тонну готовой продукции.
Измельчению подвергались разные материалы узкого гранулометрического состава. Гранулометрический состав готового продукта определяли ситовым анализом до размера 50 мкм и седиментацией - менее 50 мкм.
