Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ конструкций машин и методов их расчёта 15
1.1. Теоретическое обобщение работ в области тонкого измельчения.. 16
1.2. Разрушение одиночных частиц горных пород при ударе 22
1.3. Анализ конструкций машин ударного действия 28
1.4. Основные задачи исследования 34
1.5. Выводы по первой главе 35
ГЛАВА 2. Разрушение одиночных кусков материала при ударе 37
2.1. Описание экспериментальной установки и методики исследования 37
2.2. Исследование процесса разрушения сухих горных пород ударом
2.2.1. Разрушение одиночных частиц горных пород ударом 43
2.2.2. Гранулометрический состав продуктов разрушения ударом
2.3. Исследование процесса разрушения влажных материалов 63
2.4. Напряжённое состояние горных пород при ударе 69
2.5. Выводы по второй главе 76
ГЛАВА 3. Исследование гидродинамики движения потоков в измельчителе ударного действия
3.1. Определение расхода воздуха в одноступенчатой мельнице ударного действия 78
3.2. Исследование гидродинамики движения воздушного потока в однороторной мельнице ударного принципа действия 86
3.3. Исследования измельчителя ударного действия 94
3.4. Исследование процесса измельчения влажных материалов в одноступенчатой мельнице ударного действия 101
3.5. Механохимические процессы при измельчении влажных материалов 104
3.6. Выводы по третьей главе 111
ГЛАВА 4. Разработка и исследование мельниц ударного действия 113
4.1. Описание конструкции ступенчатых мельниц ударного действия. 114
4.2. Исследование многоступенчатой мельницы ударного действия 118
4.3. Исследование процесса измельчения влажных материалов в трёхступенчатой мельнице 127
4.4. Износ ударных элементов 130
4.5. Выводы по четвёртой главе 136
Заключение 137
Библиографический список
- Анализ конструкций машин ударного действия
- Разрушение одиночных частиц горных пород ударом
- Исследование гидродинамики движения воздушного потока в однороторной мельнице ударного принципа действия
- Исследование многоступенчатой мельницы ударного действия
Введение к работе
Актуальность работы:
Техника и технология измельчения сухих и влажных материалов на протяжении своего развития была и остаётся объектом пристального внимания многих специалистов и учёных. Их теоретические и прикладные работы направлены по пути дальнейшего совершенствования измельчителей, позволяющих получать высокодисперсные порошки нужного гранулометрического состава. Чаще всего, когда выбирается технологическая линия производства дисперсных строительных материалов и вяжущих веществ, тип помольной машины определяется с учётом достигаемой тонкости порошка. При измельчении влажных материалов влияние свободной капиллярной влаги на процесс получения тонкодисперсных порошков практически не учитывается.
Результаты, полученные при разрушении одиночных частиц горных пород, позволяют определить вероятностную и распределительную функции процесса. Однако, во многих случаях при описании этих функций, не учитывается наличие в материале влаги, а также её влияние на процесс разрушения и гранулометрический состав полученных осколков. Вопросы влияния влаги на процесс разрушения влажных материалов мало изучены и нуждаются в дальнейших исследованиях.
Поэтому исследования в области разработки теории и экспериментальных данных по разрушению, как одиночных частиц, так и коллектива, содержащих в своём составе свободную воду, являются весьма актуальными.
Цель работы:
Исследование процесса ударного дробления одиночных частиц сухих и влажных горных пород различной крупности, получение математических зависимостей для расчёта вероятности разрушения, распределительной функции полученных осколков, а также в изучении гидродинамики движения воздушного потока в одноступенчатой и многоступенчатых мельницах ударного и ударно-отражательного действия.
Основными задачами исследования являются:
проведение экспериментальных исследований процесса измельчения сухих и влажных материалов с целью получения конечного продукта нужного гранулометрического состава и конечной влажности;
теоретические и экспериментальные исследования процесса разрушения одиночных частиц сухих и влажных горных пород, определение вероятностной и распределительной функций продуктов при ударе;
теоретическое обоснование выбора основных конструктивных параметров измельчителя на основе исследования процесса разрушения одиночных частиц горных пород с различными физическими характеристиками и количеством свободной влаги;
экспериментальные исследования движения диспергируемого материала внутри измельчителя ударно-отражательного действия с определением степени износа рабочих элементов, их надёжности и долговечности;
разработка новых мельниц комбинированного действия для измельчения сухих и влажных материалов.
Научная новизна:
На основании изучения закономерностей разрушения одиночных частиц горных пород была установлена скорость начала разрушения, как сухих, так и влажных материалов.
Предложена математическая модель вероятности разрушения частиц с учётом скорости нагружения и скорости начала разрушения.
Изучено влияние и получены зависимости для определения гранулометрических характеристик сухих и влажных материалов от скорости нагружения и скорости начала разрушения.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Разработаны принципиально новые конструкции измельчителей комбинированного действия с учётом физико-механических свойств материала и характеристик мельниц, которые внедрены на предприятиях г. Иваново.
Апробация результатов работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и вузовских научно-технических конференциях: XIV, XV международная научно-техническая конференция «Информационная среда вуза» (Иваново 2007, 2008), международная конференция «Энергосберегающие технологии и оборудование экологической безопасности производства» (ИГЭУ, Иваново 2006).
Диссертационная работа выполнена в Ивановском государственном архитектурно-строительном университете в соответствии с координационным планом НИР РАН. «Теоретические основы химической технологии» - разделы /2.27.1..2, 2.27.10/., постановлением правительства РФ № 1414 от 23.11.1996 г., а также планом госбюджетных и договорных НИР ИГАСУ (1998 – 2008 гг.).
Публикации:
По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых ВАК – 1.
Структура и объём диссертации:
Диссертационная работа общим объёмом 162 страницы, состоит из введения, 4 глав, выводов и приложений, включает 52 рисунка, 4 таблицы. Список используемых источников содержит 164 наименования.
Анализ конструкций машин ударного действия
Энергозатраты при разрушении горных пород содержащих капиллярную воду в 1.5-ь2 раза ниже, чем при дроблении сухих материалов.
На основании полученных экспериментальных результатов предложена концепция создания принципиально новой конструкции измельчителя ударного принципа действия.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям по определению влияния влажности на эффективность их разрушения при однократном ударе. Представлены сравнительные данные о результатах разрушения влажных и сухих частиц горных пород, отличающихся физико-механическими свойствами (известняк, базальт, кварц и другие).
Разработана математическая модель процесса разрушения одиночных частиц, в капиллярах которых находится вода. В зависимости от расположения капилляра в объёме частицы с неподвижной плитой, напряжение, возникающее в порах, будет различно. Поставлена и решена задача о влиянии» формы,и расположении капилляра в отдельно взятой частице на гранулометрический состав полученных после разрушения осколков. Установлено, что наличие влаги в порах хрупкого тела способствует увеличению его напряжённого состояния. На такую частицу при ударе действует дополнительное напряжение растяжения, вызванное гидравлическим сжатием воды. При ударе материала, в капиллярах которого находится вода, о неподвижную поверхность ударные и гидравлические составляющие напряжения суммируются. Это явление приводит к разрушению частицы с образованием большого количества мелких осколков, чем при разрушении относительно сухих материалов. Теоретические предположения были подтверждены экспериментально.
Четвёртая глава посвящена разработке и исследованию принципиально новых конструкций измельчителей комбинированного действия, предназначенных для тонкого измельчения влажных материалов. Приведено описание конструкции предложенной мельницы, а также представлены результаты экспериментальных исследований. Определены конструктивные и режимные параметры измельчителя в соответствии с достигаемой тонкостью помола.
При выборе конструкции измельчителя необходимо учитывать кроме дисперсности готовой продукции такие характеристики, как степень загрязнения материала продуктами намола, возможность его окисления при контакте с воздухом, термочувствительность, реакционную способность и ряд других факторов. Однако непременным условием экономической целесообразности применения того или иного диспергатора должна быть простота конструкций, надёжность и долговечность работы основных деталей и узлов машины. Такое многообразие требований, предъявленных промышленностью строительных материалов к измельчителям, привело к созданию различных по конструкциям машин. Число их типов, отличающихся по принципу работы, способу подвода энергии (раздавливание, истирание, удар или их комбинации) и производительности очень велико.
В связи с этим появляется необходимость некоторой систематизации, которая позволяла правильно выбирать тип измельчителя в каждом конкретном случае. Варианты систематизации измельчителей приведены в монографиях П.М. Сиденко /16/, В.В. Маргулиса /17/, П.И. Дешко /18/, В.И. Акумова /19/, Р. Гийо /20/ и других авторов /20-28/.
В литературе самым общим является деление мельниц по способу разрушения в них горных пород. В некоторых из них, например, центробежно-ударных, шаровых, дезинтеграторах и других мельницах, материал разрушается при непосредственном взаимодействии с мелющими органами. В дис пергаторах другого класса материал измельчается при воздействии на него окружающей среды (жидкости, газа). К ним относятся газоструйные, кавита-ционные, магнитно-вихревые, гидравлические и другие диспергаторы. Поэтому для каждого конкретного случая предложено своё собственное название мельницы, вытекающее от способа генерации измельчающих полей.
Разрушение одиночных частиц горных пород ударом
В этой связи, применительно к хрупким материалам обычно используют теорию механики максимальных напряжений, которая гласит, что разрушение материала произойдёт лишь в том случае, когда максимальные растягивающие напряжения достигнут некоторого критического значения. Тогда вероятность дробления не будет, зависеть от двух других главных напряжений.
Аналогичный процесс имеет место при разрушении коллектива частиц в мельницах разных конструкций. Разрушение материалов в различных мельницах происходит обычно за счёт раздавливания, истирания, удара и раскалывания. Часто все эти виды нагружения происходят одновременно в одном аппарате. Ударное воздействие на частицы диспергируемого материала в аппаратах можно классифицировать как «свободное» или «стеснённое». Свободный удар предполагает, что дробимый материал ударяется с некоторой скоростью о неподвижную поверхность или двигаясь внутри аппарата, подвергается воздействию ударных элементов, вращающихся с определённой скоростью (мельницы ударного принципа действия).
При стеснённом ударе частицы материала находятся в неподвижном состоянии или перемещаются с малой скоростью по поверхности, которая разрушается под действием падающего тела (шаровая мельница).
Здесь и далее исследуется процесс разрушения одиночных частиц «свободным» ударом. Эти исследования необходимы для выбора оптимальной конструкции измельчителя и экономического обоснования режима его работы.
Одним из важнейших параметров для расчёта машин ударного действия является вероятность разрушения. Для измельчителей, в которых реализуется удар, вероятность разрушения зависит от скорости вращения ротора. Под вероятностью разрушения принято понимать долю частиц, которые в результате дробления стали меньше исходной монофракции. Разрушению подвергались монофракции следующих материалов: кварц, базальт, известняк, клинкер, мел и другие. Начальные размеры исходных материалов варьировались в диапазоне 10-0.1 мм. Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 2.2 - 2.5.
Из представленных графиков (рис. 2.2 - 2.5) видно, что вероятность разрушения зависит от скорости нагружения, механических свойств исследуемого материала и его начального размера. В начале подводимая кинетическая энергия расходуется на деформацию частицы, а после достижения некого критического значения начинается её разрушение. Причём до вероятности равной 0.9 идёт значительный прирост удельной поверхности при увеличении скорости. После значения 0.9 с увеличением скорости изменение вероятности разрушения происходит незначительно. Такое изменение значения вероятности разрушения вызвано тем, что только часть подводимой энергии расходуется на дробление, а другая - накапливается внутри осколков в виде потенциальной энергии деформации (деформация, искажение первоначальной кристаллической решётки, повышение температуры и т.д.). В работах, посвященных проблеме измельчения обычно используют безразмерный комплекс VH/VKp(yKp = V50), как отношение начальной скорости нагружения к скорости 50% вероятности разрушения. Обрабатывая экспериментальные результаты зависимости вероятности разрушения от безразмерного комплекса V„/V (рис. 2.6 - 2.9) было установлено, что для данного вида материала точки располагаются на одной кривой. Это свидетельствует о том, что вероятность разрушения в явном виде не зависит, от начального размера (dlt) частиц материла. Кривые, представленные на этих рисунках, описыва ются одной зависимостью вида
Исследование гидродинамики движения воздушного потока в однороторной мельнице ударного принципа действия
Уравнение (2.17) удовлетворительно описывает функцию распределения частиц по размерам при разрушении многих материалов (рис. 2.18 — 2.20).
При разрушении одиночных частиц (d,) меняется от dmm до dmax практически непрерывно. На практике для описания процесса изменения (d,) применяются распределительные функции типа R(d) или D(d), равные отношению массы частиц, размер которых соответственно меньше или больше некого (d) отнесённого к их массе.
Как уже было отмечено, /121/ в зависимости от предыстории образования исходного материала, характер распределения дефектов структуры, определяющих прочность его частиц, может быть описано законом Вейбула. Многие горные породы, подвергаемые дроблению, содержат влагу. Роль влаги на эффективность разрушения материалов практически не исследована. Большой практический интерес представляет определение взаимосвязи между влажностью материала и его способностью к разрушению под действием ударных нагрузок.
Исследование процесса разрушения влажных горных пород проводились на той же установке (рис. 2.1), работа которой подробно описана выше. В качестве образцов брались те же материалы (известняк, базальт, кварц, мел и т.д.) с влажностью в интервале 0 - 10%, с размером от 5 до 0.63 мм.
Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 2.22, 2.23. Разрушались частицы известняка с влажностью {WH =5.4%) и начальным размером du = 2 -10мм и dH - 0.75-Ї-0.63 мм. После разрушения определяли вероятность дробления влажных материалов (рис. 2.22).
Было установлено, что вероятность разрушения влажного известняка при одинаковой скорости нагружения выше, чем у сухого. Это свидетельствует о том, что скорость начала разрушения влажного материала меньше, чем когда материал не содержит воду. На наш взгляд такое различие объясняется тем, что при ударе влажной частицы о неподвижную поверхность находящаяся вода в его микропорах повышает эффективность процесса разрушения.
Причём, этот эффект зависит от двух факторов: во-первых, при ударе влажного материала о неподвижную поверхность происходит его деформация сжатия, приводящая к появлению высоких гидравлических давлений. Находящаяся в капиллярах вода способствует появлению эффекта Ребинде-ра, т.е. жидкость выполняет роль клина расширяя и увеличивая размер дефекта структуры. Во-вторых, при деформации и разрушении хрупких материалов в местах разрыва сплошности выделяются высокие температуры (более 1000 К). Такая высокая температура может привести к локальному парообразованию воды, что также может привести к повышению эффективности разрушения.
При переходе воды из жидкого состояния в парообразное в капиллярах материала могут возникнуть высокие давления, приводящие к разрушению относительно мелких осколков. В совокупности эти дополнительные эффекты могут привести к разрушению более мелких осколков. Возникновение высоких локальных температур обусловлено и тем, что в течение короткого промежутка времени (10 -10 с), вся подводимая кине тическая энергия затрачивается на пластическую деформацию, которая практически также превращается в тепло. Наличие в порах частицы влаги приводит к тому, что высокие температуры и давления приводят к взрывообразно-му разрушению хрупкого материала. Кроме этого происходит изменение скорости распределения продольной волны, вследствие наличия влаги.
На рис. 2.23 приведены кривые зависимости вероятности разрушения, например, известняка в зависимости от скорости нагружения. Вероятность разрушения влажных материалов наряду со скоростью зависит также от размера частиц. Это не противоречит нашим представлениям, т.к. в более крупных частицах находится больше воды, чем в мелких.
Исследование многоступенчатой мельницы ударного действия
Изменение химической активности тонко измельчённых порошков оп ределяется нарушением кристаллической решётки. При измельчении це ментного клинкера, значительно увеличивается химическая активность таких минералов, как А120з, Sc02 по отношению к воде. В результате активации цемента в установке интенсивного принципа действияфазница в прочности бетона достигает 50% по сравнению с неактивированным. На основании экспериментальных исследований можно выдвинуть гипотезу о повышении прочности бетона, связанную с конструктивными особенностями измельчителя /150/. Установлена также взаимосвязь между скоростью и количеством ударов с активностью полученных порошков. Таким образом, чем больше скорость и число ударов, получаемых частицами материала, тем больше активность порошка. Степень активации у порошков, полученных в машинах ударного принципа действия в 1.5 раза выше, чем, например, у порошков, полученных в шаровой мельнице /151/. Это можно объяснить тем, что при ударном способе разрушения, величина аккумулируемой дисперсной частицей, энергия значительно выше, чем при статическом сжатии. При диспергировании материалов в шаровой мельнице измельчения, в основном, протекает под действием сжимающих и истирающих усилий шаров на частицы. Хотя имеется мнение о том, что в шаровой мельнице измельчение происходит под действием удара падающих с определённой высоты шаров.
Из семейства шаровых мельниц для механической .активации порошков наибольшее преимущество можно отдать вибрационным. Установлено, что вибродиспергирование, например, углей сопровождается эмиссией электронов высокой энергии /152/. Величина этой энергии зависит от структуры кри-сталлической решётки самого материала. Было также замечено, что в ПрО дуктах измельчения» наблюдаются некие изменения, которые свидетельствуют о протекании процессов механодиструкции;. Это явление впрямую связано с реакцией преобразования; углерод-кислородных ш углерод-углеродных связей, а также переалкилирования конденсированных; ароматических ядер. Изменением кристаллической структуры углерода объясняется переход последнего; в алмаз, который имеет место лишь при высоких температурах и давлениях/153/.
При измельчении цементного клинкера также как и. известняка; (рис. 3.16.) удельная поверхность.сначала возрастает,.а.затем смещается в сторону меньших значений. Однако с уменьшением-удельной поверхности возрастает скорость гидратации полученного порошка. Учитывая; что;, за- основную ха рактеристику активности цемента принимают скорость гидратации- опреде ляемое количеством химически связанной, воды за некий промежуток време ни, то по этому показателю; можно судить о состоянии порошка в целом. Ув лажнённый клинкер после диспергирования не имеет ярко выраженного-по казателя активности:
При сухом диспергировании цементного клинкера происходят структурные и; механохимические изменения полученного; порошка.., Наибольшую механическую активность приобретает J3- C2S с образованием дефектной. пористости,,.что влечёт за собой изменение кристаллической? структуры. Такие выводы сделаны с помощью рентгеновского дифрактомера.
Частицы клинкера, размеры которых; ниже некоторого критического, при; диспергировании не уменьшаются, а многократно нагружаются; набе гающими билами, накапливая при этом энергию. Активность этих частиц на этом этапе так велика, что агломерация, означающая дезактивацию порошка, резко возрастает. Агрегирование наиболее мелких частиц в крупные не оказывает влияние на гидротационную способность измельчённого цементного клинкера. Было также замечено, что увеличивается теплота гидротации по сравнению с порошком, полученным из клинкера содержащего капиллярную воду/154/.
При измельчении этих же материалов в многоступенчатых мельницах ударного принципа действия, эффект механической активации полученных порошков значительно выше. Как уже было отмечено, влияние конструктивных и режимных параметров на механическую активность готовых порошков достаточно велико. Поэтому при выборе той или иной мельницы необходимо учитывать все эти факторы.
