Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния техники и технологии тонкого измельчения цементного клинкера и добавок ... 11
1.1. Современное состояние и перспективы развития оборудования для тонкого измельчения материалов 11
1.2. Основные направления развития трубных шаровых мельниц 21
1.3. Пути интенсификации процесса измельчения в трубных шаровых мельницах замкнутого цикла 27
1.4. Характеристики гранулометрического состава 33
1.5. Цель изадачи исследований 35
1.6. Выводы 36
Глава 2. Основы теории расчета трубных шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения 38
2.1. Методика расчета производительности трубных шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения 38
2.1.1. Математическая модель разрушения частицы цементного клинкера при однократном нагружении мелющим телом 39
2.1.2. Математическое описание процесса измельчения материала в трубных шаровых мельницах 43
2.1.3. Определение производительности трубной шаровой мельницы замкнутого цикла измельчения 57
2.1.4. Анализ результатов расчета производительности трубных шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения 59
2.2. Кинетика процесса измельчения цементного клинкера в трубных- шаровых мельницах замкнутого цикла 68
2.2.1. Матричная модель процесса измельчения цементного клинкера в трубных шаровых мельницах 68
2.2.2. Модель непрерывного преобразования гранулометрического состава цементного клинкера в трубной шаровой мельнице замкнутого цикла измельчения 73
2.2.3. Исследование влияния процесса аспирации трубных шаровых мельниц замкнутого цикла на фракционный состав продуктов измельчения 78
2.3. Выводы 100
Глава 3. Методики лабораторных проведения исследований. характеристика экспериментальных установок 102
3.1. План экспериментальных исследований 102
3.2. Определение количества повторных опытов 104
3.3. Проверка гипотезы о воспроизводимости опытов 107
3.3.1. Расчет коэффициентов уравнений регрессии 107
3.3.2. Проверка адекватности уравнения регрессии 107
3.3.3. Переход от кодированных переменных к физическим переменным 108
3.3.4. Методики проведения исследований 108
3.4. Стендовая установка шаровой мельницы 109
3.4.1. Модель шаровой мельницы размером 0,42x1,35 м ПО
3.4.2. Модель установки помольного агрегата замкнутого цикла 112
3.5. Выводы 115
Глава 4. Исследование влияния конструктивно-технологических параметров работы шаровых мельниц замкнутого цикла на эффективность процесса измельчения 116
4.1. Поисковые исследования кинетики процесса измельчения в шаровой мельнице замкнутого цикла 116
4.2. Исследование энергетических параметров работы шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения 125
4.3. Производительность шаровых мельниц замкнутого цикла 140
4.4. Исследование параметров уравнения кинетики процесса измельчения в шаровых мельницах замкнутого цикла 144
4.5. Выводы 153
Глава 5. Практическое внедрение результатов работы 155
5.1. Выводы 164
Основные результаты и выводы 165
Список использованных источников 168
Приложения 181
- Основные направления развития трубных шаровых мельниц
- Математическая модель разрушения частицы цементного клинкера при однократном нагружении мелющим телом
- Определение количества повторных опытов
- Исследование энергетических параметров работы шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения
Введение к работе
Измельчение различных видов материалов является основной технологической операцией при производстве в различных отраслях промышленности: производстве строительных материалов,- энергетической, горнорудной, -пищевой, .фармацевтической и других. При значительных объемах измельчения продукта тонкого класса во многих отраслях, базовыми помольными агрегатами являются трубные трубные шаровые мельницы, получившие такое широкое применение вследствие простоты конструкции и обслуживания, в том числе и в технологии производства цемента.
До середины 2008 года в Российской Федерации происходил подъем строительной индустрии, что требовало постоянного увеличения объемов производства строительных материалов и особенно цемента. К началу 2009 г. для обеспечения внутреннего рынка страны по планам правительства РФ годовой выпуск портландцемента было необходимо увеличить приблизительно до 100 млн. тонн в год. Однако резко возросшие цены в начале 2008 года на цемент у российских производителей заставили правительство РФ повысить квоту на импорт до 9 млн. тонн, что, безусловно, отрицательно повлияло на конкурентоспособность российских производителей цемента и вызвало проблемы в отрасли.
Кроме прочего, проблема отрасли усугубляется тем то, что за годы проведения реформ в России прекратили работу практически все отраслевые научно-исследовательские, технологические и проектные институты, почти утрачено отраслевое машиностроение. Эксперты сходятся во мнении, что кроме необходимости крупных инвестиций в отрасль, частичное улучшение ситуации возможно за счет модернизации существующего парка машин, повышения эффективности его использования с использованием научно обоснованных и эффективных мероприятий.
Ежегодное производство цемента в мире составляет более 2,5 млрд. тонн. Удельный расход энергии при производстве цемента составляет 100-
115 кВтч/т, при этом около 30 % затрачивается на помол сырья, 40 % - на помол клинкера. При обжиге твердым топливом - 5 % на помол угля. Таким образом, в целом на помол затрачивается 70-75 % всей электроэнергии, расходуемой на производство цемента.
Одной из основных технологических операций, определяющих строительно-технологические свойства цемента, является помол. В России он преимущественно осуществляется (кроме двух вновь построенных заводов по сухому способу) с помощью трубных шаровых мельниц.
Одним из факторов, сдерживающих их широкое распространение, явля-ется очень низкий к.п.д. мельниц, по различным источникам [4, 10, 11, 30, 70] колеблющийся в пределах 0,1-5 %. Поэтому, исследователи вместе с созданием новых видов помольного оборудования уделяют повышенное внимание вопросам повышения эффективности работы шаровых мельниц, как наиболее применяемым в различных отраслях народного хозяйства.
История исследований процесса измельчения и в России и за рубежом состоит из постоянного поиска возможности совершенствования теории, методов и конструкции измельчителей. Так и основные помольные агрегаты для помола цементного клинкера и добавок, трубные шаровые мельницы, теперь конструктивно далеки от первоначального варианта. Тем не менее, несмотря на свой более чем 100-летний период развития, они не достигли своего предельного совершенства, о чем говорит их низкий к.п.д. Все это означает, что совершенствование конструкции мельниц и выбор рациональных схем их работы является весьма актуальной задачей и в настоящее время.
Одним из наиболее перспективных направлений повышения эффективности работы шаровых мельниц открытого цикла измельчения является их перевод в замкнутый цикл измельчения. Мировой опыт эксплуатации данной технологии измельчения показывает, что кроме повышения качества конечного продукта наблюдается повышение производительности установок на 8 - 25 % [30] в зависимости от применяемой схемы измельчения и качества конечного продукта. Производительность традиционных шаровых мель-
ниц замкнутого цикла регламентируется их пропускной способностью, что существенно снижает их к.п.д.
Переход на рыночные отношения управления экономикой требует от предприятий более эффективного использования существующего помольного парка, повышения его производительности и, соответственно, снижения его количества. Таким образом, в настоящее время существует проблема создания новых, либо совершенствования существующих помольных агрегатов, работающих в замкнутом цикле измельчения, обладающих максимально высокой производительностью. Эта проблема весьма актуальна, а решение ее возможно, в некоторой степени, за счет организации рациональных технологических режимов работы трубных шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения на основе математических моделей, адекватно описывающих протекающие процессы и позволяющих оперативно их изменять в режиме текущего времени.
Цель работы. Исследование, определение и разработка методик расчета конструктивно-технологических параметров трубных шаровых мельниц замкнутого цикла, обеспечивающих повышение производительности и снижение удельного расхода электроэнергии в промышленных условиях.
Задачи исследований.
Выполнить анализ состояния современного уровня технологии и оборудования для измельчения цементного клинкера и добавок в трубных шаровых мельницах замкнутого цикла.
Разработать математическую модель разрушения цементного клинкера в трубных шаровых мельницах на основе теории Герца.
На основе предложенной математической модели разработать методику расчета производительности трубных шаровых мельниц замкнутого цикла.
4. Разработать матричную модель процесса измельчения цементного
клинкера в трубных шаровых мельницах замкнутого цикла.
На основе матричной модели предложить аналитические соотношения позволяющие определять параметры протекания технологического процесса в трубных шаровых мельницах замкнутого цикла измельчения.
Разработать и создать лабораторную экспериментальную установку, адекватно моделирующую технологические процессы, протекающие в промышленных трубных шаровых мельницах замкнутого цикла.
Исследовать многофакторное воздействие параметров работы трубной шаровой мельницы замкнутого цикла на ее выходные характеристики.
Осуществить внедрение полученных результатов в трубных шаровых мельницах замкнутого цикла в промышленных условиях.
Научная новизна работы заключается в разработке аналитических выражений, описывающих процесс разрушения частицы цементного клинкера при однократном нагружении мелющим телом и методики расчета производительности трубных шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения; в предложенной матричной модели процесса измельчения цементного клинкера в трубной шаровой мельнице; в модели, описывающей непрерывный процесс преобразования гранулометрического состава цементного клинкера; в аналитических выражениях для определения влияния аспирации трубных шаровых мельниц замкнутого цикла на фракционный состав получаемого продукта; в полученных уравнениях регрессии, позволяющих выявить рациональные режимы работы помольного агрегата применительно к промышленным условиям.
Практическая значимость работы. Разработана инженерная методика расчета конструктивно-технологических параметров работы трубных шаровых мельниц замкнутого цикла. Предложена математическая модель кинетики процесса измельчения цементного клинкера в трубных шаровых мельницах замкнутого цикла, по результатам которой возможна оптимизация работы всего помольного агрегата.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы внедрены на трубной шаровой мельнице замкнутого цикла работающей совместно с сепаратором SD - 70 в ОАО "Белгородский цемент".
Апробация работы. Основные положения диссертации и практические результаты докладывались на международных конференциях «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндуст-рии», «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии (XVIII научные чтения)», «Образование, наука, производство» г. Белгород, БГТУ им. В.Г.Шухова, 2005, 2007, 2008 гг. Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Механическое оборудование предприятий промышленности строительных материалов» 28 ноября 2008 года.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 в изданиях аннотированных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы (155 наименований) и приложений, которые включают акты внедрения и промышленных испытаний. Общий объем диссертации 180 страниц, содержащих 40 рисунков и 4 таблицы.
Автор защищает следующие основные положения:
1. Математическую модель разрушения цементного клинкера в трубных ша
ровых мельницах на основе теории Герца.
Методику расчета производительности трубных шаровых мельниц замкнутого цикла, разработанную на основе предложенной математической модели.
Матричную модель процесса измельчения цементного клинкера в трубных
шаровых мельницах замкнутого цикла.
4. Аналитические соотношения позволяющие определять параметры проте
кания технологического процесса в трубных шаровых мельницах замкну
того цикла измельчения.
Результаты экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и промышленных условиях на трубных шаровых мельницах замкнутого цикла измельчения.
Математические модели в виде уравнений регрессии, позволяющие выявить рациональные конструктивно-технологические параметры трубных шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения.
Основные направления развития трубных шаровых мельниц
Как показывает анализ имеющихся в литературных источниках данных по измельчения цемента показывает, что одним из основных направлений развития, до недавних пор, являлось увеличение мощности вновь вводимых в эксплуатацию мельниц [6, 30, 41-42, 72, 101, 108, 111]. Утверждается что, увеличение размеров трубных шаровых мельниц обеспечивает снижение капитальных затрат на 25 - 30 % при увеличении расходов на эксплуатацию до 20 %, обеспечивает повышение коэффициента полезного действия и рост удельной производительности, уменьшает износ бронефутеровки и мелющих тел, упрощает конструкцию транспортирующих устройств и сокращает обслуживающий персонал [30,41-42,111].
До недавнего времени основным помольным агрегатом в России была мельница диаметром 3,2x15 м, и незначительное количество мельниц размером 4x13,5 м, которые и являются в настоящее время самым крупным помольным агрегатом в производстве цемента на территории СНГ.
Тенденция дальнейшего увеличения размеров помольных агрегатов сопряжена с известными трудностями. К основным недостаткам крупногабаритных шаровых мельниц авторы относят [1, 30, 41, 103]: усложнение конструкции узлов помольных агрегатов; увеличение доли дорогостоящих материалов; усложнение транспортировки узлов мельницы к месту ее экплуатации; ухудшение условий работы (шум, вибрация и т. д); повышенные требования к точности изготовления, монтажу узлов и деталей, необходимость применения сложной пусковой аппаратуры; возможность возникновения при остановках скачков нагрузок в электрической цепи, которые могут привести к выходу из строя дорогостоящей электроаппаратуры;.
По этим причинам разработка в СССР крупнейшей мельницы размером 5x16,5 м производительностью по цементу до 200 т/ч прекратилась на стадии рекламы. На цементных заводах к базовым помольным агрегатам следует отнести мельницы 3,2x15 м и 4x13,5 м. Различные источники [42, 111] утверждают, что оптимальные размеры мельниц лежат в пределах: диаметр от 3 до 4 м при длине не более 16,5 м. Таким образом, дальнейшее увеличение геометрических размеров мельниц является экономически не целесообразным.
Однако, фирмой KHD Humboldt Wedag AG (Германия) разработаны и предъявляются к продаже мельницы размером до 6,0 м и длиной до 16, 5 м с потребляемой приводом мощности до 10000 кВт [134].
Поиск более оптимальных конструкций шаровых мельниц привел к созданию многотрубных мельниц [42], которые, в отличие от планетарных, не имеют собственного вращения относительно корпуса мельницы. Это, в отличие, от планетарных мельниц, упрощает их конструкцию. В многотрубных мельницах исключается обратная просыпка материала через решетку. Прохождение материала через несколько барабанов равноценно использованию нескольких помольных камер в обычных мельницах. Имеется информация об эксплуатации такой мельницы, которая в сравнении с семью трубными мельницами, используемых при помоле фосфоконцентрата, дает экономию электроэнергии 51 % с одновременным увеличением тонкости помола и снижением температуры продукта со ПО до 40-50 С0. При этом производительность возросла вдвое при сохранении уровня потребляемой мощности [42]. Сложности при создании, монтаже и эксплуатации многотрубных мельниц, послужили причиной, из-за которой широкого распространения данные агрегаты не получили. Работа фирмы Polysius (Германия) в этом направлении закончилась созданием шаровой мельницы "Doppelrotator" представляющей собой сушильно-помольную установку с камерой подсушки и двусторонней подачей сырьевого материала, крупки, а также горячих газов; материал и газы удаляются в центре через выходные решетки. Отличие этой мельницы от традиционной в том, что вместе с потоком горячих газов влажный материал через цапфу мельницы попадает вначале в камеру подсушки, где подъемные лопасти способствуют более полному контакту материала с горячими газами. Из камеры подсушки материал через щелевую перегородку с подъемными лопастями попадает в камеру грубого помола, затем из центрального разгрузочного отверстия направляется в сепаратор. Крупные зерна выделенные в сепараторе, поступают в камеру тонкого помола, а часть их смешивается со свежим материалом для улучшения его текучести при поступлении в камеру подсушки. Для большего пропуска газа установлены подшипники диаметром до 3,4 м. Перегородки мельницы также рассчитаны на пропуск большого количества газа. В настоящее время эксплуатируются мельницы "Doppelrotator" диаметром до 5 м и производительностью до 350 т/ч. При производительности 270 т/ч готового материала и тонкости помола, соответствующей 12 % остатка на сите 009, удельный расход энергии составляет 17,65 кВтч/т сырьевой муки. Скорость движения газа в камере грубого помола - 7,5 м/с, а в камере тонкого помола - 2,5 м/с. Количество отходящих из мельницы газов составляет 400000 м3/ч [127].
Известно, что открытый и замкнутый циклы являются одинаково энер-гоемкими при помоле до удельной поверхности 3200 см /г. В тоже время мельницы конструкции "Minipebs" и "Combidan" фирмы F.L. Smidth (Дания) позволяют получить в открытом цикле продукт с удельной поверхностью до 6000 см2/г.
Мельница "Minipebs" представляет собой две установленные последовательно трубные шаровые мельницы. В первой мельнице - мельнице предварительного помола, производится измельчение материала до удельной поверхности 2500-3000 см7г. В мельнице тонкого помола при работе в открытом цикле можно достичь удельной поверхности около 6000 см2/г [128]. Оптимизировать помол в камере тонкого измельчения можно значительным уменьшением кинетической энергии мелющих тел, обычно в несколько раз завышенную. Поэтому в однокамерной мельнице тонкого помола мелющей загрузкой служит цильпебс размером 4-8 мм, называемый минипебсом, а в мельнице "Combidan" - шарики диаметром до 4 мм. По данным фирмы такой помол требует меньших затрат, чем помол в замкнутом цикле.
Известно, что существенным недостатком, снижающим эффективность измельчения в традиционных шаровых мельницах, является ограничение усилия действия загрузки на измельчаемый материал частотой вращения барабана мельницы. Устранить указанный недостаток возможно за счет использования центробежных сил. Это удалось в барабанной мельнице с неподвижным вертикальным барабаном и вращающимся внутри него валом-ротором. Вал-ротор с большой скоростью вращает водило, приводящее в действие измельчающую загрузку. В качестве мелющих тел используются шарнирно закрепленные ролики, свободно размещенные металлические шары, металлическая дробь, керамические или минеральные износостойкие частицы. При вращении вала происходит раздавливание частиц мелющими телами за счет воздействия на них центробежных сил. В Южной Африке [126] работает барабанная центробежная мельница размером 1 х 1 м, которая по производительности эквивалентна обычной шаровой мельнице размером 4x6 м. Главная трудность создания таких мельниц промышленного масштаба заключается в низкой износостойкости основных узлов и в сложности ремонта.
Математическая модель разрушения частицы цементного клинкера при однократном нагружении мелющим телом
При разработке данной методики предположим, что разрушение цементного клинкера под воздействием внешних сил происходит при следующих допущениях: - внешнее воздействие на цементный клинкер возникает с учетом объема частицы вещества; - при сообщерши частице клинкера значения энергии выше порогового, под действием которой данный участок начинает разрушаться, порождая растягивающие напряжения, под воздействием которых (при значительных напряжениях) равновесные размеры трещин (дефектов) начинают увеличиваться; - с другой стороны растягивающие напряжения в выделенном объеме цементного клинкера порождают ответный отклик, препятствующий данному расширению. Если определить работу расширения, совершаемую растягиванием участка цементного клинкера, то можно вычислить величину вновь образованной поверхности.
Предположим, что в результате внешнего воздействия в цементном клинкере образуется участок объемом Vo, в котором сконцентрирована энергия воздействия dQp. Вследствие прироста объема V0 на величину dV возникают растягивающие напряжения, способствующие образованию и увеличению размеров трещины, которая в результате прорастания достигает свободной поверхности измельчаемого клинкера и тем самым приводит к его разрушению.
Первое слагаемое в выражении (2.8) представляет собой работу зоны уплотнения, которая расходуется на «прорастание трещины» в объеме VQ, второе слагаемое в этом же выражении представляет собой энергию упругой деформации, запасенную объемом VQ под действием обобщенной термодинамической силы /
Из соотношения (2.8) следует, что если Qv равно нулю, то/ = 0 и А = 0. То есть, при отсутствии подвода энергии к измельчаемому клинкеру не возникает обобщенная термодинамическая сила/ и работа при этом не совершается. Кроме того, существует некоторое пороговое значение обобщенной термодинамической силы f такое, что при выполнении условия / / работа А = 0. Для получения выражения определяющего / необходимо в уравнении (2.8) положить/ = f и А = 0.
Полученное соотношение (2.16) показывает, что изменение работы зависит от изменения величины обобщенной термодинамической силы в зависимости от изменения величины энергии аккумулированной объемом VQ . 2.1.2. Математическое описание процесса измельчения материала в трубных шаровых мельницах
Предположим, что исходный материал, подлежащий измельчению в корпусе мельницы, имеет форму близкую к сферической. Пусть радиус сферической частицы исходного материала R2 равен 10 мм или 0,01 метра, а радиус дробящего шара R\ равен 50 мм или 0,05 метра. Рассмотрим процесс взаимодействия мелющего тела с частицей материала на основе теории Герца.
Если исходить из предположения, о том, что шар со скоростью Vi ударяет о неподвижный материал (v2 = 0) тогда соотношение (2.17) применитель но для шаровых мельниц молено представить в виде.
Полученное соотношение (2.24) определяет максимальный линейный размер деформации при взаимодействии мелющего тела (шара) с частицей цементного клинкера. Величина деформации, оказывается пропорциональна линейному размеру частицы материала i?2 и сложным образом зависит от скорости, линейного размера и плотности мелющего тела, а так же от плотности и линейного размера частицы цементного клинкера.
Анализ полученной зависимости величины 8 от х позволяет сделать следующий вывод. Кривая зависимости 8 (х) для указанных значений р2, vb ЕХ,Е2, (д.1, Ц2 имеют локальный максимум, отвечающий значению х = х , что в свою очередь, означает, что величина деформации частицы цементного клинкера будет наибольшей в случае если отношение геометрических размеров частицы цементного клинкера к размеру мелющего тела (шару) будет составлять величину равную х .
Таким образом, на частицу цементного клинкера сферической формы радиусом Ri по площади S(x), определяемой соотношением (2.30) действует сила F. Под действием данной силы в частице цементного клинкера радиусом R2 формируется зона уплотнения, имеющая цилиндрическую форму с радиусом цилиндра согласно (2.30).
Поэтому в силу соотношения (2.36), процесс расширения зоны уплотнения в результате воздействия обобщенной термодинамической силы / можно рассматривать, как процесс растяжения стержня длинной 2г с поперечным сечением h. Поэтому можно записать, что еЛ=-м2ег, (2.37) где 8/, - относительное удлинение зоны уплотнения в поперечном направлении (направлении И), а єг - относительное удлинение зоны уплотнения в продольном направлении (направлении 2г).
Определение количества повторных опытов
С целью получения достоверных результатов на каждом этапе исследований необходимо проводить анализ нескольких проб, взятых в идентичных условиях и при неизменных параметрах и режимах обработки материала в рассматриваемых устройствах.
Коэффициенты регрессии рассчитываются методом наименьших квадратов. Основное условие метода формулируется следующим образом: коэффициенты регрессии определяются на основании минимизации суммы квадратов отклонений между экспериментальными у0 и расчетными ур значениями функции отклика.
Значимость каждого из коэффициентов оценивалась по критерию Стью-дента. В случае невыполнения условия значимости коэффициент регрессии считается незначимым и приравнивается к нулю [23, 39].
Адекватность полученного уравнения регрессии экспериментальным данным проверяется с помощью критерия Фишера, значение которого представляет собой отношение дисперсии адекватности Sm к дисперсии воспроизводимости опыта Sy.
На основании Sm и рассчитывается критерий Фишера, который должен быть меньше табличного (при уровне значимости 5 %). При оптимизации процесса измельчения в шаровой мельнице замкнутого цикла целесообразно представить полученные уравнения в натуральной форме.
На основании разработанной программы исследований проводились лабораторные и промышленные исследования процесса измельчения в шаровых мельницах замкнутого цикла, в основу которых положены стандартные методики [23, 39].
При проведении всех экспериментов измельчению подвергался предварительно дробленный цементный клинкер ОАО «Белгородский цемент» класса - 5 мм. Минералогический состав клинкера: C3S - 64,49 %; C2S -12,93 %; С3А - 6,59 %; C4AF - 13,49 %. Химический состав клинкера: Si02 -21,48 %; А1203 - 5,33 %; Fe203 - 4,44 %; СаО - 66,28 %; MgO - 0,71 %; R20 -21,48 %; S03 - 21,48 %; прочие - 1,09 %.
Масса мелющих тел и композиция загрузки определялась по [62, 64]. Аэродинамические изменения режимов аспирации и гидравлические сопротивления мельницы, устройств сепарации, осаждения готового продукта и пылеочистки в лабораторных условиях выполнялись в соответствии с [64, 66]. Остаток на контрольном сите определялся в соответствии с [62].
Наибольшая погрешность измерения по принятой методике и используемым приборам получается при измерении расхода аспирационного воздуха — до 8 %. Погрешности: при взвешивании проб исходного материала, готового продукта и крупки ±3 %; при определении остатков на сите 008 ±3 %; при измерении потребляемой мощности ±2 %; времени проведения опыта ±2 %.
Анализ погрешностей измеренных величин показывает, что принятые методики исследований и измерений позволяют с достаточной степенью достоверности установить требуемые уровни факторов и определить соответствующую им величину параметров оптимизации и, в конечном счете, позволяет производить качественный и количественный анализ результатов исследований.
Все составляющие установки шаровой мельницы замкнутого цикла выполняются в соответствии с требованиями [39, 47, 51, 54] и с учетом плана и программы экспериментов. Каждая из лабораторных установок снабжена регулируемым приводом, который позволяет изменять частоту вращения барабана от нуля до полутора критических скоростей.
Размер мелющих тел выбирается в соответствии с рекомендациями [62, 64]. Представленная на рис. 3.1 модель шаровой мельницы является базовой при проведении всех экспериментов, предусмотренных планом программой исследований. Ее производительность, при установке наклонной межкамерной перегородки в непрерывном режиме работы по замкнутому циклу измельчения достигает 110 кг/ч.
Мельница работает в непрерывном режиме измельчения. Барабан 1 мельницы неразъемный. В барабане устанавливаются сменные наклонные межкамерные перегородки 2 (рис. 3.3).
Привод мельницы (рис. 3.2) периферийный и осуществляется от асинхронного электродвигателя 9 переменного тока АИР100Ь4, мощностью 4 кВт и синхронной частотой вращения п = 1500м"1 через редуктор 10 и цепную передачу 11, которая передает мощность на приводной вал. Потребляемая двигателем полезная мощность измерялась счетчиком электрической энергии статическим трехфазным типа «Меркурий 230ART-01-RN» с последующим пересчетом. На приводном валу находится подвенцовая шестерня 12, которая посредством зацепления с венцовым колесом 8, жестко закрепленном на корпусе барабана мельницы приводит во вращение барабан мельницы. Фиксация барабана в осевом и вертикальном направлениях осуществляется парой поддерживающих роликов 13, расположенных по обеим сторонам барабана мельницы. Вращение мельницы на катках производится по двум бандажам, расположенным на барабане.
Частота вращения барабана мельницы изменялась от нуля до полутора критических значений при помощи частотного преобразователя (тип LS600-4010 компании Long Shenq Electronic Co. LTD (Тайвань) мощностью 7,5 кВт) путем изменения частоты питающей сети. На торцевой крышке 5 установлен перфорированный диск 14, проходящий через фотоэлектрический датчик 15, посредством которого измерялись скорость вращения и количество оборотов барабана, регистрируемые тахометром ЦАТ-ЗМ с точностью до 1/60 оборота.
Модель установки помольного агрегата замкнутого цикла с шаровой мельницей, представленная на рис. 3.4, предназначена для работы в замкнутом цикле в непрерывном режиме работы. Предварительно измельченный и отсеянный материал из барабанного питателя 1 по течке 2 поступает на измельчение в шаровую мельницу 3. Частота вращения барабана питателя изменялась при помощи частотного преобразователя (тип LS600-4001 компании Long Shenq Electronic Co. LTD (Тайвань) мощностью 0,75 кВт) путем изменения частоты питающей сети. После измельчения материал по воздуховоду 4 подается в сепаратор 5, в котором происходит разделение продукта на фракции. Крупка направляется по течке 2 на домол в барабан мельницы 3, а готовый продукт в виде пылевоздушной смеси поступает в батарейный циклон б ЦН-15 0 = 100 мм, где осаждается в готовый продукт. Очищенный в циклонах воздух, окончательно очищается в зернистом фильтре 7, а затем воздуходувкой 8 выбрасывается в атмосферу.
Исследование энергетических параметров работы шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения
Наибольшее влияние на величину мощности потребляемой шаровой мельницей оказывает количество крупки и частота вращения барабана мельницы, т.к. сумма коэффициентов при Х\ и Х$ наибольшая. Положительный знак при Х\ и Х5 подтверждает теоретические выводы о том, что с увеличением количества крупки и частоты вращения барабана мельницы по 126 требляемая мощность мельницами замкнутого цикла с поперечно-продольным движением мелющих тел возрастает. Тождественность полученного уравнения с реальным процессом подтверждается знаком «минус» приХ5 , т.е. при увеличении частоты вращения барабана в мельницах с поперечно-продольным движением загрузки потребляемая мощность снижается. Это объясняется тем, что у мельниц с вертикальной перегородкой маховый режим наступает раньше. Теоретические предположения о том, что аспира-ционный режим, положение наклонной межкамерной перегородки в мельнице и расположение на перегородке отверстий не оказывают существенного влияния на величину потребляемой мощности, подтверждаются тем, что коэффициенты при Хъ Х3 и Х4 малы, по сравнению с аналогичными коэффициентами при Х\ и Х5. Все эффекты взаимодействия, кроме Х2Х4 в равной мере влияют на величину потребляемой мощности, т.к. коэффициенты при них равны по величине.
Из (4.2) следует, что любой из параметров с, V, \\t, вызывает рост потребляемой энергии, а увеличение к и D наоборот, снижает потребление мощности. Анализ уровней и значений коэффициентов при факторах позволяет судить о том, что максимальное увеличение функции отклика Рв вносит фон факторов с и V. Казалось бы, что большое значение коэффициента при VJ/ тоже должно вносить существенно большое увеличение функции отклика Рв, но отрицательный коэффициент при квадратичном эффекте \jr не приводит к существенному ее увеличению. При увеличении \/ от 0,76 до 0,9 функция PQ все же возрастает, что говорит о том, что при переходе к маховому моменту нагрузка на транспортирующий орган возрастает, так как большая часть измельчаемого материала переходит в воздушный поток. Вывод о том, что величина фактора к не влияет на нагрузку транспортирующего органа и увеличение объема материала в воздушном потоке, подтверждается коэффициентами при эффектах взаимодействия ск; ко; и кцг.
С увеличением скорости V воздушного потока в барабане мельницы также снижается удельный расход энергии. Казалось бы, это противоречит теоретическим выводам. Но на практике происходит выход кондиционного продукта за счет вывода его из мельницы воздушным потоком с различных ее участков. При этом, чем выше скорость воздуха, тем наблюдается большая производительность помольного агрегата. Но, увеличение скорости воздушного потока увеличивает мощность, потребляемой мельничным вентилято-ром. Т.к. коэффициент при V положителен. Исходя из этого можно сделать вывод, что повышение скорости воздушного потока более 0,75 м/с в барабане мельницы не целесообразно. К сказанному можно добавить, что увеличение qmo вызывают эффекты взаимодействия Vk и щ, что подтверждается положительными коэффициентами при них. Это в целом снижает эффективность помола в замкнутом цикле.
Их представленного уравнения регрессии видно, что увеличение любого из параметров V, к, \/ вызывает рост удельного расхода энергии, а увеличение кратности циркуляции с и транспортирующей способности х — снижает параметр quRx- Но, анализ величин параметров и коэффициентов при них, а также эффектов взаимодействий позволяет сделать вывод о том, что увеличение параметра с ведёт к снижению энергоёмкости процесса измельчения, но при достижении больших значений с эффективность процесса образования новой поверхности на единицу готового продукта несколько падает, что соответствует физике реального процесса измельчения в промышленных установках. Параметр V существенно влияет на удельный расход энергии: увеличение V снижает qMRK, а при достижении верхних значений уровня V, quRx стабилизируется. Существенных изменений в значении qMR параметр к не вносит, но наблюдается небольшой экстремум при к= 1,25. Наибольшее влияние на величину qMRx оказывает параметр і). Это можно объяснить тем, что отбор и принудительное удаление из камеры грубого измельчения кондиционного материала положительно сказывается на процессе образования новой поверхности из более крупных частиц. Экспериментально это подтверждается тем, что перед параметром и и эффектами взаимодействия сх и ко стоит знак «минус». Положительные значения коэффициентов показывают, что прямое увеличение частоты вращения барабана мельницы ведет к снижению эффективности измельчения, но знак «минус» при эффекте взаимодействия F\j/ показывает, что наблюдается снижение величины q- Rx при \j/ = 0,69. Все выше сказанное удовлетворяет только для заданных условий, представленных в таблице 3.2.
Из уравнения (4.6) видно, что увеличение любого из факторов с, к, V, \j/ снижает удельный расход энергии на измельчение материала до постоянного качества готового продукта, соответствующего остатку на контрольном сите Roos равному 10 %. Это положение, полностью согласуемое с ранее сделанными выводами, можно пояснить следующим: при увеличении кратности циркуляции с эффективность работы мелющей загрузки увеличивается за счёт отсутствия холостого соударения мелющих тел друг о друга и устранения эффекта демпфирования мелющей загрузки, а также агрегации и агломерации готовых частиц измельчаемого материала. Увеличение среднего диаметра частицы материала в камере тонкого измельчения происходит с увеличением с и ведет к устранению переизмельчения материала и, как следствие этого, к снижению quR\a- Отрицательный коэффициент при к и положительный при к", а также незначимость коэффициентов при эффектах взаимодействия ск; Vic, /си; /q/ позволяет сделать вывод, что существенного вклада за счёт эффектов взаимодействия в формирование функции отклика qumo не наблюдается. Как и в уравнении (4.5) фактор и тоже вносит максимальный фон в формировании функции отклика дмкіо- Это подтверждается и отрицательным коэффициентом при D и положительными коэффициентами при эффектах взаимодействия cv; Vv; км; к"; при снижении транспортирующего эффекта перегородки эффективность процесса образования новой поверхности снижается. В отличие от уравнения (4.5), здесь увеличение \/ вызывает снижение удельного расхода энергии, а положительные коэффициенты при и\/ и \/ вызывают увеличение #мяіо. При увеличении частоты вращения \/ барабана мельницы после определенного значения происходит снижение эффективности продольного движения загрузки и как следствие — эффективность процесса измельчения снижается, удельный расход энергии возрастает. Этот вывод, сделанный на основе экспериментальных исследований, также подтверждает наши теоретические положения.
