Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время мировая добыча вермикулита находится на уровне 600 тыс. тн. ежегодно, причем около 80% приходится на США и ЮАР, остальные объемы добывают в Бразилии, Аргентине, Китае, Индии, Кении и России.
На территории бывшего СССР открыто более 20 месторождений вер- микулитовых руд с суммарным запасом около 200 млн. тн; большая их часть находится в России, остальные на территориях государств СНГ. Только разведанные запасы обеспечивают перспективу сырьевого рынка более чем на 200 лет.
Вспученный вермикулит имеет многофункциональное назначение: это эффективный теплоизоляционный материал, пористый наполнитель для легких бетонов и растворов. Из него готовят сухие строительные смеси, огнезащитные плиты и краски и т.д. В промышленности экономически развитых стран вермикулит применяют для производства более ста наименований продукции.
В России производство вермикулита и материалов на его основе только начинает развиваться. Технология обжига, основанная на сжигании нефтепродуктов, завершила свою эволюцию, поэтому в условиях энерго-и ресурсосбережения, ужесточения экологических требований, актуализации проблем качества, назрела необходимость новой концепции технологических систем переработки вермикулита, базирующейся на применении электрических модульно-спусковых печей.
Цель работы. Научное обоснование промышленного применения технологических систем переработки концентратов, обеспечивающих снижение энергоемкости на 35.. .40% и экологическую чистоту товарного продукта, а так же целесообразности переработки отходов обогатительного производства - вермикулитовых конгломератов за счет их эффективного дообогащения в процессе обжига.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-
Разработать кластерную модель формирования структуры массива вспученного вермикулита с большим интегральным коэффициентом вспучивания.
-
Построить математические модели движения одно-и двухкомпо- нентных потоков вспучиваемых концентратов (конгломератов) в печах с учетом нестационарной структуры материала.
-
Разработать модели процессов дообогащения вермикулитовых концентратов и конгломератов в процессе обжига и получить зависимости для расчета параметров агрегатов систем обеспечения технологического качества.
-
Разработать конструкцию модуля обжига печных агрегатов на основе принципа локализации температурного поля в массиве вермикулито- вого потока и математические модели переноса температурного излучения в рабочих камерах в отсутствии и в присутствии поглощающей среды для аналитического описания потоков мощности излучения и температур.
-
Построить аналитическую модель процесса теплоусвоения, позволяющую установить значения удельных энергий теплоусвоения и к п д механической трансформации (структурообразования) различных видов вермикулита.
-
На основе энергетического анализа и принципа структурной трансформации обеспечить синтез энерготехнологических печных агрегатов с экстремальными показателями производительности, к п д и удельной энергоемкости обжига вермикулитовых концентратов и конгломератов.
-
Провести исследования на физических моделях технологических систем - экспериментальных и опытно-промышленных установках.
-
С учетом полученных эмпирических данных разработать агрегаты технологических систем переработки вермикулитовых концентратов и конгломератов, осуществить их промышленное внедрение.
Методы исследований. При выполнении работы использовались методы математического и физического моделирования, законы физики температурного излучения, теплотехники, теоретической механики и экспериментальные исследования с применением методов статистической обработки.
Научная новизна работы заключается в разработке: кластерной модели формирования структуры массива вермикулита с большим интегральным коэффициентом вспучивания; математических моделей движения одно-и двухкомпонентных потоков вспучиваемых концентратов (конгломератов) с нестационарной структурой материала и расчетных зависимостей для определения постоянной времени печных агрегатов; математических моделей процессов дообогащения вермикулитовых концентратов и конгломератов и выделения вторичных продуктов в процессе обжига и получении зависимостей для расчета параметров агрегатов систем технологического качества вспученных продуктов; принципа локализации температурного поля в массиве вермикулитового потока и моделей переноса температурного излучения в отсутствии и в присутствии поглощающей сыпучей среды; аналитической модели процесса теплоусвоения, позволяющей установить значения удельных энергий теплоусвоения и к п д механической трансформации (структурообразования) различных видов вермикулита; принципа структурной трансформации и проведении энергетического анализа для построения энерготехнологических печных агрегатов с экстремальными показателями производительности, к п д и удельной энергоемкости обжига вермикулитовых концентратов и конгломератов.
Автор защищает следующие основные положения:
-
-
Кластерную модель формирования структуры массива вермикулита, позволяющую за счет рационального фракционирования исходных концентратов обеспечить: повышение интегрального коэффициента вспучивания; высокую гранулометрическую однородность фракций; создание благоприятных условий теплоусвоения и механической трансформации вермикулита при обжиге.
-
Математические модели движения одно-и двухкомпонентных потоков вспучиваемых концентратов (конгломератов) с нестационарной структурой зерен материала и расчетные зависимости для определения постоянной времени печных агрегатов (времени обжига).
-
Математические модели процессов дообогащения вермикулито- вых концентратов и конгломератов и выделения вторичных продуктов в процессе обжига, а так же расчетные зависимости для определения параметров агрегатов системы обеспечения технологического качества вспученных продуктов.
-
Принцип локализации температурного поля в массиве вермикули- тового потока, математические модели переноса температурного излучения в отсутствии и в присутствии поглощающей сыпучей среды и расчетные зависимости для определения мощности потоков излучения и температур.
-
Аналитическую модель процесса теплоусвоения, позволяющую установить значения удельных энергий теплоусвоения и к п д механической трансформации (структурообразования) различных видов вермикулита.
-
Результаты энергетического анализа и принцип структурной трансформации, обеспечивающие синтез энерготехнологических печных агрегатов с экстремальными показателями производительности, к п д и удельной энергоемкости обжига вермикулитовых концентратов и конгломератов.
-
Результаты экспериментальных исследований, проведенных на лабораторных установках и в условиях производства, позволяющие уточнить рациональные параметры технологических систем переработки вермикулита и получить эмпирические зависимости для практических инженерных расчетов.
-
Патентно-чистые конструкции агрегатов рассматриваемых технологических систем.
Достоверность научных положений и выводов обеспечена принятием в основу объективных математических и физических законов и подтверждается сочетанием теоретических исследований с результатами анализа эмпирических данных, использованием статистических методов обработки, достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительным опытом и эффективностью внедрения полученных результатов и реализованных технических решений, а так же всесторонней апробацией.
Практическая ценность работы. Разработаны технические решения, обеспечивающие энерго-и ресурсосбережение, промышленную и экологическую безопасность и качество вспученных продуктов. Построены экспериментальные и опытно-промышленные образцы технологических систем, прошедшие проверку в условиях производства. Разработаны основные принципы построения технологических систем, получены зависимости для инженерных расчетов агрегатов. Результаты исследований используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО НИ ИрГТУ (г. Иркутск).
Внедрение результатов работы. Результаты работы использовались при создании и поэтапной модернизации двух технологических комплексов переработки вермикулитовых концентратов на предприятии ООО «Квалитет» (г. Иркутск, 2003...2009 г). При непосредственном участии автора в 2010 г. разработаны и построены: трехмодульная печь по заказу ООО «СТС» (г. Красноярск,) шестимодульные печи по заказам ООО «ИКСМ» (г. Иркутск) и ООО «Порцелакинвест» (г. Киев). В 2011 г. на основе ППС-печи создан технологический комплекс в ООО «ИКСМ» (г. Иркутск).
Апробация работы. Результаты работы обсуждались и были одобрены на: 10-ой международной научно-технической Интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 15.10 -
г), научно-технической конференции «Обогащение и переработка минерального и техногенного сырья» (г. Екатеринбург, 14 - 16 10.2009 г), международной научно-технической конференции «Образование и наука производству» (г. Набережные Челны, 28 - 31.03.2010 г), научно-техническом совете Братского гос. университета (г. Братск, 19.04.2010 г), научном семинаре Института современных технологий, системного анализа и моделирования ИрГУПС, (г. Иркутск, 06.04.2010 г), общероссийской научной конференции «Актуальные вопросы науки и образования» (г. Красноярск, 05.05 - 30.06 2010 г), расширенном заседании кафедры «Транспортно-технологические системы в строительстве и горном деле» Тихоокеанского государственного университета (г. Хабаровск, 21.06.2010 г), 11-ой международной научно-технической Интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», (г. Брянск, 15.10 -
г), расширенном заседании кафедры АМО факультета современных технологий Ижевского гос. технического университета (г. Ижевск, 25.11.2010 г), расширенном заседании кафедры «Механическое оборудование» института технологического оборудования и комплексов Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (г. Белгород, 30.03.2011 г) и расширенном заседании кафедры «СДМ и ГС» Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета (г. Иркутск, 23.09.2011 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, в том числе: 2 монографии, 29 научно-технических статей (20 из них в изданиях, аннотированных ВАК) получено 12 авторских свидетельств и патентов, издано 4 ТУ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, основных выводов по работе, библиографического списка из 277 наименований и приложений. Общий объем составляет: 373 страницы машинописного текста, 181 рисунок, 89 таблиц и 71 страницу приложений.
Похожие диссертации на Научное обоснование промышленного применения технологических систем переработки вермикулитовых концентратов и конгломератов
-
