Содержание к диссертации
Введение 6
1 Анализ техники и технологии тонкого и сверхтонкого измельчения 14
1.1 Состояние и направления развития техники и технологии тонкого и сверхтонкого измельчения материалов 14
1.2 Основные научно технические достижения в области струйного измельчения 27
1.3 Критический анализ теории эжекторных струйных мельниц 46
1.4 Факторы, определяющие эффективность процесса измельчения в пневмоструйной мельнице 52
1.5 Пути решения проблемы интенсификации процесса измельчения в пневмоструйных эжекторных мельницах 58
Выводы 59
Цель и задачи исследований 60
2 Теоретические положения расчета эжекторного узла пневмоструйной мельницы 62
2.1 Расчет коэффициента инжекции пневмоструйной мельницы 63
2.2 Расчет конструктивных параметров эжектора 73
2.2.1 Расчет основных поперечных сечений 73
2.2.2 Расчет осевых размеров 75
2.3Характеристика эжектора струйной мельницы и метод ее расчета 79
2.4 Предельные режимы работы эжектора 80
2.5 Алгоритм расчета основных газодинамических параметров эжекторного узла пневмоструйной мельницы 83
2.6 Анализ методики расчета технологических и конструктивных параметров пневмоструйной мельницы 84
Выводы 90
3 Расчет пневмоструйной эжекторной мельницы с дополнительным подводом энергоносителя на стадии разгона газоматериального потока 91
3.1 Процесс движения двухкомпонентной смеси в разгонной трубке 94
3.1.1 Дифференциальные уравнения, описывающие процесс изменения скорости частиц и энергоносителя, давления и плотности в разгонной трубке 94
3.1.2 Приближенное решение системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс движения двухкомпонентной смеси в разгонной трубке 102
3.1.3 Уравнение движения энергоносителя в разгонной трубке без частиц 106
3.1.4 Анализ газодинамических характеристик по длине разгонной трубки 107
3.2 Движение двухкомпонентной смеси в конфузоре устройства дополнительного подвода воздуха 112
3.2.1 Динамика твердых частиц в конфузоре устройства ДПВ 112
3.2.2 Определение газодинамических параметров при движении однокомпонентного потока 117
3.2.3 Характер изменения газодинамических параметров по длине разгонного узла 117
3.3 Движение воздуха по дополнительному кольцевому каналу
устройства ДПВ 123
Выводы 125
4 Расчет основных параметров блока помола пневмоструйной эжекторной мельницы с изменяемыми параметрами помольной камеры 127
4.1 Схема движения струи в помольной камере 129
4.2 Методика расчета скорости частиц, измельчаемого материала и энергоносителя в помольной камере противоточной пневмоструйной мельницы 135
4.3 Методика расчета области эффективного взаимодействия измельчаемого материала в помольной камере противоточной пневмоструйной мельницы 142
4.4 Схема течения струи в помольной камере с изменяемыми параметрами 150
4.5 Определение степени разрежения струи в помольной камере противоточной пневмоструйной мельницы в зоне обратных токов. 155
4.6 Определение траектории струи в помольной камере с изменяемыми параметрами 160
Выводы 164
5 Расчет основных параметров пневмоструйной эжекторной мельницы с дополнительным подводом отработанного воздуха на стадии сепарации 165
5.1 Моделирование поля скоростей энергоносителя для дополнительной зоны разделения сепаратора 169
5.2 Математическое описание движения частицы в дополнительной зоне разделения сепаратора 175
5.2.1 Силы, действующие на частицу 175
5.2.2 Уравнение динамики движения частицы 176
5.3 Поле скоростей частиц, движущихся в дополнительной зоне разделения сепаратора 181
Выводы 186
6 Расчет основных газодинамических параметров пневмоструйной мельницы с отбойной плитой 188
6.1 Математическое описание движения двухкомпонентной смеси в зоне помола 189
6.2 Математическое описание процесса разрушения материала под действием удара в отбойную плиту 194
6.3 Анализ результатов расчета режимов работы пневмоструйной мельницы с отбойной плитой
Выводы 203
7 Теоретические предпосылки создания взрывоструйных эжекторных мельниц 204
7.1 Возможность использования газо-детонационного взрыва для измельчения материалов 204
7.2 Особенности математического моделирования взрывоструйного измельчителя 206
7.3 Опытная апробация взрывоструйной установки 215
Выводы 218
8 Комплексные лабораторные исследования пневмоструйных эжекторных мельниц 219
8. 1 Основные положения экспериментальных исследований 219
8.2 Методика экспериментальных исследований и измерений 223
8.3 Экспериментальные установки 230
8.4 Исследование газодинамических параметров эжекторного и разгонного узлов 238
8.5 Исследование влияния дополнительного подвода энергоносителя на параметры работы эжекторного и разгонных узлов 255
8.5.1 Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения в пневмоструйной мельнице, оснащенной устройством дополнительной подачи воздуха 259
8.5.2 Выбор рационального режима процесса измельчения 278
8.6 Исследование мельницы с изменяемыми параметрами помольной камеры 283
8.6.1 Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения в противоточной пневмоструйной мельнице, оснащенной блоком помола с изменяемыми параметрами 289
8.6.2 Определение рациональных параметров процесса измельчения в пневмоструйной мельнице 306
8.7 Исследование мельницы с дополнительным подводом отработанного воздуха на стадии сепарации 314
8.8 Исследование пневмоструйной мельницы с отбойной плитой 333
8.8.1 Исследование рабочих режимов мельницы, выбор оптимального режима процесса измельчения 335
8.8.2 Анализ зернового состава тонкого продукта 345
Выводы 352
9 Опытно-промышленные исследования пневмоструйных мельниц и внедрение научных разработок в производство 355
Выводы 368
Общие выводы 371
Список литературы 377
Приложения 405
Введение к работе
Переработка крупнозернистых материалов в тонкодисперсные порошки составляет одну из часто используемых и наиболее сложных технологических операций при производстве строительных и отделочных материалов, в порошковой металлургии, при производстве катализаторов и адсорбентов, удобрений, противопожарных средств, керамики, металлокерамических изделий, наполнителей для пластмасс, резин, лаков и красок, бумаги, а так же пищевых продуктов (мука, сахарная пудра, какао- порошок), лекарственных и косметических средств. При этом дисперсность получаемого порошка в значительной мере определяет качество получаемых на их основе продуктов и влияет на повышение технологических и потребительских свойств [70, 83, 100].
Необходимость повышения дисперсности строительных и других материалов приводит к потребности совершенствования существующего и созданию нового оборудования и технологий для тонкого и сверхтонкого измельчения.
Однако с увеличением тонкости получаемого продукта, производительность помольного оборудования с некоторого момента начинает резко снижаться при одновременном увеличении энергетических затрат [9, 10, 34, 249, 253], а начиная с некоторой критической точки диспергирования для данного материала дальнейшее измельчение становится практически неосуществимым.
Известно, что помол является весьма энергоемким технологическим переделом в производстве минеральных компонентов, вяжущих, порошков- наполнителей. Так, в цементной промышленности общие затраты энергии на производство 1 т цемента составляют в среднем 110-130 кВт-ч, в том числе на помол сырья и клинкера 58-65 кВт-ч, т. е. более 50 % [37]. Вместе с тем, высокая прочность измельчаемых материалов приводит к ускоренному износу мелющих тел и других рабочих органов измельчителей [57, 107, 105, 125], что отражается на металлоемкости процессов измельчения и в целом на их стоимости. Все это заставляет искать новые энергосберегающие технологии помола и заниматься разработкой высокоэффективного оборудования [25, 67, 95, 96, 121, 128, 144, 194, 284, 290].
Важной научной задачей является устранение противоречий между необходимостью увеличения производительности оборудования для высококачественного тонкого измельчения и требованиями ресурсосбережения энергетических и материальных затрат при производстве соответствующего продукта.
На сегодняшний день машиностроительной промышленностью освоен выпуск машин и оборудования для тонкого измельчения материалов различного типа и назначения. И в России и за рубежом проводится большая работа по совершенствованию существующих конструкций машин и созданию нового оборудования. Предлагаемые новые модификации мельниц позволяют обеспечить существенное снижение себестоимости продукции при одновременном повышении ее качества, сократить эксплуатационные расходы, составляющие значительную часть общих расходов на переработку сырья.
Наиболее перспективным способом тонкого и сверхтонкого измельчения к настоящему времени является способ высокоскоростного измельчения материалов, реализуемый столкновением ускоренных измельчаемых частиц при помощи струй сжатого воздуха, пара или газа. Использование высоких скоростей, до нескольких сотен метров в секунду, позволяет повысить не только дисперсность получаемого продукта, но и удельную производительность измельчителя, его энергонапряженность и к.п.д. Кроме того, появляется возможность реально использовать преимущества высокоскоростного избирательного измельчения многокомпонентных смесей материала с получением продуктов с заданными свойствами и, что немаловажно, химически чистых от механических примесей, возникающих от износа рабочих тел измельчителя.
Реализовать способ и получаемые от его использования преимущества возможно в мельницах струйной энергии. Такие мельницы могут использовать в качестве энергоносителя сжатый воздух или другой газ (пневмоструйные или газоструйные), перегретый водяной пар (пароструйные) и воду или иную жидкую среду (гидроструйные). Выбор энергоносителя обусловлен физико-химическими свойствами измельчаемого материала и технологическими возможностями производителей порошков. Сжатому воздуху чаще всего отдают предпочтение, поскольку его получение с помощью компрессорного оборудования является не сложным процессом и он используется в технологических целях на подавляющем количестве предприятий. Поэтому одним из самых интересных и перспективных типов таких мельниц являются пневмоструйные эжекторные мельницы. Они имеют целый ряд преимуществ по сравнению с другими мельницами струйного типа: простота конструкции; относительно невысокий расход энергоносителя из-за малого количества рабочих сопел; возможность работы мельницы в замкнутом цикле измельчения, что упрощает классификацию получаемых порошков и обеспечивает их заданные свойства, а также экологичность таких мельниц.
Однако относительно невысокая тонкость помола получаемого продукта (10-60 мкм) и высокий удельный расход энергии на помол в таких мельницах сильно сдерживают их применение [9, 10, 14]. Кроме того, существующие теории расчета и конструирования пневмоструйных мельниц имеют на наш взгляд незавершенный характер, и в настоящее время нет достаточно полной теории, позволяющей с необходимой точностью определять характеристики промышленных пневмоструйных эжекторных мельниц для тонкого и сверхтонкого помола, способных измельчить исходный продукт до частиц требуемой дисперсности.
Как известно, каждый тип машин определяется параметрами характерными для данной конструкции. В связи с этим использование более эффективных и экономичных способов измельчения на основе новых конструктивных и технологических решений, разработка научных и методологических основ их создания и проектирования является актуальной задачей.
Цель работы заключается в разработке научных основ методик расчета и проектирования мельниц пневмоструйного измельчения эжекторного типа, обеспечивающих эффективный тонкий и сверхтонкий помол, в создании и внедрении разработанных конструкций в производство.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Разработать методику расчета газодинамических и конструктивных параметров эжекторных узлов с учетом двухфазной природы движущихся потоков и создать на ее основе новые рациональные конструкции эжекторов для пневмоструйных мельниц.
2. Создать математическую модель движения двухкомпонентной смеси в разгонном узле, описывающую закономерность изменения давления и скорости при разгоне частиц, позволяющую связать конструктивные, аэродинамические параметры мельницы и оптимизировать конструктивно- технологические параметры разгонного узла.
3. Разработать методику расчета помольной камеры с использованием уравнений механики движения двухфазных сред и принять на ее основе конструктивные решения, позволяющие организовать наименьшее аэродинамическое сопротивление потоку готового продукта, выходящего из камеры и тем самым повысить эффективность процесса измельчения.
4. Обосновать технологические и конструкторские решения по использованию отработанного энергоносителя на стадии сепарации готового продукта и разработать математическую модель, позволяющую производить расчет газодинамических и конструктивных параметров сепаратора с дополнительной зоной разделения;
5. Изучить возможность использования пневмоструйных мельниц с отбойной плитой, разработать аналитическое описание движения двухкомпонентной смеси в зоне помола такой мельницы и создать конструктивные решения, позволяющие устранить износ отбойной плиты;
6. Обосновать возможность применения в качестве источника энергоносителя взрыв газового заряда, образованного из горючего газа и окислителя, с целью повышения эффективности разрушения частиц материала за счет увеличения скоростей измельчаемых потоков и эффекта саморазрушения под действием внутренних напряжений в самих частицах при скачкообразном изменении импульсного давления.
7. Провести экспериментальное исследование рабочих процессов в пневмоструйных эжекторных мельницах с целью проверки полученных аналитических зависимостей и определения рациональных технологических и конструктивных параметров с учетом предложенных конструктивных решений.
8. Провести опытно-промышленные испытания разработанных конструкций пневмоструйных мельниц и их внедрение в производство.
Методология и методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований автором изучены и обобщены результаты существующих научных разработок в области техники и технологии тонкого и сверхтонкого помола.
При разработке и исследовании мельниц пневмоструйного измельчения эжекторного типа использовался системный подход к изучению и описанию основных значимых факторов, влияющих на исследуемые параметры. С этой целью были использованы теории подобия и анализа размерностей, методы физического и математического моделирования, математическая статистика, современные компьютерные технологии.
Исследования проводились с использованием комплекса стендовых лабораторных установок и в условиях действующих производств, где проверялись теоретические положения работы, на основе чего определялись рациональные конструктивные параметры мельниц и режимы измельчения.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена принятием в основу исследований объективно существующих математических, физических законов и закономерностей и подтверждается: использованием математических методов планирования экспериментальных исследований и статистических методов обработки результатов; применением измерительных приборов высокой точности и лазерной гранулометрии; достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; положительным опытом внедрения полученных результатов, в том числе и в серийном производстве, а также всесторонней апробацией.
Научная новизна работы заключается в разработке, теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении адекватных математических алгоритмов и моделей, описывающих газодинамические и технологические режимы работы пневмоструйных эжекторных мельниц, в зависимости от их конструктивных особенностей, обеспечивающих эффективный помол путем управления движением газо-материальных потоков на стадии инжектирования, разгона, столкновения, сепарирования и соответствующих им процессам; в выявлении режимов работы пневмоструйных эжекторных мельниц, которые дают возможность получать готовый продукт с заданными свойствами; в определении количественных и качественных характеристик режимов работы, характера перемещения и измельчения газо-материальных потоков в исследуемых устройствах при различных технологических параметрах; в получении на основе сформулированных предпосылок и положений аналитических зависимостей, позволяющих установить рациональные конструктивно-технологические параметры пневмоструйных эжекторных мельниц с учетом конкретных требований процесса помола; в обосновании схемы реализации энергии взрыва газового заряда с помощью установки взрывоструйного измельчения и разработке математической модели для исследования процессов в помольной камере при использовании импульсных источников; в создании приоритетных патентно-чистых конструкций пневмоструйных и взрывоструйных мельниц.
Практическая ценность работы. Полученные результаты объединены в единую систему, представляющую собой методики расчета конструктивно- технологических параметров пневмоструйных и взрывоструйных эжекторных мельниц.
По результатам теоретических и экспериментальных исследований созданы алгоритмы и программы комплексных расчетов на ЭВМ основных конструктивно-технологических параметров пневмоструйных мельниц. Расчет узлов мельниц с применением современных компьютерных технологий позволяет выбрать наиболее рациональную конструкцию с учетом конкретных условий процесса помола и свойств измельчаемого материала.
Практические результаты работы защищены авторскими свидетельствами и патентами. Полученные результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций, выполнении курсовых работ и дипломном проектировании в БГТУ им В.Г. Шухова.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и практические результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на заседании технического совета ОАО «Белгородский экспериментально-механический завод» (2004, Белгород) на международной научной конференции СПбГАСУ (1999, Санкт-Петербург), на международной научной конференции СПбГАСУ (2001, Санкт-Петербург), на международной научной конференции «Интерстроймех-2001» СПбГТУ (2001, Санкт-Петербург), на международной научной конференции «Интерстроймех-2002» МГТУ (2002, Могилев), на международной научной конференции БГТУ (2002, Минск) на всероссийской научной конференции МГУ (2002, Саранск), на международных научных конференциях БелГТАСМ (1993, 1995, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, Белгород), на международном конгрессе БГТУ им. В.Г. Шухова (2003, Белгород), на международных научных конференциях БГТУ им. В.Г. Шухова (2004, 2005, Белгород).
Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа, получено 10 изобретений и патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 404 страницы, в том числе 280 страниц основного текста, 161 рисунок, 10 таблиц, список литературы из 301 наименования. Приложения на 55 стр. включают: результаты теоретических, экспериментальных исследований в виде таблиц; акты внедрения и промышленных испытаний; программы расчетов конструктивно - технологических параметров.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций» Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.
