Содержание к диссертации
Введение
1. Теория измельчения и ее практическое применение 12
1.1. Анализ работ по механике разрушения 12
1.2. Теоретические основы дезинтеграции материалов 31
1.3. Основные направления интенсификации процессов диспергирования 49
1.3.1. Оптимизация процессов диспергирования на основе анализа и практических выводов теории разрушения 50
1.3.2. Совершенствование организации технологического процесса 55
1.3.3. Конструкционное совершенствование измельчающих машин 56
1.3.4. Поиск и использование новых способов воздействия на материал 59
1.3.5. Моделирование и оптимизация движения измельчаемого материала и рабочих органов измельчающих машин 60
1.4 Обоснование выбора объектов и методов исследования 63
1.5 Выводы по главе 1 67
2. Совершенствование процессов измельчения в среднеходных мельницах 69
2.1. Среднеходные мельницы и перспективы их использования 69
2.2. Моделирование движения материальных потоков в зоне измельчения 73
2.3. Моделирование движения частиц в сепарационной зоне 85
2.4. Энергетика процесса измельчения в среднеходной валковой мельнице 96
2.5. Оптимизация параметров замкнутого цикла работы валковой среднеходной мельницы 105
2.6 Выводы по главе 2 111
3. Интенсификация и моделирование процессов диспергирования в быстроходных мельницах ударного действия 113
3.1. Особенности теории ударного измельчения 113
3.2. Ударные измельчители и их использование 119
3.3. Диспергирование и механическая активация в агрегатах дезинтергаторного типа 122
3.4. Определение производительности агрегата дезинтергаторного типа 133
3.5 Выводы по главе 3 142
4. Моделирование движения загрузки в скоростных центробежно-шаровых мельницах 144
4.1. Пути интенсификации помола в шаровых мельницах 144
4.2. Определение высоты подъема мелющих тел и измельчаемого материала по стенкам мельницы 146
4.3 Выводы по главе 4 159
5. Особенности движения мелющих тел в планетарных мельницах и их влияние на эффективность помола 161
5.1. Планетарные мельницы как высокоэффективный помольный агрегат: теория и практика 161
5.2. Движение загрузки в горизонтальной планетарной мельнице 168
5.3 Оценка силового воздействия на одиночное мелющее тело 172
5.4. Определение режимов работы планетарных мельниц 176
5.5. Условия отрыва мелющих тел от стенок барабана 182
5.6. Движение мелющих тел после отрыва от стенок барабана 187
5.7. Координатный способ определения высоты падения мелющих тел 194
5.8 Характер и режимы движения загрузки в планетарных мельницах 198
5.9 Силовое воздействие и характер движения мелющих тел в центрифугальном режиме 206
5.10. Экспериментальное определение эффективности помола в планетарных мельницах 211
5.11 Особенности движения загрузки и мелющих тел в планетарной мельнице с вертикальной осью загрузки 218
5.12 Формы поверхности загрузки в вертикальной планетарной мельнице 225
5.13 Выводы по главе 5 230
6. Гидродинамическое диспергирование материалов в кавитационных агрегатах 233
6.1 Разрушающее воздействие кавитации и перспективы ее использования в процессах диспергирования 233
6.2 Экспериментальные исследования процесса диспергирования в скоростных суперкавитаторах 242
6.3 Моделирование кавитационных течений в гидродинамических диспергаторах 257
6.4 Выводы по главе 6 270
7. Практическая реализация результатов исследований 272
7.1 Практическое использование результатов исследования среднеходной мельницы 272
7.2 Разработка и оптимизация мельниц ударного действия 273
7.3 Промышленное использование планетарных мельниц и перспективы их совершенствования 277
7.4 Внедрение в производство гидродинамических кавитационных диспергаторов 279
7.5 Выводы по главе 7 281
Основные выводы и результаты работы 283
Список использованных источников 287
Приложения 313
- Оптимизация процессов диспергирования на основе анализа и практических выводов теории разрушения
- Моделирование движения материальных потоков в зоне измельчения
- Диспергирование и механическая активация в агрегатах дезинтергаторного типа
- Определение высоты подъема мелющих тел и измельчаемого материала по стенкам мельницы
Введение к работе
Актуальность работы. Процессы измельчения широко используются во многих отраслях промышленности, в том числе и химической. В настоящее время сложились основные тенденции в развитии помольного оборудования. В зависимости от скорости движения рабочих органов все мельницы можно разделить на тихоходные, средне- и быстроходные. Основным помольным агрегатом на отечественных предприятиях до сих пор остается барабанная шаровая мельница, являющаяся с точки зрения механики тихоходной машиной. Это металлоемкий агрегат с высокими энергозатратами на проведение процесса помола.
Анализ современного состояния технологии и техники дезинтеграции показывает, что указанные недостатки преодолимы при использовании в производстве средне- и быстроходных измельчителей. Они отличаются более высокими скоростями движения рабочих органов, а, соответственно, и измельчаемого материала. При этом возникают инерционные силы, существенно превышающие гравитационную и становящиеся основным силовым фактором разрушения материалов. В таких агрегатах значительно повышается интенсивность процесса диспергирования и требуемая производительность может быть достигнута при уменьшении рабочего объема. А это в свою очередь приводит к снижению металло- и энергоемкости измельчающих машин. Подобный эффект может быть достигнут и при использовании диспергаторов, принцип действия которых основан на разрушающих физических эффектах.
Существенный вклад в развитие теории дезинтеграции внесли отечественные специалисты Ребиндер П.А., Ходаков Г.С., Ревнивцев В.И. Конструктивным совершенствованием, разработкой методик расчета, в том числе и быстроходных измельчающих агрегатов, успешно занимались и занимаются Сиденко П.М., Андреев С.Е., Хинт Н.А., Блиничев В.Н., Богданов В.С. и другие. Коллективами под их руководством выполнен значительный объем научных исследований по проблемам измельчения материалов. Однако эти исследования носят в основном разрозненный характер, направлены на решение отдельных специфических задач для конкретных технологических процессов. Отсутствуют научно обоснованные предложения по выбору рационального способа воздействия на материал для получения продукта требуемой дисперсности с минимальными энергозатратами. Нет общего подхода к определению значения силовых факторов в измельчителях различных типов и оценке влияния инерционных сил на их величину, что особенно важно для средне- и быстроходных машин. Не установлено связи между интенсивностью воздействия рабочих органов на разрушаемый материал и эффективностью самого процесса разрушения.
Поэтому комплексные исследования среднеходных и быстроходных мельниц, поиск общих закономерностей процессов, реализуемых в них, общих подходов к расчету таких агрегатов с обязательным учетом энергетики и эффективности измельчения представляется весьма актуальной задачей.
Работа базируется на обобщении результатов личных исследований автора, полученных при выполнении ряда госбюджетных и хоздоговорных тем кафедры машин и аппаратов химических и силикатных производств: Государственной программы ориентированных фундаментальных исследований (ГПОФИ) «Строительство и архитектура», утвержденной постановлением Совета Министров Республики Беларусь, от 17.05.2005г. №512 задание 29 «Разработка теоретических основ процесса диспергирования материалов в агрегатах раздавливающего типа с проточной классификацией и создание на их основе энергоэффективных помольных установок» (ГБ 26-103, № гос. регистрации 20064128, 20062010 гг.); по темам, включенным в план НИР БГТУ: ГБ 98-018 «Исследование процесса разрушения твердых материалов в жидкой среде под воздействием кавитации» (№ гос. регистрации 19981012, 19981999 гг.); ГБ 20-029 «Исследование, моделирование и оптимизация процессов диспергирования и механической активации твердых материалов» (№ гос. регистрации 2000940, 2000-2001 гг.); по прямым заказам предприятий на хоздоговорной основе: ХД 24-066, 2004 г. и ХД 27-167, 2007 г.
Целью исследований является развитие научных основ совершенствования процессов измельчения и оптимизации измельчающих агрегатов в направлении повышения их эффективности и снижения удельных энергозатрат.
Для достижения поставленной цели необходимо:
провести анализ теорий разрушения и дезинтеграции материалов и на его основе определить направления совершенствования измельчающих агрегатов и выбрать в качестве объектов исследования наиболее перспективные из них, обеспечивающие возможность значительного повышения эффективности; установить общий критерий оценки воздействия рабочего органа на разрушаемый материал;
составить математические модели движения материальных потоков и рабочих органов измельчающих машин и с их использованием установить оптимальные конструктивные и технологические параметры этих машин; разработать методы и алгоритмы расчета оптимальных параметров;
провести экспериментальные исследования измельчителей для определения направлений их рационального использования, проверки адекватности математических моделей, оптимизации параметров, не подлежащих математическому описанию;
на основе разработанных методов и алгоритмов провести расчет и спроектировать измельчающие агрегаты с оптимальными конструктивными и технологическими параметрами; осуществить опытно-промышленные испытания и внедрение в производство оптимизированных агрегатов.
Объектом исследования в работе выбраны среднеходные и быстроходные измельчающие агрегаты и диспергатор кавитационного типа, объединенные одним характерным признаком значительным влиянием инерционным сил на процесс измельчения материала.
Предметом исследования является движение рабочих органов машин, измельчаемого материала и несущей среды (воздуха, воды); процессы измельчения и классификации, эффективность и энергетика процессов; оптимизация процесса и параметров измельчающих машин.
Научная новизна.
-
Разработана новая обобщенная методология исследований и оптимизации параметров высокоскоростных измельчающих агрегатов, основанная на изучении движения рабочих органов, несущей среды, измельчаемого материала и учете влияния инерционных сил на процесс его разрушения.
-
Предложено математическое описание и алгоритм расчета траектории движения материала в зоне измельчения среднеходных мельниц тарельчатого типа с учетом активных и инерционных сил, позволяющий определить оптимальную скорость вращения тарелки из условия гарантированного попадания материала под размольные органы, обеспечивающую повышение эффективности процесса измельчения.
-
Разработана модель разрушения материала между валком и тарелкой, учитывающая изменение степени измельчения и удельной поверхности при однократном воздействии, позволяющая рассчитать работу разрушения с учетом физических свойств материала и в совокупности с экспериментально определенными затратами на выгрузку готового продукта определить и оптимизировать общие энергозатраты на процесс измельчения в среднеходных мельницах.
-
Составлена модель и математическое описание помола в замкнутом цикле для мельниц непрерывного действия в виде функций нескольких переменных, включающих такие важные параметры, как производительность, степень измельчения, кратность циркуляции, дисперсность продукта, позволяющая с использованием метода нелинейного программирования установить оптимальные значения указанных параметров.
-
Предложен метод определения коэффициента загрузки ударных мельниц, основанный на решении уравнений движения частиц исходного продукта в загрузочном устройстве и в пространстве перед ударными элементами, позволяющий рассчитать максимально возможную производительность в зависимости от размеров мельницы и загружаемого в нее продукта.
-
Предложена физическая модель перемещения элементов загрузки, методика определения наиболее рациональной высоты размольной камеры центробежно-шаровой мельницы, базирующаяся на решении дифференциальных уравнений движения мелющих тел и частиц измельчаемого материала с учетом их взаимодействия; методика определения высоты размольного барабана вертикальной планетарной мельницы, основанная на анализе движения измельчающих тел и загрузки, имитированной в виде сплошной среды.
-
Разработан комплекс теоретических методов по определению границ режимов движения, условий отрыва, высоты падения мелющих тел, границ характерных зон загрузки в горизонтальных планетарных мельницах, с учетом взаимодействия между телами и цикличности изменения инерционных сил, позволяющих при их реализации устанавливать и поддерживать оптимальные режимы, давать оценку влияния ударного, раздавливающего и истирающего воздействий на процесс разрушения материала, оценивать степень влияния механики движения загрузки и инерционных сил на эффективность помола.
-
Предложена методика и алгоритм расчета параметров каверны и длины свободного пробега кавитационных пузырьков, базирующаяся соответственно на теореме об изменении кинетической энергии потока и уравнении динамики сферической каверны, позволившие определить оптимальные размеры гидродинамических кавитационных диспергаторов, гарантирующие предотвращение их эрозионного разрушения и обеспечивающие максимальное разрушающее воздействие на измельчаемый материал.
Практическая значимость работы. Предложен общий для всех объектов исследования инерционный фактор, позволяющий оценить влияние инерционных сил, а соответственно, и скоростного режима на дисперсность продукта. Научно обосновано создание новых более эффективных конструкций измельчителей, защищенных патентами Республики Беларусь. Разработан комплекс методов и алгоритмов расчета оптимальных конструктивных и технологических параметров средне- и быстроходных измельчителей и диспергаторов кавитационного типа. Все методы апробированы при проектировании промышленных агрегатов, девять из которых внедрены в производство, два прошли промышленные испытания и ещё по двум разработаны технические проекты, переданные заказчику.
Апробация работы. Наиболее значимые результаты диссертационной работы, отражающие ее сущность, докладывались на следующих Международных научно-технических конференциях: «Высокие технологии и научно-технический прогресс в строительном комплексе Республики Беларусь» (г. Минск, 1999г.), «Интерстроймех-2002» (г. Могилев, 2002г.), «Новые технологии в химической промышленности» (г. Минск, 2002г.), «Архитектурно-строительное материаловедение на рубеже веков (г. Белгород, 2002г.), «Новейшие достижения в области импортозамещения в химической промышленности и производстве строительных материалов» (г. Минск, 2003г.), «Центробежная техника – высокие технологии» (г. Минск, 2003г.), «Новые технологии рециклинга отходов производства и потребления» (г. Минск, 2004г), «Центробежная техника – высокие технологии» (г. Минск, 2005г.), «Наука та технологіі: крок в майбутне» (г. Днепропетровск, 2007г.), «Научни дни-2008» (г. София, 2008г.), «Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии» (г. Минск, 2008г.); “Moderni vymozenosti vedi - 2009” (Praha, 2008г.), “Настоящи изследвания - 2009” (София, 2008г.), “Perspektywiczne opracowania sa nauka i technikami - 2009” (Przemysl, 2009г.), “Новейшие достижения в области импортозамещения в химической промышленности и производстве строительных материалов” (Минск, 2009г.), “Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии” (Минск, 2010 г.), 13 научно-технических конференциях БГТУ (1998-2010гг.).
Опубликованность результатов диссертации. По теме диссертации опубликованы 73 работы, в том числе 1 монография, 44 статьи (аннотированных ВАК России – 15, ВАК Беларуси – 14), материалы и тезисы 21 конференции, 7 описаний изобретений к патентам Республики Беларусь. Без соавторства опубликована 1 монография, 3 статьи, материалы 2 конференций.
Структура и объем работы. Диссертация (344 с) включает перечень условных обозначений, общую характеристику работы, основную часть, изложенную в 7 главах, заключение и библиографический список (27 с), состоящий из 275 использованных источников и 73 собственных публикаций соискателя. Приложение (32 с) содержит документы, подтверждающие практическое применение результатов исследований. Результаты исследований изложены на 198 с печатного текста и представлены на 144 иллюстрациях (130 с) и в 2 таблицах (2 с).
Оптимизация процессов диспергирования на основе анализа и практических выводов теории разрушения
Исследователи, занимающиеся теорией диспергирования, определили основные составляющие общих энергозатрат на проведение процесса, которые включают затраты на упругую и пластическую деформацию, на образование новой поверхности, затраты на внутреннее и внешнее трение частиц и затраты на придание продуктам дробления кинематической энергии. Наиболее полно и детально изучен этот вопрос в работах Ребиндера [30, 54, 55] и Ходакова [5, 31, 57]. Ими составлены уравнения кинетики диспергирования с наиболее полным учетом всех составляющих общих энергозатрат. И хотя количественно рассчитать энергозатраты по предложенным моделям затруднительно, но дать их качественную оценку вполне возможно. Главное, что руководствуясь методикой вышеназванных специалистов, можно наметить пути снижения энергозатрат по каждой составляющей.
Следует отметить, что в процессе разрушения материалов имеют место определенные стадии, без которых он не может осуществиться. К таким стадиям относятся упругая деформация PI пластическая деформация, предшествующая разрушению. На этих стадиях процесс можно только оптимизировать. Но вместе с тем из уравнений (1.60) (1.63) видно, что некоторые стадии и связанные с ними энергозатраты вообще бесполезны и от них, по возможности, надо избавляться. Таковыми являются пластическая деформация после достижения частицами минимального критического размера, трение между частицами. Естественно, что придание осколкам: разрушения излишней кинетической энергии также бессмысленно.
Детальный анализ путей снижения энергозатрат на каждой из стадий провел Ревнивцев [3]. Им указано, что на стадии упругой деформации главное избегать избыточной упругой деформации, накапливаемой в процессе нагружения и диссипирующей затем в тепло. Особенно это актуально для разрушения крупных кусков, когда преобладает упругая деформация. В идеале, особенно на предварительных стадиях, следует нагружать не весь кусок, а создавать локальные высокоградпентные нагрузки в наиболее слабых местах, чтобы разрушить межкристаллические связи. По мнению Ревнивцева, технически это можно осуществить методом резания или вибрационного воздействия, а также при разрушении с использованием нетрадиционных методов, основанных на некоторых физических эффектах. Но в реальных производственных условиях такие способы воздействия не могут быть высокопроизводительными. В этом плане более перспективным следует считать многоцикловое сжимающее воздействие с небольшой деформацией [44] или ударное воздействие. Эксперименты по ударному селективному разрушению калийных руд [73—75] подтвердили это предположение.
Основной путь снижения затрат на пластическую деформацию при разрушении минералов состоит в подборе оптимального соотношения между прилагаемой нагрузкой, скоростью деформирования и продолжительностью нагружения [3]. При высоких скоростях деформирования уменьшается инкубационный период создания микротрещин и значение предшествующей их образованию пластической деформации.
Таким образом, снижение затрат на упругую и пластическую деформацию возможно только на основе детального изучения процесса, выбора рационального способа воздействия и оптимизации нагружения.
Как указывалось ранее [5], значительная часть энергии затрачивается на преодоление трения между частицами в зоне разрушения. На основе теоретического анализа определена доля энергии, затрачиваемой на трение. Одновременно проводились экспериментальные исследования по учету влияния трения между частицами на общие энергозатраты процесса диспергирования. Такие эксперименты начаты Кэри и продолжены Стайрмандом [76]. Причем исследования проводились в обратной постановке: в идеализированных условиях при полном отсутствии треїшя между частицами. Практически это осуществлялось таким образом, что между плитами пресса укладывался слой частиц определенного размера без взаимного контакта. В процессе раздавливания этого монослоя определялась удельная энергоемкость разрушения. Такой метод разрушения получил название «свободное дробление». Далее, используя метод «свободного дробления», Стайрманд проанализировал процесс измельчения в ряде промышленных агрегатов с разным типом воздействия и пришел к выводу, что наиболее энергоэффективными являются агрегаты, приближающиеся по типу воздействия к «свободному дроблению». В этом случае взаимодействие между частицами и потери энергии на трение сведены до минимума. Одной из причин увеличения взаимных контактов и трения между частицами является накопление мелких частиц в зоне разрушения, на что обращалось внимание в работах [3, 5]. Причем пока частицы не достигли минимального критического размера, энергия затрачивается только на трение. При увеличении в зоне разрушения доли частиц с размером меньше критического значительная часть энергии расходуется на их пластическую деформацию, которая с точки зрения диспергирования бесполезна и не приводит к увеличению удельной поверхности. Опыты Шонерта [77, 78] по измельчению частиц разных размеров имели более практическую направленность и подтвердили теоретические предположения. Им установлено, что по мере накопления в ходе измельчения мелкой фракции растет число контактов между частицами и при общей прежней нагрузке уменьшаются контактные силы до пределов ниже разрушающих нагрузок для крупных частиц, увеличивается диссипация энергии. Подводя итог, можно сделать вывод, что для снижения затрат энергии на трение и на пластическую деформацию после достижения минимального критического размера частиц необходимо выполнение двух условий: измельчающий агрегат должен работать в условиях, приближенных к «свободному дроблепгао»; мелкая фракция должна немедленно удаляться из зоны измельчения. Этому требованию в большей степени отвечают валковые измельчители раздавливающего типа, особенно с пневматической выгрузкой.
Анализ направлений снижения энергозатрат при диспергировании оставляет два основных способа воздействия на материал: удар и раздавливание в условиях «свободного дробления» и напрочь исключает истирание, которое превалирует в некоторых измельчающих агрегатах, например барабанных мельницах. На взгляд автора, не стоит быть столь категоричным. Такой способ воздействия, как истирание, может использоваться на стадии механической активации и для получения наночастиц, о чем свидетельствуют многочисленные исследования последних лет [79-82].
Возвращаясь непосредственно к процессу диспергирования, интересно оценить и сравнить два приоритетных способа воздействия: удар и раздавливание. Сведения по этому поводу довольно противоречивы, каждый исследователь отстаивает свою точку зрения. Основания для этого у приверженцев каждого способа имеются, они отмечены выше в виде преимущественного способа воздействия на отдельных стадиях разрушения, приводящего к снижению энергозатрат.
Наиболее категоричными следует считать данные исследовании Румпфа [83]. Он сравнивал энергозатраты при измельчении цементного клинкера методом «индивидуального зерна», близким к методу «свободного дробления», и свободным ударом. В результате расход энергии на разрушение частиц до поверхности 0,3 м 7г при раздавливании получился в пределах 2,5—5,8 кВт ч/т, а при ударе на порядок выше - 23—53 кВт ч/т, что сравнимо с шаровой мельницей (32 кВт ч/т). Менее категоричные данные приведены в монографии Ходакова [5, с. 142] со ссылкой на исследования зарубежных авторов (рисунок 1.9).
Моделирование движения материальных потоков в зоне измельчения
В последнее время в зарубежной практике четко обозначилась тенденция применения в крупнотоннажных производствах валково-тарельчатых (среднеходных) мельниц [84, 115-120]. Они получили такое название по той причине, что частота вращения основных размольных элементов является промежуточной между тихоходными и быстроходными мельницами. Она, как правило, изменяется в пределах 25-120 об/мин, линейная скорость при этом составляет 2-10 м/с. Среднеходные мельницы успешно используются для помола таких материалов, как уголь, клинкер, сухая глина, мел, каолин, известь, гипс, графит и т. д. Размол материала в них происходит прерімущественно за счет раздавливания и дополнительно за счет истирания между столом и валками или шарами, прижимаемыми друг к другу усилием пружин или гидравлических устройств.
Эти мельницы начали активно внедряться в производство в 80-х годах минувшего столетия. Особенно широкое использование они получили в такой крупнотоннажной технологии, как производство цемента. Два десятка лет для измельчительного оборудования совсем небольшой срок. Поэтому идет постоянное совершенствование валковых мельниц, о чем свидетельствует несколько докладов на последнем Международном цементном форуме [118].
Интерес к мельницам подобного типа проявляли и в России, причем с перспективами использования для помола углей [121-123] и в цементной промышленности [124, 125]. Использование углей в качестве топлива для России стало неактуальным, а исследования по помолу клинкера были прекращены и не доведены до промышленной реализации по причине изменения социально-экономических условий. И только в последние годы ученые и производственники снова обратили внимание на эти измельчающие агрегаты [126-128].
Характерными достоинствами валково-тарельчатых мельниц являются сравнительно малые габариты установок, простота монтажа, высокая приспособленность к автоматизации, низкий уровень шума. Они характеризуются более низкими удельными энергозатратами, малым износом размольных элементов, занимают меньше места на единицу мощности и требуют значительно меньших капиталовложений. Возможность гибкого регулирования режимов работы с малой инерционностью при изменении производительности, т. е. высокая маневренность, также является важным преимуществом среднеходных мельниц. Эти машины работают в замкнутом цикле с воздушным сепаратором, легко перестраиваются на требуемую тонкость помола и часто используются в качестве помольно-сушильных комплексов с пневмотранспортом готового продукта. В настоящее время за рубежом выпускаются валково-тарельчатые мельницы производительностью до 500 т/ч.
Мельница состоит из корпуса, размольного стола (тарелки), размольных валков, устройства прижатия (пружинный блок или гидроцилиндр), привода сепаратора. Крестообразный рычаг, в который вмонтирован валок, имеет ось качания, расположенную снаружи корпуса на уровне размольной поверхности стола. Ось вращения валка имеет небольшой наклон по отношению к горизонтали (около 15). Поверхность стола покрыта броневыми плитами из износостойкого материала. Над размольными валками устанавливается воздушный сепаратор. Материал подается в центр тарелки (размольного стола) и под .действием инерционных сил, возникающих при ее вращении, движется к периферии, где установлены размольные валки, которые измельчают материал., Далее измельченный материал попадает в кольцевой зазор, образованный краем тарелки и корпусом мельницы, и потоком газа, подаваемого снизу, уносится из зоны помола в сепаратор, где происходит его классификация на готовый продукт и- крупный;, который возвращается на домол. Готовый продукт выносится воздушным- потоком через патрубок сепаратора в систему
Давление на= размольные органы крупных мельниц передается с помощью гидропневматической системы нажатия. В отличие от пружинной эта система позволяет изменять по ходу помола заданное начальное давление валка на.слой, а также благодаря подключению демпфирующих газовых емкостей различного объема крутизну динамической характеристики; связывающей давление валка с его отклонением. В результате оказывается возможным избавиться от вибраций мельницы, вызванных попаданием крупных кусков.,
Конструктивное исполнение среднеходных мельниц весьма.разно образно. Условно можно выделить следующие основные типы: валковые, роликовые, шарово-кольцевые. Эти мельницы одинаковы . по принципу действия и отличаются друг от друга числом и формой размольных органов, типом прижимного устройства. По: конфигурации тарелки мельницы могут быть с крутонаклонной (рисунок 2.2, а), слабонаклонной (рисунок 2.2, б, е), горизонтальной тарелкой (рисунок 2.2, е, г, д, э/с). ; Наряду с большим числом конструкционных схем и технических решений по их усовершенствованию количество научных публикаций по исследованию среднеходных мельниц и их параметров незначительно.
Причины, ограниченности публикации в российских периодических изданиях обоснованы выше, а зарубежные фирмы вообще не публикуют результаты исследований, поскольку они представляют коммерческую тайну. Печатаются только сведения рекламного характера. Вместе с тем анализ доступных источников информации (патентных и научно-технических) выявил ряд проблемных узлов в среднеходных мельницах. Одним из них является кольцевой зазор между корпусом и вращающейся тарелкой. Из-за неравномерности распределения воздуха в зазоре возможен провал материала под тарелку, что приводит к нарушению работы мельницы в целом. Подтверждением этого факта является наличие большого числа патентов по устройствам для выгрузки и транспортировки материала из подтарельчатого пространства, а также по установке в кольцевом зазоре, дополнительных лопастей, сопел, снижающих возможность провала. Однако все это усложняет конструкцию мельницы, а перекрытие зазора может привести к его забивке и, как следствие, к увеличению гидравлического сопротивления.
Диспергирование и механическая активация в агрегатах дезинтергаторного типа
Перспективы использования ударного способа воздействия для разрушения материалов рассмотрены в первой главе. Именно в четырех указанных направлениях и развивается ударная измельчительная техника. В общем случае в измельчителях, которые относят к машинам ударного воздействия, обязательно наличие вращающегося ротора. Но роторы и в конструктивном исполнении и по своему назначению бывают совершенно разными. По конструкции ротора ударные измельчители можно разделить на бильные однорядные, бильные многорядные и центробежные (рисунок 3.5).
К бильным однорядным относятся роторные и молотковые дробилки и мельницы. Ударные элементы (била, молотки) этих измельчителей установлены по окружности горизонтального ротора в один ряд. Разрушение материала происходит за счет воздействия ударного элемента и дополнительного удара о преграду: отбойную плиту, стенки корпуса, футерованные износоустойчивыми плитами. Удаление готового продукта осуществляется механическим способом у дробилок или с помощью воздушного потока у мельниц, которые обычно работают в замкнутом цикле с классификатором. Эти измельчители широко используются для мелкого дробления и грубого помола материалов средней прочности, когда разрушаются непрочные межкристаллические связи.
Исследованию и созданию методик расчета таких измельчителей посвящен ряд монографий [50, 150, 152, 153].
Принципиально другие функции выполняет ротор в мельницах ударно-центробежного или роторно-центробежного типа. Здесь основная функция вращающегося ротора - это разгон частиц до определенной скорости, превышающей скорость разрушения. Разогнавшиеся до такой скорости частицы затем ударяются о преграду: ребра, стержни, пластины. Конструкционно ротор представляет собой диск с укрепленными на нем прямыми или изогнутыми лопастями. Подача исходного материала осуществляется в центр диска. Ротор указанной конструкции не только разгоняет частицы, но и создает довольно интенсивный воздушный поток. Таким образом, в этих мельницах легко можно организовать пневматическую выгрузку и замкну і ый цикл работы.
Приоритет в разработке и доведении до промышленного использования таких измельчителей в нашей стране принадлежит НПО «Центр» [154, 155]. Роторно-центробежные измельчители конструкции НПО «Центр» нашли применение в качестве дробилок и мельниц преимущественно в процессе обогащения руд. Их использование позволяет повысить селективность раскрытия минеральных зерен и извлечение полезных компонентов в концентрат.
Большой вклад в развитие этого направления внес коллектив под руководством Левданского Э.И. [156-159]. Причем в плане практической реализации работы этого коллектива направлены как на селективное измельчение материалов [160-162], так и на измельчение материалов органического происхождения, в частности зерна [163—164]. Значительная работа проведена коллективом и по моделированию процессов, происходящих в ударно-центробежных мельницах, а также-созданию-методик их расчета [139, 165, 166].
Повышенный, интерес к ударно-центробежным мельницам проявляется и за;пределами нашей страны. Причем этот интерес довольно разноплановый. Предлагаются: новые конструкции ударно-центробежных мельниц [167] и рассматриваются; вопросы =, их моделирования, связанные с определением скорости движения измельчаемых частиц вдоль лопастей ротора [168], и дисперсного состава, готового продукта [169]. Направление практического применения таких мельниц также; разнообразно. Предлагается их использование для помола клинкера [170] и зерна [171].
Анализ работ по ударно-центробежным мельницам еще раз подтвердил, что они используются преимущественно в виде компактных агрегатов небольшой единичной мощности для предварительного селективного измельчения, а также для измельчения малообразивных минералов и материалов органического происхождения. Кроме того, вероятность многократного воздействия, необходимость которого указывалась в работах [36-38], в центробежных, а ровно с ними и в бильных однорядных мельницах, крайне мала. Для реализации такого воздействия необходима организация замкнутого цикла работы мельниц. С этой точки зрения неоспоримым преимуществом обладают бильные многорядные мельницы ударного действия.
Многорядные бильные мельницы можно разделить на две группы. К первой относятся молотковые мельницы с вертикальным ротором. Измельчаемый материал в них подается сверху и, проходя через несколько рядов молотков, испытывает многократное ударное. воздействие. Такие мельницы используются для обогащения асбестосодержащих руд. [172] и измельчения торфа перед брикетированием [173]. К этой же группе можно отнести и измельчители роторного типа с гибкими ударными элементами в виде втулочно-роликовых цепей [174, 175]. Вторую группу составляют измельчители с концентрически расположенными в несколько рядов по окружности ротора ударными элементами,, выполненными в виде пальцев различной формы, пластин. Эти измельчители-носят название дезинтеграторы или дисмембраторы. Исходный материал обычно подается в центральную часть и после многократного ударного воздействия измельченный продукт выводится через периферийное разгрузочное устройство: Именно за счет такого конструкционного исполнения обеспечивается максимальная возможность многократного ударного воздействия за один проход материала через зону измельчения. Поэтому дезинтеграторы и дисмембраторы кроме тех же областей использования, что и однорядные бильные и центробежные мельницы, широко применяются в процессах механической активации минералов как высокоэнерго-напряженные агрегаты [9, с. 56]. Если в дезинтеграторах вместо какого-то одного ряда пальцев установить профилированные лопасти, то внутри образуется интенсивно циркулирующий воздушный поток, который способствует дополнительному разгону частиц, их выносу из зоны измельчения и обеспечивает благоприятные условия классификации измельченного материала. Таким образом, к указанным преимуществам машин дезинтеграторного типа добавляются еще положительные факторы ударно-центробежных мельниц. Все сказанное выше предопределило наш выбор в качестве объекта исследований измельчителя дезинтеграторного типа, а именно дисмембратора.
Определение высоты подъема мелющих тел и измельчаемого материала по стенкам мельницы
В предыдущих разделах приведены убедительные доказательства и очерченыперспективы использования для разрушения материалов таких способов воздействия,, как раздавливание4и удар; Однако там же показано, что: применение этих способов; для сверхтонкого коллоидного помола может оказаться экономически невыгодным из-за резкого увеличения удельных энергозатрат. Анализ - современных тенденций развития; технологий , диспергирования, материалов, и оборудования для их реализации свидетельствует о том, что получение частиц, близких к критическому размеру, невозможно без истирающего воздействия. Конечно, и это доказано ранее теоретически и экспериментально, истирание - более затратный способ измельчения. Особенно это проявляется при грубом и тонком помоле. Значительная часть энергии уходит на трение между частицами, превращаясь в тепловую. Однако при сверхтонком помоле приходиться идти на повышение энергозатрат.. Сопоставляя.эффект и удельные энергозатраты, можно- констатировать факт, что без использования истирания в. этом случае не обойтись. Эти рассуждения подтверждаются практикой. Например, даже в традиционных крупнотоннажных технологиях, таких как производство цемента, на стадиях окончательного помола продолжают использоваться барабанные шаровые мельницы, в которых реализуется комплексное воздействие: удар и истирание. Положительным моментом в работе этих агрегатов, является возможность использования их для сухого, и мокрого помола. Измельчение в присутствии; жидкости при всех его недостатках дает возможность избежать образования агломератов, что особенно важно при сверхтонком коллоидном помоле.
То, что барабанные шаровые мельницы не исчерпали себя как помольный агрегат, подтверждается многочисленными исследованиями и публикациями на эту тему [193—200]. Вместе с тем анализ этих публикаций показывает, что сложилось два новых направления в развитии шаровых мельниц и использовании шаров как измельчающих тел.
Первое из них направлено на создание и исследование шаровых мельниц с мешалками [200-203], которые, широко применяются в лакокрасочной и других отраслях промышленности для измельчения частиц до микронных размеров и даже, менее 1 мкм. В качестве измельчающих тел используются стеклянные, корундовые шарики диаметром 1—3 мм. В нашей практике такие мельницы называются бисерными. Приводятся сведения о создании крупногабаритных шаровых мельниц с мешалками [204] производительностью до 20 т/ч. При этом удельные энергозатраты достигают до 80 кВт-ч/т, что еще раз подтверждает прописную истину о неизбежной плате за достигнутый результат в виде увеличения тонины помола.
Совершенствование шаровых мельниц с мешалками дало возможность получать в них наночастицы. Предлагаемая в работе [205] мельница снабжена горизонтальной мешалкой. При этом используются шары из керамики, стекла, стали, карбида вольфрама размером 100 мкм и 500 мкм. Помол осуществляется мокрым способом с соотношением жидкой и твердой фаз 1:1. Размер исходного продукта составляет 1—20 мкм, а конечного - 40—200 им. В работе [206] приводятся сведения о шаровой мельнице японской фирмы «Kotobukl Industres Co.», в которой используются шарики диаметром всего 15-50 мкм для разрушения агломератов наночастиц и нанокристаллов. Шарики занимают 60-80% свободного объема. В мельнице получают стабильные нанодисперсии с размером частиц 5—10 нм.
Из этого краткого анализа видно, что повышение эффективности диспергирования в мельницах с мешалками достигается в основном за счет уменьшения размера размольных шариков. Сама мельница как механическая система не претерпевает больших изменений, незначительно меняется и характер движения загрузки. Поэтому данный тип мельниц и технология диспергирования в ннх не соответствуют профилю работы автора, направленной на интенсификацию процесса за счет воздействия инерционных сил. Изучение мельниц с мешалками и сверхтонкого помола, реализуемого в них, может стать предметом отдельного исследования.
В противоположность этому второе направление, связанное с разработкой центробежно-шаровых мельниц, полностью совпадает с тематикой нашей работы. Принцип, положенный в основу этих агрегатов, заключается в изменении траектории движения мелющих тел, повышении скорости их движения. Традиционные тихоходные шаровые мельницы при этом превращаются в быстроходные. В центробежно-шаровых мельницах реалипзуется комплексное воздействие на материал, включающее раздавливание, удар и истирание. Причем за счет высоких скоростей и возрастающего влияния инерционных сил все эти эффекты многократно увеличиваются. Изменение характера воздействия повлекло за собой координальыую трансформацию конструктивного исполнения. Размольная камера стала вертикальной (с вертикальной осью вращения) [207-209]. На рисунке 4.1 представлена конструкция центробежно-шаровой мельницы.
Мельница работает следующим образом. При вращении чаши 2 находящиеся в ней шары 7 и материал отбрасываются центробежными силами к размольному кольцу 3, ударяются о него и возвращаются обратно, описывая замкнутые кривые. Материал разрушается главным образом на размольном кольце и частично в чаше при обратном падении шаров. Измельченный материал удаляется из мельницы воздушным потоком. Воздух поступает в зону измельчения, подхватывает частицы материала и через отбойную решетку 4 и роторный сепаратор 5 попадает в пылеуловители.
О том, что интерес к центробежно-шаровым мельницам велик, свидетельствуют публикации последних лет [210-212]. Причем в работе [212] указывается, что при диаметре шаров до 0,1 мм мельница используется для мокрого измельчения различных материалов до конечной крупности частиц 0,1 мкм, т. е. для получения паночастиц. Широкое использование ценробежно-шаровых мельниц сдерживается малой изученностью процесса измельчения и отсутствием надежных методов расчета. Важнейшими расчетными параметрами являются высота подъема мелющих тел и измельчаемого материала по стенкам мельницы. Естественно предположить, что высоты эти будут разными. Измельчающие шары преимущественно перекатываются по стенкам и поэтому имеют возможность подняться значительно выше материала, скользящего по поверхности. По подъему материала можно определить минимальную высоту стенки ротора, по подъему шаров - максимальную. Но от высоты подъема шаров еще зависит и энергия ударного воздействия при их падении. Важность определения указанных параметров предопределила направленность дальнейших исследований.
Имея опыт по моделированию движения частиц в среднеходиых и быстроходных ударных мельницах, автор пришел к выводу, что аналогичный подход можно применить и при анализе движения шаров и измельчаемых частиц в центробежно-шаровых мельницах. Как видно из конструктивной схемы, ротор центробежно-шаровой мельницы (рисунок 4.1) можно представить в виде цилипдроконической обечайки с плоским днищем. Используем позонный метод анализа движения твердых частиц на отдельных участках мельницы: плоском диске, конусе, цилиндре.
