Содержание к диссертации
Введение
1 .Состояние вопроса и задачи исследовний 10
1.1. Оборудование для измельчения материалов цементного производства 10
1.2.Анализ применения шаровых барабанных мельниц и пути их совершенствования 14
1.3.Существующие теории, описывающие процессы измельчения материалов в шаровой барабанной мельнице 19
1.4.Аналитическое описание процесса внутримельничной классификации материала 31
1.5.Анализ теорий в области механики разрушения зернистых материалов и их применение для расчета шаровых барабанных мельниц 36
І.б.Разработка конструкции шаровой барабанной мельницы с энергообменным внутримельничным классифицирующим устройством 39
1.7.Цель и задачи исследований 42
Выводы : 43
2. Теоретические основы расчёта основных процессов, протекающих в шаровой барабанной мельнице 45
2.1 .Разрушение частицы материала 45
2.1.1.Разработка математического описания процесса разрушения частицы материала 45
2.1.1.1 .Разрушение частицы материала при контакте с мелющим телом 46 2.1.1.2.Взаимодействие двух частиц материала с возможным разрушением одной из них 61
2.1.1.3. Процесс разрушения частицы материала о внутримельничные устройства 63
2.2.Математическое описание процесса классификации материала 67
2.2.1.Классификация частиц материала на плоской просеивающей поверхности с отверстиями прямоугольной или эллипсной формы 69
2.2.2.Классификация частиц материала на просеивающих поверхностях колосникового типа 74
Выводы 78
3. Методики экспериментальных исследований и измерений, характеристика оборудования и измельчаемых материалов 79
3.1.Характеристики стендовых установок и средств контроля измерений. 79
3.2.Планы, программы и методики проведения экспериментов 86
3.2.1.План и программа исследований процесса разрушения частиц материала 87
3.2.1.1.Определение количества повторных опытов 89
3.2.1.2.Методика проведения экспериментов по разрушению меловой, известняковой и клинкерной частиц материала 91
3.2.2.План и программа экспериментальных исследований процесса измельчения клинкера в мельнице DxL = 0,5x1,5 м и предизмельчителе DxL = 0,6x0,8 м, оснащенным ЭВКУ 92
3.2.2.1 .Определение количества повторных опытов 92
3.2.2.2.Характеристика гранулометрического состава клинкера и ассортимента мелющих тел 99
3.2.3.Методика проведения компьютерных численных экспериментов совмещенных процессов движения мелющих тел, измельчения и классификации материала в шаровой барабанной мельнице 101
3.2.3.1.Принимаемые допущения 104
3.2.3.2. Реализация алгоритма процедуры численных расчетов 105
3.2.4.Методика измерения потребляемой мощности и описание измерительного программного комплекса 111
Выводы 113
4.Анализ и применение результатов экспериментальных исследований 114
4.1 .Разрушение существенно анизотропных частиц материала на примере цементного клинкера 114
4.2.Подтверждение адекватности математического описания процесса разрушения несущественно анизотропных частиц материала при ударе о массивную стальную плиту 123
4.3.Исследование влияния конструктивно-технологических параметров мельницы DxL=0,5xl,5 м на показатели её работы при измельчении клинкера 124
4.3.1.Проверка адекватности результатов численных экспериментов 125
4.3.2.Определение рациональных параметров камеры грубого помола 126
4.3.3.Определение рациональных параметров камеры тонкого помола 133
4.3.4,Определение соотношения длин камер мельницы DxL=0,5x2,5 м. 141
4.4.Исследование влияния конструктивно-технологических параметров шаровой барабанной мельницы с полезным диаметром камеры 0,6 м на показатели её работы при грубом помоле клинкера 146
4.4.1 .Проверка адекватности результатов численных экспериментов 146
4.4.2,Определение основных конструктивно-технологических параметров шаровой барабанной мельницы при её оснащении ЭВКУ 148
4.5.Сравнение результатов работы шаровых барабанных мельниц технологических систем двухстадийного открытого цикла измельчения цементного клинкера 156
4.6.Применение энергообменных внутримельничных классифицирующих устройств в однокамерной шаровой барабанной мельнице грубого помола при измельчении известняка 160
4.7. Инженерная методика расчета основных конструктивно-технологических параметров шаровых барабанных мельниц технологической системы двухстадийного открытого цикла измельчения материала и рекомендации для промышленного применения результатов 161
Выводы 167
Основные выводы и результаты работы 170
Литература 173
Приложения 188
- Оборудование для измельчения материалов цементного производства
- Процесс разрушения частицы материала о внутримельничные устройства
- Реализация алгоритма процедуры численных расчетов
- Инженерная методика расчета основных конструктивно-технологических параметров шаровых барабанных мельниц технологической системы двухстадийного открытого цикла измельчения материала и рекомендации для промышленного применения результатов
Введение к работе
Актуальность работы. При производстве цемента на долю тонкого измельчения приходится до 50% всей затрачиваемой электроэнергии. Традиционным агрегатом для тонкого измельчения в России является шаровая барабанная мельница (ТТТБМ) среди недостатков которой выделяется повышенный удельный расход электроэнергии. Увеличение энергоэффективности существующего цементного оборудования является актуальной задачей, решение которой, по мнению специалистов, будет направлено на совершенствование конструкций измельчителей технологических систем стадийного, в т.ч. открытого, цикла измельчения. Применительно к шаровым барабанным мельницам целесообразным является конструктивное совершенствование внутримельничных энергообменных и классифицирующих устройств, позволяющих обеспечить рациональный режим движения мелющих тел, своевременно удалять кондиционные фракции измельчаемого материала, тем самым улучшая условия доизмельчения крупных частиц материала и повышая энергетическую эффективность процесса измельчения.
Большую роль в повышении эффективности ШБМ двухстадийного цикла измельчения играет конструкция внутримельничных устройств отдельных агрегатов. Рациональные значения конструктивных параметров внутримельничных устройств, коэффициентов загрузки материалом и мелющими телами камер мельницы, соотношение их длин, ассортимента мелющей загрузки и ряда других конструктивно-технологических параметров целесообразно определять с использованием математического описания протекающих в мельнице процессов. Совершенствование методик расчета конструктивно-технологических параметров помольного оборудования и конструкций ШБМ является актуальной задачей в настоящее время.
Цель работы. Повышение эффективности процесса помола материала в шаровых барабанных мельницах двухстадийного открытого цикла измельчения, разработка методики расчёта их параметров.
Задачи исследований.
Разработать для технологической системы двухстадийного открытого цикла измельчения рациональную, патентно-защищенную конструкцию ТТТБМ с энергообменным внутримельничным классифицирующим устройством (ЭВКУ), интенсифицирующим процесс грубого помола материала, обеспечивающей повышение производительности и снижение удельного расхода электроэнергии мельницы тонкого помола.
Разработать математические описания процесса измельчения одиночных частиц материала с учетом их характеристик и последующего распространения результатов на всю совокупность частиц в ТТТБМ
Разработать математическое описание процесса классификации частиц материала с учётом их размеров через отверстия просеивающих поверхностей различных типов предлагаемой конструкции ЭВКУ.
Получить аналитические выражения для расчёта основных конст-
руктивно-технологических параметров шаровых барабанных мельниц грубого помола материала с ЭВКУ и тонкого помола, входящих в технологическую систему двухстадийного открытого цикла измельчения материала.
Разработать для шаровых барабанных мельниц технологической системы двухстадийного открытого цикла измельчения материала основанную на математических описаниях процессов движения мелющих тел, измельчения и классификации частиц материала инженерную методику расчёта, определяющую рациональные значения основных конструктивно-технологических параметров мельниц грубого и тонкого помола в зависимости от их производительности, удельного расхода электроэнергии на подготовку тонкомолотого материала и характеристик материалов на входе и выходе мельниц.
Экспериментально подтвердить адекватность полученных математических выражений, описывающих процессы измельчения и классификации материала, реальным процессам в шаровой барабанной мельнице при её оснащении энергообменным внутримельничным классифицирующим устройством и без него.
Разработать рекомендации для использования результатов исследований в промышленных условиях.
Научная новизна. Получены:
математическое описание процесса разрушения несущественно анизотропных частиц материала, позволяющее рассчитать критическую скорость разрушения в зависимости от характеристик взаимодействующих объектов;
эмпирическое выражение для определения критического количества соударений, необходимого для разрушения частиц цементного клинкера, в зависимости от их размеров, температуры, скорости взаимодействия с другими объектами;
математическое описание процесса классификации частиц материала, позволяющее рассчитать вероятность их прохождения через отверстия плоской и колосниковой просеивающих поверхностей предлагаемой конструкции энергообменного внутримельничного классифицирующего устройства в зависимости от геометрических характеристик просеивающих поверхностей, размера и скорости частицы материала;
математические выражения в виде уравнений регрессии для расчета основных конструктивно-технологических параметров шаровых барабанных мельниц грубого помола с ЭВКУ и тонкого помола технологической системы двухстадийного открытого цикла измельчения материала.
Автор защищает.
Патентно-защищенную конструкцию шаровой барабанной мельницы с энергообменным внутримельничным классифицирующим устройством.
Математическое описание процесса разрушения несущественно ани-затропных частиц материала при взаимодействии с другими частицами, ме-
лющими телами, внутримельничной поверхностью.
Математическое описание для определения критического количества соударений, необходимых для разрушения частиц цементного клинкера.
Математическое описание процесса классификации частиц материала через отверстия плоской и колосниковой просеивающих поверхностей предлагаемой конструкции ЭВКУ.
Математические выражения в виде уравнений регрессии и инженерную методику расчёта основных конструктивно-технологических параметров шаровых барабанных мельниц грубого помола с ЭВКУ и без него и тонкого помола технологической системы двухстадийного открытого цикла измельчения материала.
Результаты экспериментальных исследований процесса измельчения одиночных меловых, известняковых и клинкерных частиц материала.
Результаты экспериментальных исследований процесса измельчения частиц материала в шаровой барабанной мельнице, оснащенной ЭВКУ и без устройства.
Практическая ценность работы. Разработана инженерная методика расчета основных конструктивно-технологических параметров шаровых барабанных мельниц грубого помола при её оснащении ЭВКУ и без устройства и тонкого помола технологической системы двухстадийного открытого цикла измельчения материала. Разработаны рекомендации по выбору основных конструктивно-технологических параметров шаровых барабанных мельниц в промышленных условиях, а также новая патентно-защищенная конструкция шаровой барабанной мельницы с ЭВКУ, обеспечивающая повышение производительности мельницы тонкого помола технологической системы двухстадийного открытого цикла измельчения материала на 13% и снижение удельного расхода электроэнергии на 18,7%.
Реализация работы. Осуществлено применение результатов исследования на цементной мельнице DxL=3,2xl5 м ЗАО «Катавский цемент», позволившее повысить производительность на 6,5% и снизить удельный расход электроэнергии на 8,2%. Результаты работы используются в учебном процессе кафедры механического оборудования БГТУ им. В.Г.Шухова.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на Международном форуме по проблемам науки, техники, образования (Академия наук о Земле, 2004, г. Москва); Международной научно-технической Интернет-конференции «Информационные технологии в управлении и моделировании», Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндуст-рии», Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (БГТУ им. В.Г.Шухова, 2005, 2007, г. Белгород); XX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-
20» (Яросл. гос. техн. ун-т, 2007, г. Ярославль), XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23» (Сарат. гос. техн. ун-т, 2010, г. Саратов).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе две в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получены два патента РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Работа включает 187 страниц основного машинописного текста, 12 таблиц, 40 рисунков, список литературы из 143 наименований и 19 приложений на 71 странице.
Оборудование для измельчения материалов цементного производства
В Российской Федерации большинство цементных заводов (до 80%) работают по мокрому способу производства [1]. Исходя из технико-экономических показателей сухой способ является более эффективным и высокотехнологичным по сравнению с мокрым. Это характеризует стремление мировой цементной промышленности придерживаться именно его. Однако при карьерной влажности сырьевых материалов более 20% сухой способ сопряжен с высокими расходами теплоты на сушку и становится нерентабельным.
При производстве цемента измельчение материалов является одной из основных технологических операций. На долю тонкого помола приходится до 50% затрачиваемой электроэнергии. В качестве оборудования, применяемого на определённых стадиях дробления, используют [6] щёковые, молотковые и валковые дробилки. Как привило, на последней стадии дробления получают куски размером до (25- 30)- 103 м. Выбор определённого типа дробильного оборудования основывается на свойствах исходного сырья. Применение классификаторов, в качестве которых используются грохоты различных конструкций, позволяет повысить эффективность процесса дробления.
Последнее время распространение получили мобильные дробильные комплексы, которые устанавливаются в карьере и способствуют обхождению без крупных транспортных средств для транспортировки сырья.
Одной из основных задач для исследователей в области производства строительных материалов является разработка энергосберегающих технологий и эффективного промышленного оборудования. Без решения этой задачи невозможно производство конкурентоспособной продукции и дальнейшее развитие отрасли. Основное внимание в строительной индустрии должно уделяться оборудованию, которое задействовано в наиболее энергоемких технологических процессах. На цементных предприятиях таковыми являются помол сырьевых материалов и цементного клинкера. В настоящее время в нашей стране для этих целей, как правило, используются шаровые барабанные мельницы, основным недостатком которых является повышенная удельная энергоемкость. Разработка новых конструкций ШБМ, позволяющих повысить их энергетическую эффективность, является перспективной задачей исследования.
Для организации рационального режима работы помольного оборудования в измельчительные установки целесообразно подавать материал, прошедший предварительное измельчение и имеющий определенную максимальную крупность частиц. Для этого используется объединение измельчителей и классификаторов различных типов в технологические системы измельчения (ТСИ). Использование предварительного измельчения совместно с классификацией позволяет значительно снизить удельные затраты электроэнергии, обеспечивает работу помольного оборудования в оптимальных режимах, повышает качество готовой продукции [7].
Современные технологические схемы измельчения материала основываются на двухстадийных системах [6]: предизмельчение в рецикле с классификатором и тонкое измельчение в рецикле с динамическим сепаратором. Среди наиболее распространенных предизмельчителей выделяются пресс-валковые, ударные дробилки и барабанные установки.
В пресс-валковых измельчителях (ГТВИ) [6], [8] измельчение происходит раздавливанием, частично истиранием и изломом между вращающимися навстречу друг другу валками. Возможность их использования ограничивается материалом средней прочности из-за интенсивного неравномерного абразивного износа рабочих органов. Одной из основных задач конструктивно-технологического совершенствования пресс-валковых измельчителей [9] является создание условий для реализации объемно-сдвиговых деформаций, повышающих эффективность процесса измельчения. Основными достоинствами пресс-валковых установок [10] являются ограниченное количество мелкой фракции в готовом продукте, простота конструкции и надёжность в эксплуатации. Среди недостатков отмечаются невысокая производительность, содержание удлинённых плоских частиц в готовом продукте, повышенный неравномерный износ рабочих органов, неэффективность организации разрушения прочных пород материала, сильная зависимость от условий подачи материала. При работе ПВИ [6] наблюдается неравномерный износ бандажей по их длине в основном в средней части, приводящий к неоднородности готового продукта. Для снижения негативного эффекта применяют различные приспособления для очистки и проточки бандажей.
Дробилки ударного действия применяют преимущественно для мягких и средней твердости материалов, имеющих небольшую влажность и вязкость [11]. На цементных предприятиях преимущественно используются дробилки с горизонтальным расположением вала. В работе [12] указывается на перспективность использования дробилок с вертикальным расположением вала и многозвенными ударными элементами. Разрушение материала производится вследствие удара, при котором кинетическая энергия вращающихся частей рабочего органа частично переходит в энергию деформации, приводящую к разрушению куска материала. Дробящее действие наиболее эффективно при центральном ударе. При скользящем ударе наблюдается повышенный износ рабочих органов и увеличение тонких классов в продукте дробления. Серди недостатков основными являются [13] повышенный износ рабочих органов и бронефутеровок, сложность организации центрального удара, необходимого для достижения рационального режима работы установки, низкая степень использования кинетической энергии и большое содержание пылевидной фракции в готовом продукте, наряду с содержанием в ней продуктов износа рабочих органов.
Дробилки ударного действия характеризуются [14] высокой производительностью на единицу массы измельченного материала, избирательным дроблением, простотой конструкции и удобством обслуживания. Возможность использования высоких скоростей для разрушения как положительно влияют на качество и степень разрушения частиц материала, так и вызывают повышенные требования к конструкции и надежности устройства [15]. Дробилки ударного действия нашли широкое применение в промышленности для измельчения малоабразивных материалов малой и средней прочности [6].
Барабанные предизмельчители в основном представлены шаровыми мельницами [16], характеристики которых определяются скоростным режимом работы мелющих тел, зависящим от относительной скорости вращения барабана, степени заполнения мелющими телами, величины коэффициента сцепления шароматериальной загрузки с бронефутеровкой. Измельчение материала осуществляется за счет ударных, раздавливающих и истирающих воздействий мелющих тел, а также других частиц материала [13]. К недостаткам барабанных предизмельчителей относятся невозможность организации высокоскоростного нагружения материала и, как следствие, ограниченность максимальной крупности исходного материала; повышенный удельный расход энергии; большие габаритные размеры, наряду с неэффективным использованием внутримельничного пространства; большой износ мелющих тел и бронефутеровок; сложность подбора оптимальных параметров разрушения и конструктивно-технологических характеристик [17].
Среди достоинств выделяются высокая степень измельчения, простота конструкции, удобство в эксплуатации, надежность в работе, возможность применения различных средств автоматизации [18]. Причем системы автоматизации могут регулировать процесс измельчения как по прямым показателям — тонкости помола, так и по косвенным - степень заполнения первой камеры мельницы исходным материалом, которая связана с частотой звуковых колебаний исходящих от корпуса работающей мельницы. Одним из методов совершенствования барабанных предизмельчителей является организация внутримельничной классификации материала. При грубом помоле материала в шаровых барабанных мельницах в рабочей камере находятся крупные и мелкие фракции. Для обеспечения эффективного процесса измельчения материала целесообразно удалять мелкую фракцию, по мере её образования. Следовательно, целесообразно совершенствовать конструкции шаровых барабанных мельниц.
Использование предизмельчителей (пресс-валковых, центробежно ударных дробилок, шаровых бабрабанных мельниц) для шаровой барабанной мельницы домола технологической системы двухстадииного открытого цикла измельчения материала, способствует снижению удельных энергозатрат на тонкий помол от 10 до 24%.
Процесс разрушения частицы материала о внутримельничные устройства
Взаимодействие частицы материала о внутримельничные устройства представляется как удар сферического тела о плоскую поверхность, причем масса второго объекта (внутримельничного устройства) существенно больше массы частицы материала. Зная свойства материала, из которого изготовлено внутримельничное устройство, рассчитываются компоненты критической скорости частицы материала. Отличительным моментом в расчетах будет то, что деформация, наблюдаемая в частице материала, будет такой же, как и в случае взаимодействия двух однотипных частиц (см. главу 2.1.1.2). Поэтому при расчете критической скорости по формуле (2.9) необходимо пользоваться для расчета площади контакта шарообразной частицы материала с внутримельничным устройством зависимостью (2.52), полученной в главе 2.1.1.2, а для расчета линейной длины деформации выражением (2.55).
Рассчитав компоненты критической скорости частицы материала, при которой она разрушается и, сравнивая их с соответствующими компонентами текущей скорости, с которой движется частица к внутримельничному устройству, определяется условие разрушения частицы. При её не разрушении рассчитывается ударное взаимодействие и определяются кинематические характеристики частицы материала (вектора скорости, угловой скорости, координаты положения) после контакта с внутримельничным устройством. При разрушении частицы материала послеударные характеристики рассчитываются для каждого из объектов, на которые распадается данная частица материала.
Анализ зависимости критической скорости (2.9) см. рис. 2.6, необходимой для разрушения частицы на 50% по объёму от радиуса частицы показывает что она носит нелинейный характер и при уменьшении размеров частицы материала для её разрушения, необходимо сообщить большие скорости. Рост критической скорости разрушения при уменьшении размеров частиц с 0,02 м и до самой мелкой частицы материала объясняется уменьшением количества и размеров микротрещин, способствующих её разрушению при взаимодействии с другим телом. Процесс разрушения также можно рассматривать на основе высвобождения энергии материала, накопленной в областях деформаций. При определённом размере частицы материала, после последовательных разрушений, основная энергия деформации высвобождается и для её дальнейшего разрушения требуется значительно большие скорости, чем это может быть обеспечено в данных условиях. В этом случае считается, что частица материала была измельчена до минимально возможного состояния. Минимально возможный размер частицы будет зависеть от параметров измельчительного устройства, способа разрушающего воздействия и характеристик измельчаемого материала.
Рост критической скорости разрушения, для меловой частицы с уменьшением её размеров заметно меньше, чем для более плотной известняковой частицы. Так при уменьшении размера меловых частиц с температурой 20С с 0,02 м. до 0,005 м критическая скорость разрушения возрастает на 2,5 м/с с 4,6 м/с до 7,1 м/с. Для известняковой частицы при аналогичных условиях скорость разрушения возрастает на 5,9 м/с с 10,6 м/с до 16,5 м/с. Из чего следует, что при разрушении более плотных частиц материала с несущественно анизотропным строением с уменьшением их размеров, требуется большая критическая скорость нежели при измельчении менее плотных частиц материала. Данная особенность объясняется тем, что в более плотных частицах материала имеется меньшее количество микротрещин и для их развития приходится создавать большие напряжения для преодоления сопротивления среды частицы материала развитию трещины.
Увеличение температуры в рамках исследуемого диапазона варьирования факторов благоприятно сказывается на процесс разрушения (аналогично рассмотренному влиянию при взаимодействии с мелющим телом), способствуя уменьшению требуемой скорости воздействия. Так, при разрушении меловой частицы с диаметром 0,01 м и изменении температуры с 20С до 70С уменьшение критической скорости происходит более чем в два раза с 8,1 м/с до 3,8 м/с. Изменение влияния температуры частицы на критическую скорость её разрушения обуславливается расширением материала частицы, что приводит к увеличению размеров микротрещин.
С повышением плотности разрушаемой частицы материала уменьшается влияние температурного фактора. Так при разрушении известняковой частицы уменьшению критической скорости разрушения на 33,7 % (с 18,7 м/с до 12,38 м/с). При измельчении меловой частицы с указанным размером и значениями температуры для её разрушения требуется соответственно 8,1 м/с (20С) и 3,8 м/с (70С). Уменьшения критической скорости составляет более 53%. Зависимость влияния температурного фактора на значения критической скорости при различной плотности частицы объясняется изначальным количеством микротрещин, присутствующих в частицах разной плотности. В меловой частице изначально присутствует большее количество микротрещин по сравнении с известняковой частицей и при воздействии градиента температуры меловая частица будет накапливать энергию деформации в большей степени.
Анализ данных взаимодействия мелющего тела с частицей материала показывает более выраженное увеличение критической скорости разрушения при уменьшении размеров частицы по сравнению с взаимодействием с массивной стальной плитой. При взаимодействии частицы материала с мелющим телом, по сравнению с аналогичным взаимодействием со стальной плитой, большую роль играют размеры частицы материала. Так разрушение меловой частицы с диаметром 0,01 м, имеющей температуру 70С, мелющим телом с диаметром 0,06 м (vw,\/=6,l м/с) сопоставимо по значению критической скорости с её разрушением о стальную плиту (V P/T=6,9 м/с), но при рассмотрении частиц более крупных размеров предпочтительнее организация взаимодействия с мелющими телами. Так при измельчении частицы материала с диаметром 0,024 м разрушение мелющим телом с диаметром 0,06 м обеспечивается при критических скоростях (VK7 A/=1,2 М/С) более чем в четыре раза меньших, чем при взаимодействии со стальной плитой (Уят /7=4,9 м/с).
Реализация алгоритма процедуры численных расчетов
Спроектированная процедура расчетов ШБМ, представленная в приложении П.7, позволяет реализовать алгоритм, представленный в приложении П.8, описывающий функционирование шаровой барабанной мельницы при рассмотрении процессов движения внутримельничной загрузки, измельчения и классификации частиц материала (см. приложение П.9). Данный алгоритм основывается на последовательном выполнении трёх блоков [117]: инициализации, обработки и отчётов (см. рис. 3.11). Блок инициализации содержит процедуру проверки входных параметров, при правильном задании которых запускается процедура расчета состояний системы и при необходимости процедура графической визуализации. Также блок инициализации включает в состав программные средства, обеспечивающие размещение мелющих тел и частиц материала в программном объекте «Барабан мельницы», исходя из заданных входных параметров.
Мелющие тела объединяются с частицами материала и сортируются по размерам. Объекты размещаются на оси вращения барабана мельницы, начиная с самого большого.
Далее шары помещаются на концентрических окружностях прилегая друг к другу. Совокупный объём пустот между мелющими телами при плотной упаковке шароматериальной загрузки равен объёму измельчаемого материала.
Исходя из этого, имея гранулометрический состав материала, задаваемый как входной параметр модели, рассчитываем количество частиц каждой фракции материала. Начальное состояние процедуры численных расчетов представлено в приложении П. 10.
После размещения объектов мелющих тел и частиц материала в «Барабане мельницы» выполняется процедура «обработка», которая отвечает за продвижение модельного времени до окончания расчётов системы (см. приложение П. 11), определение и обработку возможных событий на текущем численном шаге.
Существуют два метода продвижения модельного времени [120]: с постоянным шагом и от события к событию. В рамках решаемой задачи последний подход более рационален, так как он является наиболее общим и позволяет ускорить процесс выполнения процедуры расчётов вследствие того, что не рассматриваются состояния системы в промежутках между событиями.
В первоначальный момент работы процедуры расчетов, после успешного выполнения инициализации, для каждого объекта в виде мелющего тела и частицы материала рассчитываются возможные события столкновения с другими объектами и их время (см. приложение П. 12), исходя из заранее заданного максимального ожидаемого времени следующего события. Если в течение этого времени событие не происходит, то фиксируется отсутствие события. Если модельное время продвинулось на величину, превышающую задаваемое время ожидания, то заново рассчитываются возможные события для этого объекта. Происходящие события в минимальную единицу времени помещаются в очередь с сортировкой по времени наступления с использованием алгоритма сортировки Хоара [125], модифицированного под многопроцессорную архитектуру. Описанный подход в процедуре описания ШБМ позволяет обрабатывать одновременные события.
После определения событий для всех объектов продвигается модельное время на величину минимального времени возникновения следующего события, определяются объекты, генерирующие событие и вызывается их обработка. Затем пересчитывается возникновение событий для объектов, связанных с теми, которые генерировали предыдущее событие, что позволяет значительно сэкономить машинные ресурсы, путем исключения лишних вычислительных операций, так как расчет производится не для всех объектов системы. Далее процедура повторяется с момента продвижения модельного времени (см. рис. 3.11).
После завершения отведённого времени на работу описываемой ШБМ, либо по команде «останов работы» процедура описания ШБМ переходит к выполнению блока «отчёты». Во время процедуры численных расчётов все параметры, характеризующие ШБМ, последовательно записываются в файл, структура которого определяется количеством и типом параметров. Исходя из информации, содержащейся в файле, можно отследить действия, выполняемые процедурой расчета и проверить получаемые результаты.
Расширенная обработка ошибок обеспечивает сквозной контроль работы процедуры расчетов, способствует выявлению и оперативной обработке внештатных ситуаций. Возможность сохранять состояние системы на очередном шаге расчетов в файл на диске, способствует нормальному возобновлению работы с этого же шага, наряду с ведением статистической информации по работе описываемой ШБМ.
При проектировании структуры данных мы исходили из возможности последующего анализа получаемых информационных файлов для разных входных условий и использования информации для решения задач оптимизации по выбранным критериям.
Реализованный алгоритм процедуры описания ШБМ основывается на предпосылке возможной интеграции с существующими программными продуктами, как в сфере моделирования, так и графического представления результатов работы модели. Исходя из этого, были разработаны и реализованы интерфейсная (см. рис. 3.12) и библиотечная части процедуры численных расчетов, в которых предусмотрена возможность последующих модификаций. В интерфейсной части выбираются входные параметры, такие как: время проведения численного эксперимента, параметры барабана мельницы и внутримельничных устройств, гранулометрический состав и свойства мелющих тел и материала, основные технологические параметры работы мельницы. В библиотечной части процедуры описания ШБМ производится
Инженерная методика расчета основных конструктивно-технологических параметров шаровых барабанных мельниц технологической системы двухстадийного открытого цикла измельчения материала и рекомендации для промышленного применения результатов
Анализ результатов экспериментальных исследований в гл. 4.3.2 и 4.3.3 выявил наличие экстремумов для исследуемой функций ЦуД для каждой из камер лабораторной мельницы DxL=0,5x2,5 м. Осуществим поиск рациональных значений конструктивно-технологических параметров для этой мельницы и перенесем результат на промышленную мельницу DxL=3,2xl5 с применением теории подобия [123].
Поиск рациональных значений необходимо осуществить при минимизации удельных энергозатрат на измельчение клинкера и остатка готового продукта на сите R008. С учётом наличия в мельнице DxL=0,5x2,5 м элеваторной перегородки и выходной решётки общая длина камер составит
Используя выражения (4.38) и (4.36), минимизируя удельный расход электроэнергии qnp и остаток на сите Roos на выходе из мельницы, задавая максимальную крупность подаваемого материала dM=0,02 м определяем рациональное соотношение Li/L2=0,967 и фактическую производительность мельницы Qcj =245 кг/ч. Тогда рациональные значения длин камер составят
Далее определяем рациональные значения параметров йШ\ и Ф\ для камеры грубого помола, при которых достигаются минимумы регрессионных зависимостей (4.24) и (4.26) при максимальной крупности подаваемого материала dM=0,02 м. Получаем следующие значения параметров для камеры грубого помола: максимальный диаметр шара с1Ші=0,066 м; коэффициент загрузки мелющих тел Ф] =0,26; остаток на сите R008 на выходе из камеры Roo8_i=50,7%. Полученное значение Roo8_i=50,7%, длина второй камеры L2=l,22 м, фактическая производительность С)ф=245 кг являются входными факторами для зависимостей (4.30) и (4.32). Минимизация данных зависимостей позволяет получить для второй камеры (тонкого помола) рациональные значения крупности мелющих тел с1ш2=0,03 м, коэффициента заполнения ими камеры Ф2 =0,29, а также её производительность, приведенную к остатку на сите Roo8=10%, Qnp=189 кг/ч; удельный расход электроэнергии цуд=39,8 Вт ч/кг.
Поставленная задача решалась в программной среде «Maplesoft Maple» и разработанном программном комплексе реализации процедуры расчетов процессов ШБМ, адекватность которой была подтверждена в гл.4.3.1 и 4.4.1.
На основе теории подобия [123] для промышленной ШБМ DxL=3,2xl5 м ЗАО «Катавский цемент» проведём перерасчет длин камер мельницы. Геометрический коэффициент подобия для первой и второй камер мельницы определяется следующими выражениями: где Dlo — диаметр барабана камеры промышленной мельницы в «свету»; DIM — диаметр барабана камеры лабораторной мельницы в «свету».
Тогда рациональная длина первой и второй камер мельницы DxL=3,2xl5 м составляет соответственно:
При этом рациональная длина мельницы без учета толщины перегородки и выходной решётки составит
Перерасчет максимальной крупности мелющих тел для промышленной мельницы осуществляется на основе теории подобия, рассмотренной в работе [123]. Общая функциональная зависимость имеет вид: где Ки — коэффициент идентификации, определяемый по данным работы [16] (для типоразмера промышленной мельницы D0xL0=3,2xl5, Ки — 1,75), DM и D0 - полезные диаметры барабана мельницы соответственно экспериментальной и промышленной, dM и dM.o - максимальная крупность подаваемого клинкера в экспериментальную и промышленную мельницу соответственно. В результате рассева исходного клинкера ЗАО «Катавский цемент» установлено, что максимальная крупность его частиц составляет dMO 0,045 м. Тогда на основе зависимости (4.50) при подаче в промышленную мельницу клинкера с максимальной крупностью ём.о 0,045 м целесообразно загружать мелющие тела с максимальной крупностью 0,105 м (уменьшение максимальных размеров частиц подаваемого клинкера до 0,03 м делает эффективным мелющую загрузку с максимальной крупностью 0,08 м для камеры грубого помола). Рациональный размер максимальной крупности мелющих тел камеры тонкого помола составляет 0,04 м при условии прохождения во вторую камеру материала крупностью меньше 0,005 м.
Расчет ассортимента мелющей загрузки осуществляется на основе аппроксимирующих зависимостей рассмотренных в гл. 3.2.2.2. Результаты расчета для dM.o=0,045 м представлены в табл. П. 16.1 и П. 16.2.
Согласно [123] коэффициенты подобия для перерасчёта коэффициентов заполнения камер мельницы мелющими телами «ф1 = схф2=1 . На основании этого коэффициенты заполнения первой и второй камер промышленной мельницы принимаются соответственно равными Ф 10 =0,26 и Ц 20 =0,29.
В настоящее время на ЗАО «Катавский цемент» не представляется возможным осуществить изменение длин камер цементной мельницы DxL=3,2xl5 м. Двухкамерная цементная мельница №2 эксплуатируется с динами камеры Li=6 м и L2=8,3 м. С использованием разработанной методики осуществим расчет максимальных размеров и ассортимента мелющих тел, коэффициентов их загрузки в первой и второй камерах. Результаты расчётов приведены в табл. 4.2.
Разработанные рекомендации внедрены (приложение П. 17) на цементной мельнице №2 DxL=3,2xl5 м ЗАО «Катавский цемент», работающей в открытом цикле измельчения при получении цемента марки 400ДО. Учитывая отсутствие на предприятии мелкошаровой загрузки, вторая камера мельницы загружалась цильпебсом. Подаваемый в мельницу клинкер имел гранулометрический состав, характеризуемый полными остатками на стандартных ситах, %: R4o=5,25%, R30=7,21%, R25=9,26%, R20=13%, R15=23,34%, R10=37%, R7,5=54,81%, R5=65,56%, R2,5=85,25%, R,,25=89,81%, Ro,63=93%, R0,2=94,56%, Ro,08=98%.
Внедрение разработанных рекомендаций позволило повысить производительность цементной ШБМ DxL=3,2xl5 м открытого цикла измельчения на 6,5% и снизить удельный расход электроэнергии на 8,2%. Проведённые расчеты показали экономическую целесообразность применения разработанных рекомендаций (приложение П. 18).
Произведём расчет основных конструктивно-технологических параметров шаровых барабанных мельниц грубого помола цементного клинкера DxL=3x8 м и доизмельчения DxL=3,2xl5 м технологической системы двухстадийного открытого цикла измельчения материала, рекомендуемых для ЗАО «Катавский цемент».
В шаровой барабанной двухкамерной мельнице DxL=3x8 м с периферийной разгрузкой материала и расположением разгрузочного устройства между камерами, учитывая соотношения диаметра и длины барабана, целесообразно оборудовать в каждой камере ЭВКУ.
