Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния и направлений развития оборудования для измельчения клинкера и добавок 11
1.1 Оборудование для измельчения клинкера и добавок традиционными способами 11
1.2 Новые направления создания оборудования для получения цементов и других строительных материалов 13
1.3 Основные направления развития техники и технологии тонкого и сверхтонкого измельчения 19
1.4 Анализ оборудования реализующего струйный способ измельчения... 25
1.5 Существующие методики расчета струйных противоточных мельниц..38
1.6 Анализ влияния гранулометрического состава цемента на его свойства 42
1.7 Обоснование выбора принципиальной схемы струйной мельницы с отбойной плитой 44
1.8 Цель и задачи исследований 48
1.9 Выводы 48
Глава 2 Методика расчета струйной мельницы с отражательной плитой 50
2.1 Основные предпосылки и положения 50
2.2 Расчет поля скоростей энергоносителя в разгонной трубке 51
2.3 Описание движения частиц материала по разгонной трубке 54
2.4 Определение скорости энергоносителя при его движении по разгонной трубке 56
2.5 Математическое описание движения двухкомпонентной смеси в зоне помола 62
2.6 Математическое описание процесса разрушения материала под действием удара в отражательную плиту 65
2.7 Анализ результатов расчета режимов работы струйной мельницы 68
2.8 Выводы ...75
Глава 3 Методики проведения экспериментальных исследований лабораторной помольной установки 77
3.1 Основные положения экспериментальных исследований 77
3.2 Экспериментальное оборудование и средства контроля 78
3.3 Характеристики исследуемых материалов 89
3.4 План многофакторного эксперимента 90
3.5 Выводы 92
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований ... 93
4,1 Результаты поисковых экспериментов 93
4.2 Исследование влияния факторов на параметры оптимизации 99
4.2.1 Анализ уравнения регрессии Q{n; d^ dc, lk) 99
4.2.2 Анализ уравнения регрессии S(n, db dc, l,J 107
4.2.3 Анализ уравнения регрессии P(ntdhdCtl}) 113
4.3 Выбор оптимального режима процесса измельчения 120
4.4, Анализ зернового состава тонкого продукта 126
4.5.Выводы 133
Глава 5 Промышленное внедрение 135
Основные результаты и выводы 139*
Список литературы 141
Приложения 152
- Новые направления создания оборудования для получения цементов и других строительных материалов
- Расчет поля скоростей энергоносителя в разгонной трубке
- Экспериментальное оборудование и средства контроля
- Исследование влияния факторов на параметры оптимизации
Введение к работе
Создание нового поколения минеральных вяжущих материалов: вяжущих низкой водопотребности (ВНВ), тонкомолотых цементов (ТМЦ), быстротвер-деющих портландцементов (ПЦ) и шлакопортландцементе в (ШГЩ) сопряжено с необходимостью тонкого измельчения.
Дисперсность получаемого продукта в значительной мере определяет качество получаемых продуктов и влияет на повышение их технологических и потребительских свойств. Необходимость повышения дисперсности строительных и других материалов приводит к потребности совершенствования существующего и созданию нового оборудования и технологий для тонкого и сверхтонкого измель-чения.
Однако, с увеличением тонины получаемого продукта, производительность помольного оборудования с некоторого момента начинает резко снижаться при одновременном увеличении энергетических затрат, а начиная с некоторой критической точки диспергирования для данного материала.дальнейшее измельчение становится практически неосуществимым.
Всестороннее изучение существующих технологических процессов и оборудования позволяет установить основные их недостатки, слабые стороны и наметить рациональные пути их устранения.
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 % [20]. Вместе с тем, высокая прочность измельчаемых материалов приводит к ускоренному износу мелющих тел и других рабочих органов измельчителей, 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.
Вместе с тем высокая прочность измельчаемых материалов приводит к ускоренному износу мелющих тел и других рабочих органов измельчителей, что отражается на металлоемкости измельчительных процессов и в целом на их стоимости. 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. Конструктивное исполнение предлагаемого оборудования обеспечивает полимеханическое воздействие на измельчаемый материал при быстром отводе из рабочей зоны материала, частицы которого достигли требуемого размера.
Таким образом, 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.
Наиболее перспективным способом тонкого и сверхтонкого измельчения к настоящему времени является способ высокоскоростного измельчения материалов, реализуемый путем придания ускорения измельчаемым частицам при помощи струй сжатого воздуха, пара или газа. Использование высоких скоростей, до нескольких сотен метров в секунду в установках газоструйного типа, позволяет повысить и регулировать дисперсность получаемого продукта в весьма широких пределах. Кроме того, появляется возможность реально использовать преимущества высокоскоростного избирательного измельчения многокомпонентных смесей материала для получения продуктов с заданными свойствами.
Реализовать способ и получаемые от его использования преимущества возможно в мельницах струйной энергии. На наш взгляд одним из самых интересных и перспективных типов таких мельниц являются противоточные струйные мельницы. Они.имеют целый ряд преимуществ по сравнению с мельницами такого класса: 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 существующие теории расчета и конструирования струйных мельниц имеют на наш взгляд незавершенный характер, что не позволяет эффективно использовать весь спектр их преимуществ из-за конструктивных недоработок. Так, наибольшее внимание в литературе по данной тематике в основном отводится расчёту эжекторных узлов и уже как дополнение следуют рекомендации по исполнению конструктивных параметров помольной камеры, хотя пребывание частиц на участке разгона на порядок меньше времени пребывания частиц в зоне соударений струй, а концентрация твердой фазы в зоне измельчения в десятки раз выше, чем на разгонном участке [89].
Анализ существующих способов разрушения частиц материала, теоретических и экспериментальных зависимостей изменения процесса измельчения от конструктивных параметров помольного блока, полученных при исследовании данного оборудования, а также указанные выше недостатки потребовали проведения дальнейших исследований в этом направлении,
Целью настоящих исследований является разработка оптимальной конструкции и методики расчёта основных технологических и конструктивных параметров струйной мельницы с отбойной плитой, обеспечивающей снижение удельного расхода энергоносителя.
Научная новизна работы представлена аналитическими выражениями, описывающими движение частиц материала по разгонной трубке; зависимостями позволяющими определять скорость энергоносителя и устанавливать связь между
скоростью частицы и скоростью энергоносителя в разгонной трубке и рассчитывать объемный расход материала; выражениями определяющими значения компонент скоростей частиц материала в помольной камере и в момент удара о плиту, а также определять число частиц полученных в результате удара; математическими моделями в виде уравнений регрессии, позволяющими получить рациональные конструктивные и технологические параметры струйной мельницы с отбойной плитой; патентно-чистой конструкцией струйной мельницы, новизна которой подтверждена патентами.
Практическая ценность работы заключается в аналитических выражениях для расчета основных газодинамических и конструктивных параметров струйной мельницы с отбойной плитой, используемой в составе технологического комплек-
->
са для производства цементов с заданными потребительскими свойствами и рекомендациях по выбору рациональных технологических режимов его работы. По результатам работы разработана новая конструкция блока разгона и помола струйной мельницы, внедрение которой обеспечивает стабильное получение цементов с свойствами регулируемыми в широких пределах.
Реализация работы. Диссертационная работа выполнялась в Белгородском государственном технологическом университете имени В.Г.Шухова в рамках Межвузовской научно-технической программы «Инновационная деятельность высшей школы».
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса измельчения, методики расчета рациональных конструктивных и режимных параметров, разработанный вариант технологического комплекса струйного измельчения производительностью до 500 кг/ч цемента внедрены в экспериментальное производство в ООО «Экотехцентр».
Диссертационная работа рассмотрена на заседании кафедры «Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий для производства строительных материалов, изделий и конструкций» в декабре 2005 года.
Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях, проводимых в БГТУ им. В.Г. Шухова: VII региональной научно-практической конференции «Молодые ученые - науке, образованию, производству» в 2004г. и Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и строииндустрии» в 2005г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 5 статей, получено 2 патента РФ № 46203 на полезную модель «Разгонная трубка эжектора» и №49736 «Струйная мельница с самофутерующейся камерой помола».
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные выводы, рекомендации и направления даль-нейших исследований. Работа включает 151 страницу, в том числе 120 страниц машинописного текста, 5 таблиц, 50 рисунков, список литературы из 120 наименований и приложение на 6 страницах.
На защиту выносятся:
аналитические выражения, описывающие движение частиц материала по разгонной трубке;
зависимости для определения скорости энергоносителя и устанавливающие связь между скоростью частицы и скоростью энергоносителя в разгонной трубке и позволяющие рассчитывать объемный расход материала;
выражения, определяющие значения компонент скоростей частиц материала в помольной камере и в момент удара о плиту;
- - регрессионные модели, определяющие влияние основных факторов, обуславливающих протекание процесса измельчения, на производительность мельницы, удельную поверхность получаемого продукта и давление рабочего энергоносителя на выходе из разгонной трубки;
- критерий оптимальности и методика расчета рациональных конструк
тивно-технологических параметров;
- теоретически обоснованное конструктивное решение помольного узла струйной мельницы с отбойной плитой, позволяющее повысить эффективность процесса измельчения в составе комплекса для получения цемента с заданными свойствами.
Новые направления создания оборудования для получения цементов и других строительных материалов
В последние годы активно продолжается процесс совершенствования конструкций и режимов работы шаровых мельниц с целью их оптимизации. Современная трубная мельница отличается качественно новым уровнем модернизации внутримельничных конструктивно-технологических элементов. Принципиально новые конструкции межкамерных и разгрузочных диафрагм состоят из объемных модулей (секторов) с встроенными, регулируемыми в ходе наладки лифтерами и позволяют оптимизировать заполнение камер материалом, величину рецикла, время пребывания материала. В технологическом отношении рабочая поверхность бронеплит не претерпела существенных изменений. Она имеет преимущественно волновой профиль, но дифференцированный в зависимости от участка (камеры) по высоте и шагу волны, а также по форме основания. В первой камере используются бронеплиты тяжелого типа с высокой вол-ной и цилиндрическим основанием. Во второй камере - с невысокой волной и учащенным шагом на конусном (3-4) основании. В трубных мельницах применяется многоразмерная шаровая загрузка, включающая шары диаметром от 90 до 20 и даже 15 мм.
Оценивая модернизацию трубных мельниц, следует особо отметить отечественные разработки в этой области и, прежде всего, наклонные межкамерные диафрагмы, межкамерные диафрагмы с встроенными классифицирующими элементами, угловые спиральные футеровки и различные энергообменные устройства, способствующие активизации работы мелющих тел во внутренних слоях контура загрузки [21, 51, 94].
Вместе с тем, пропускная способность традиционных мельниц весьма ограничена. Увеличение циркуляционной нагрузки ведет к общему увеличению размера частиц измельчаемого материала и снижению эффективности шарового воздействия на материал, вследствие демпфирующего эффекта большого слоя измельчаемого материала. Уже в первой камере, на последних ее метрах находится до 40 % частиц, размер которых удовлетворяет требованиям, предъявляемым к готовому продукту. Дальнейшее нахождение таких частиц в мельнице не только не повышает ее производительность, но и снижает эффективность измельчения в целом, вследствие переизмельчения материала и налипания его на мелющие тела и футеровку [19, 87, 107].
Еще одним существенным недостатком, снижающим эффективность измельчения, является ограничение усилия действия загрузки на измельчаемый материал частотой вращения барабана мельницы.
Несмотря на значительные достижения в технологии измельчения, высокую эксплуатационную надежность и производительность шаровых мельниц, достигнутый для этих машин уровень удельных энерго- и металлозатрат остается высоким, а также агрегаты имеют весьма низкий КПД, по самым разным источникам колеблющийся в пределах 1-3 % [20]. Дальнейшее повышение эф 15
фективности процесса лимитируется неэкономичностью способа: низкой «полезной» энергией мелющих тел, совмещением процессов предизмельчения и тонкого измельчения в одном объеме, повышенным износом и температурой. Кроме того, уровень шума при их работе достигает величин, отрицательно влияющих на здоровье обслуживающего персонала. В современных системах по-прежнему актуальной является оптимизация аспирационного и температур-но-влажностного режимов, а также адсорбционно-активной среды в мельнице путем введения поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поэтому в технике и технологии шарового измельчения не прекращаются работы по реализации новых, более экономичных принципов измельчения, созданию измельчителей и технологических схем измельчения на их основе [15, 18, 20, 21, 29, 43, 46, 94, 113].
В последние годы в нашей стране и, особенно, за рубежом широкое распространение для крупнотоннажного производства получают среднеходные шаровые, тарельчато-валковые и ролико-маятниковые мельницы. При строительстве новых и модернизации действующих цементных заводов в зарубежной практике имеются примеры применения валковых мельниц для помола клинкера и шлака [18, 21, 41, 49, 95, 119]. Среднеходные мельницы работают со встроенным воздушным сепаратором в замкнутом цикле.
Преимущество мельниц, в основу которых положен принцип раздавливания, по сравнению с традиционными трубными мельницами, заключается в том, что в зоне измельчения создаются высокие нагрузки, достигающие, в зависимости от типоразмера мельницы, десятков и даже сотен тонн, вследствие чего наблюдается снижение удельного расхода энергии на 20-30 % [23, 119, 120].
В сравнении с другими мельницами, использующими силу тяжести, они имеют более низкий удельный расход энергии, требуют меньшей мощности и производственной площади, и, как следствие, меньше инвестиционных затрат.
Однако, сведения об эффективности валковых и роликовых мельниц противоречивы, зависят от источника информации и, зачастую, служат целям рекламы. В основном, это касается их применения при измельчении более трудно-размалываемых материалов, в частности клинкера, тогда как для измельчения сырья они находят все большее применение,
О - валковой мельнице, изготовленной и установленной в Японии на цементном заводе фирмы «Osaka Cement» известна следующая информация: легкость и оперативность регулирования в широком диапазоне процесса измельчения изменением давления валков на тарель, уменьшение численности обслуживающего персонала, снижение температуры материала, низкий уровень шума, уменьшение эксплуатационных расходов -[118].
В то же время специалисты фирмы «Krupp Polysius» считают, что валко-вые мельницы могут быть использованы только для предварительного измельчения клинкера при их установке перед шаровыми барабанными мельницами. При этом капитальные затраты выше на 25 %, а экономия энергии составляет 10-15%.
В США установлено, что валковые мельницы, в связи с большими капиталовложениями и повышенным износом рабочих органов, целесообразно использовать только на первой стадии измельчения [23].
Исследователи отмечают, что самым слабым местом в конструкции валковых мельниц являются тяжелонагруженные подшипниковые опоры, которые часто выводят их из строя [117]. К недостаткам также относят: более высокую стоимость измельчения, сложность конструкции, трудоемкость ремонтов и необходимость изготавливать детали, подвергающиеся износу, из дорогостоящих износостойких материалов [21, 51].
Из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что валковые мельницы, использующие принцип раздавливания, могут быть, в основном, применены для измельчения сырьевых материалов. Для окончательного помола цемента они не могут использоваться вследствие существенного износа рабочих органов мельницы. По тем же причинам не рекомендованы к промышленному применению для размола клинкера и роликовые мельницы, материал в которых измельчается между роликами, подвешенными шарнирно на крестовине, которая закреплена на вращающемся вертикальном валу, и неподвижным металлическим кольцом. А вот при размоле сырьевых материалов, указывается, что ролико-маятниковые мельницы эффективнее валковых и их применять целесообразнее [63,114,111].
В последнее десятилетие получили развитие валковые мельницы, напоминающие дробилки с гладкими валками, но без зазора между ними, называемые пресссвалковыми измельчителями (ПВИ). ПВИ при больших давлениях сжатия валков (до 350 МПа) могут измельчать прочные материалы, как, например, известняк, цементный клинкер, с меньшими энергозатратами чем обычные шаровые мельницы.
Расчет поля скоростей энергоносителя в разгонной трубке
На свойства цементов оказывает влияние ряд факторов, из которых наиболее важными являются минералогических состав, размер и габитус кристаллов алита (C S) и тонкость помола [46]. По определению оптимального гранулометрического состава возникают две проблемы: 1) Различные физические свойства цементного теста по-разному зависят от тонкости помола. С увеличением удельной поверхности цемента заметно ускоряется нарастание прочности, но одновременно возрастают коэффициент усадки и теплота гидратации, что приводит к общему уменьшению механической прочности через 28 суток. 2) Вытекает из требования экономичности производства с заданными свойствами цемента. При постоянном минералогическом составе клинкера способ улучшения механических свойств цементного камня заключается в соответствующем изменении гранулометрического состава. Поэтому, на основе двух клинкеров, существенно отличающихся мольно содержанием ортосиликата кальция, авторами исследований [42] после помола были приготовлены образцы цемента двух серий с различной удельной поверхностью от 3000 до 6000 см2/г. Оба клинкера измельчали без добавки гипса. После отделения фракции 63-200 мкм, цементы были разделены на фракции 0-7 мкм, 7-30 мкм, 30-63 мкм. Все фракции были смешаны с предварительно молотым гипсом до получения цемента. Кроме образцов цемента с различной тонкостью помола и разным гранулометрическим составом были исследованы также образцы, содержащие самую тонкую фракцию от 0 до 7 мкм, выделенную из тех же цементов. Эти пробы были приготовлены путём помола клинкера с добавкой 5% гипса и 10 и -20% фракции 0-7 мкм до получения удельной поверхности равной 300 м /кг (по Блейну). Анализ зависимости предела прочности цементного камня от гранулометрического состава цемента показал, что в самый начальный период твердения (гидратации) (после первых суток твердения), наблюдается заметная положительная связь между удельной поверхностью цемента и его пределом прочности.
Сравнивая значения прочности цементного камня для цементов с различной тонкостью помола с прочностью цементного камня для различных фракций, сделаны выводы о том, что оптимальный состав цемента может быть достигнут не при использовании отдельных фракций, а только путём правильного выбора определённого соотношения фракций. Прочность цементного камня при сжатии не может быть найдена путём простого сложения прочностей, определённых для различных фракций.
Качество получаемых порошков, определяемое в первую очередь гранулометрическим составом, напрямую зависит от типа струйного измельчителя. Согласно данных литературных источников [7, 8] тонкость получаемого в противоточных струйных мельницах продукта несколько грубее чем в мельницах с трубчатой и плоской помольной камерой. Однако, при доведении конструктивных и технологических параметров струйных мельниц до рациональных значений, качественные показатели получаемого в них продукта можно существенно повысить.
Возможность организации в противоточных струйных мельницах селективного измельчения материала одновременно с выводом одного из компонентов из зоны измельчения для снижения степени загрязненности получаемых тонко дисперсных порошков нежелательными примесями трудноразмалы-ваемых частиц.
Работает установка следующим образом. Струйная мельница с само футерующейся отбойной плитой имеет источник энергоностителя 1 и разгонное устройство 2. Камера помола 3 представляет собой сопряжение разгонного устройства 2 и патрубка пылеуноса 10, причем угол между разгонными устройствами и патрубком пылеуноса 10 в вертикальной плоскости проекций может изменяться от 0 до 45. Загрузочный бункер 4 с питателем 5 расположен над источником энергоносителя 1.
Струйная мельница с самофутерующейся отбойной плитой работает следующим образом. Перед первым пуском мельницы ёмкость 6 заполняется фу-теровочным, либо измельчаемым материалом. Исходный продукт, подлежащий измельчению, засыпается в загрузочный бункер 4, откуда посредством питателя 5 под действием силы тяжести поступает одновременно в три разгонных устройства 2. Подхватываемый сжатым энергоносителем, например, воздухом или газом, истекающим из источника энергоносителя 1, материал -разгоняется в разгонном устройстве 2 и, попадая в камеру помола 3, ударяется о материал, поступающий из ёмкости 6 под собственным весом. Измель-чённый продукт разряжением, создаваемым вентилятором 9, по патрубку пы-леуноса 10 поднимается в классификатор 7, где происходит разделение пыле-воздушной смеси: готовый продукт с энергоносителем уносится разряжением в пылеосадительное устройство 8, а недоизмельчённый материал под собственным весом по течке возврата 11 поступает на повторное измельчение.
Таким образом, использование самофутерующейся камеры помола позволяет исключить простои мельницы, связанные с заменой отбойной плиты. Вместо этого, достаточно просто добавлять футеровочный материал в ёмкость б по мере его расходования.
В конструкции данной мельницы можно дополнительно установить еще два разгонных устройства (как показано на рисунке 1.9), что позволит существенно повысить производительность по готовому продукту.
Очевидно, что конструктивная реализация описанной принципиальной схемы противоточной струйной мельницы требует тщательного изучения ее конструктивно-технологических параметров, чему и посвящена настоящая работа. 1.8 Цель и задачи исследований
Целью настоящей работы является разработка оптимальной конструкции и методики .расчета основных технологических и конструктивных параметров струйной мельницы с отбойной плитой, обеспечивающей снижение удельного расхода энергоносителя.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать методику аналитического расчета конструктивно-технологических параметров струйной мельницы с отбойной плитой. . 2. Исследовать режимы работы струйной мельницы с отбойной плитой в составе помольного комплекса и определить условия их протекания. 5. Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессионные зависимости производительности, величины удельной поверхности и давления энергоносителя на выходе из разгонной трубки от входных конструктивно-технологических факторов, и провести экспериментальную проверку в лабораторных условиях разработанной методики расчета и теоретических моделей.
Экспериментальное оборудование и средства контроля
Экспериментальное изучение процесса измельчения клинкера в струйном помольном комплексе, требует применения специального экспериментального оборудования, отвечающего следующим условиям; - экспериментальная установка для исследования процесса измельчения должна обеспечивать возможность изменения исследуемых параметров и режимов работы мельницы в заданных постановкой задачи пределах; - контрольно-измерительная аппаратура должна соответствовать ,. . исследованию изучаемого процесса и обеспечивать необходимую точность измерения. С учетом указанных требований, плана и программы экспериментов, была разработана и изготовлена экспериментальная установка для определения варьируемых параметров и исследования процесса измельчения клинкера, мела и песка в установке на основе струйной мельницы с отбойной плитой. Подготовка материала к измельчению Статистический анализ показателей эффективности противоточной струйной мельницы с традиционной камерой помола Проведение гранулометрического анализа Подготовка к эксперименту оборудования и измерительной аппаратуры Определение физико-механических свойств материала, подвергающегося измельчению Установление интервалов и уровней варьируемых и исследуемых параметров Подача измельчаемого материала в мельницу (дозирование) Измельчение при заданных параметрах Регистрация давления воздуха на срезе разгонной трубки Регистрация производительности мельницы Определение удельной поверхности получаемых порошков цемента
Блок-схема исследования процесса измельчения клинкера в помольном комплексе на основе струйной мельницы с отбойной плитой. Струйная измельчительная установка, как упоминалось выше, состоит из комплекса агрегатов: непосредственно самой противоточной струйной мельницы, сепаратора, циклона, системы рукавных фильтров и вентилятора. Общий вид установки представлен на рисунке 3.2. На рисунке 3.3 представлена схема экспериментальной установки.
В качестве энергоносителя применялся сжатый воздух давлением до 0,8 МПа с температурой 20 С; источником энергоносителя служил компрессор типа 4ВУ1-5/9М производительностью 5 м3/мин. От рессивера последнего по магистрали воздух подается в сопло эжектора струйной мельницы для инжекции материала, его ускорения в разгонных трубках. Кроме этого, сжатый воздух поступает в воздушный загрузочный питатель и в пневматическую систему встряхивания рукавных фильтров. Подачу сжатого воздуха в систему можно регулировать с помощью вентилей и контролировать давление с помощью манометров.
Работает установка следующим образом. С центрального пульта управления включается электропривод сепаратора 6 и вентилятора 9. Открытием вентилей производится подача сжатого воздуха в сопло 3 эжекторного узла 2. Установка готова к работе. Из бункера I исходный материал воздушным загрузочным питателем вбрасывается в сепаратор 6, откуда по патрубку подается в эжектор и за счет высокоскоростной струи воздуха, истекающей из сопла 3, засасывается в разгонную трубку 4, где происходит разгон газоматериальной смеси. Из разгонной трубки смесь попадает в помольную камеру, где сталкивается с отбойной плитой 10.
Устройства регулирования вертикального и горизонтального перемещения изготовлены на основе фотоувеличителя и предоставляет возможность линейного перемещения с точностью до 0,5 мм.
В качестве измерительного инструмента для определения давления была применена пневмометрическая трубка Прандтля (рис. 3.13). Такой выбор основан на следующих положительных качествах вышеназванного прибора: трубка Прандтля определяет скорость потока по разности статического и динамического давлений с погрешностью до 2% при отклонении от оси потока до 15 и менее; ее можно не тарировать; замеры, полученные с ее помощью, не нуждаются в поправке, так как поправочный коэффициент К-1.
Пневмометрическая трубка присоединяется к измерительному прибору -ртутному дифференциальному манометру. Скорость воздуха замерялась косвенно. Зная статическое и полное давление воздуха можно вычислить его скорость.
При определении гранулометрического состава исходного материала использовалось следующее оборудование. Для определения остатков на контрольных ситах применялось вибровстряхивающее устройство типа СММ с набором сит № 5, 3, 2, 1, 05, 025, 008 по ГОСТ 3584-73; весы лабораторные ВЛКТ 500г-М 4-го класса точности по ГОСТ 24104-80; сушильный шкаф с температурой нагрева до ПО С; фарфоровые чашки диаметром 15...20 см.
Исследование влияния факторов на параметры оптимизации
Наибольшее влияние на величину параметра оптимизации, в данном случае производительность мельницы оказывает фактор х1 или частота вращения ротора сепаратора. Следующим по значимости является фактор х4 - длина камеры помола, затем х2 диаметр камеры помола и наконец х3 - диаметр сопла.
Положительные коэффициенты при факторах xj и хз свидетельствуют о том, что с увеличением частоты вращения ротора сепаратора и диаметра сопла удельная поверхность продукта измельчения возрастает. Причем весовое значение факторах; в 10 раз больше, чем фактора xj.
Например, при изменении частоты вращения ротора сепаратора с 750 до 1250 мин"1. Удельная поверхность измельченного клинкера возрастает с 6860 до 7772 см2/г, т.е. на 912 см2/г или на 13,3%. Увеличение диаметра сопла с 4 до 6,5 мм вызывает увеличение удельной поверхности измельченного клинкера с 6860 см2/г до 6950,5 см2/г, т.е. на 90,5 см2/г или на 1,3%.
Отрицательные коэффициенты перед факторами хг и х4 свидетельствуют о том, что с увеличением х2 - диаметра камеры помола и х4 - длины камеры помола удельная поверхность готового продукта уменьшается. Это очевидно и не требует дополнительных объяснений: с увеличением х2 и х4 увеличиваются габаритные размеры камеры помола, а объем и скорость энергоносителя остаются без изменений, вследствие этого снижается энергонапряженность в рабочей зоне камеры помола и, естественно, эффективность процесса измельчения.
На величину давления сжатого воздуха в рабочей камере мельницы наибольшее влияние оказывает диаметр сопла-д: .
С увеличением диаметра сопла давление, при постоянном расходе сжатого воздуха, в рабочей камере мельницы снижается. Это очевидно. Например, при диаметре сопла равном 4 мм давление в рабочей камере мельницы составляет 0,2844 МПа, при увеличении диаметра сопла до 6,5 мм давление в рабочей камере мельницы снижается до 0,2746 МПа, т.е на 3,4%.
Изменение частоты вращения ротора - х}, диаметра камеры помола - х и длины камеры помола - х не оказывают существенного влияния на величину давления в рабочей камере мельницы, Однако, судя по знакам перед этими факторами (они отрицательные) при их увеличении давление в рабочей камере падает, потому что увеличивается объем камеры помола.
Зависимость Р(п) (рисунок 4.14) имеет экстремальный вид с явно выраженным экстремумом в области факторного пространства, равном «0» или в центре факторного эксперимента, что соответствует частоте вращения ротора, равной 750 об/мин. При этом изменение диаметра камеры помола от 45 до 85 мм практически не влияет на изменение величины давления рабочего агента в камере помола мельницы. Это подтверждается совпадением соответствующих графиков, представленных на рисунке 4.14, а.
Изменение диаметра сопла в большей мере влияет на изменение давления в камере помола мельницы (рисунок 4.14, б). Например, при уровне факторов х; и Хз равном «-1» давление в рабочей камере мельницы равно 0,17 МПа, а при уровне фактора хз равном «0» давление в камере помола равно 0,2 МПа, т.е. возросло на 0,03 МПа.
Аналогичные изменения давления происходят при всех вариантах уровней исследуемых факторов. На рисунке 4.15 представлены графические зависимости P(d/J. Сравнительный анализ графиков Р(п) и P(di) показывает, что и зависимость P(d/J имеет экстремальный вид с менее выраженной точкой экстремума, которая также находится в центральной области факторного пространства.
Графические зависимости Р(п), представленные на рисунке 4.16 также имеют экстремальный вид. При этом графики P(dJ при х} - х2 «1»; X) = х2= «-1» совпадают (рисунок 4.16, а, б), т.е. изменение диаметра сопла от 3 до 5 мм и частоты вращения ротора от 500 до 1000 об/мин в равной мере -влияют на изменение величины давления сжатого воздуха в рабочей камере мельницы.
На рисунке 4.17 представлены результаты экспериментальных исследований по выявлению закономерностей изменения функции P(LiJ, т.е. зависимости давления сжатого воздуха в рабочей камере мельницы от длины камеры помола мельницы.
В отличие от графических зависимостей Р(п), P(d,J, PfdJ, графическая зависимость PfL/J линейная монотонно убывающая. При этом величина фактора х2 практически не влияет на величину и характер изменения функции P(LjJ, о чем свидетельствует совпадение графических зависимостей P(L\) при любых значениях фактора .
Изменения диаметра сопла - Xj в большей мере изменяет величину давления в рабочей камере мельницы при любых значениях длины камеры помола - х4 (рисунок 4.17, б). Это подтверждает ранее сделанные выводы.
Таким образом, проведенные нами экспериментальные исследования по выявлению зависимости P(Lj) при различных значениях уровней факторов Xj, х2) х3 позволили определить рациональные значения длины камеры помола, соответствующие наибольшей эффективности процесса измельчения при минимальной расходе энергоносителя. Эта длина равна 80 мм.