Вибровращательная мельница с продольно-поперечным движением мелющих тел Гаврунов Алексей Юрьевич

Вибрационная мельница VKE

Еще в 1952 году, автором патента США Р.С. Робинсоном была предложена конструкция мельницы для помола твердых материалов с помощью шаров или стрежней, направленная на повышение эффективности помола, а также на повышение критической скорости вращения барабана. Материал эффективно распределяется внутри барабана, предотвращая агломерацию частиц и налипание его на стенки барабана [119].

На рисунке 1.2 показана горизонтальная барабанная вибрационная шаровая мельница непрерывного действия. Цилиндрическая помольная камера 4, которая вращается вокруг горизонтальной оси с помощью привода 8, наполненная материалом, который проходит через пару пустотелых цапф 2. Камера закреплена в паре подшипниковых узлов 3, которые установлены на двух неподвижных вертикальных опорах 9, и совершает колебательные движения с помощью привода 6. Внутри помольной камеры установлены сита для отделения мелющих тел от материала. Загрузочный желоб 1, соединенный с полой цапфой 2, служит для загрузки сырья. Разгрузочная цапфа 2 соединенная с механизмом уплотнения 5, позволяет готовому материалу выходить из

Вибрационная мельница, разработанная на ООО «Опытный завод со специальным бюро» (г. Москва), «РВМ-45» предназначена для тонкого измельчения различных сыпучих материалов. Разработан ряд модификаций мельницы для периодического и непрерывного измельчения в ручном и автоматическом режиме для широкого круга материалов, в том числе теплочувствительных - при температуре не более 50-70С, высокой абразивности. Заявлено, что вибромельница «РВМ-45» обладает высокой удельной производительностью и малой материалоемкостью, что позволяет получить высокий экономический эффект измельчения [79].

Мельница (рис. 1.3) состоит из горизонтальной помольной камеры 3, опирающейся на упругие элементы 5, установленные на неподвижной раме 4. Привод мельницы 1 представляет собой вал электродвигателя, соединенный через эластичную муфту 2 с дебалансным валом, который концентрически установлен внутри помольной камеры. При вращении дебалансного вала, помольная камера приводится в колебательное движение по траектории, близкой к круговой. Движение от стенок камеры передается мелющим телам, в зонах контакта которых происходит обработка материала.

Классические вибромельницы инерционного типа, в который входят мельницы «РВМ», имеют ряд общих недостатков: при размещении виброприводов внутри помольных камер движение мелющих тел оказывается затруднено, снижается эффективность работы вследствие ограниченной циркуляции мелющих тел, повышается удельный расход энергии и увеличивается износ деталей машины; наличие в помольной камере большого числа мелющих тел затрудняет непрерывный и равномерный вывод готового продукта из зоны измельчения [23].

Двухкамерная мельница Palla Двухкамерные вибрационные мельницы «Palla» немецкой компании «MBE Coal & Minerals Technology» имеют широкий спектр применения периодическим или непрерывным способом. Питание мельницы осуществляется материалом крупностью до 15 мм, а максимальная тонкость помола 10 мкм, при использовании воздушной классификации - 3 мкм. Производительность мельниц «Palla» достигает 20 т/ч для 160 различных материалов от мягких до твердых. Мельницы «Palla» могут быть использованы для влажных и сухих материалов, работая как гомогенизатор и активатор. Подходят для измельчения таких материалов как уголь, кокс и других органических материалов, которые склонны к воспламенению [115].

На рисунке 1.4 показан общий вид мельницы «Palla VM», которая представляет собой две жестко связанные между собой горизонтальные цилиндрические помольные камеры 1, с расположенными между ними вибровозбудителями 2, все вместе представляет собой подвижную часть, которая установлена на неподвижной раме 4 на упругих элементах 3 и виброизолированном фундаменте 5. Узел вибровозбудителя представляет собой короткий дебалансный вал, установленный в подшипниках качения, закрытый металлическим корпусом. Вибровозбудители соединены промежуточным валом через крестовины, а крутящий момент подается от электродвигателя установленного отдельно. Помольные камеры имеют сменные торцевые днища, которые позволяют конфигурировать загрузочные и выгрузочные патрубки в соответствии с интересующей схемой работы камер.

Помольные камеры, расположенные одна над другой, являются такой конструкции, затрудняя работу с мельницей и обслуживание камер при непрерывном помоле. Кроме того, измельчение в данной мельнице идет наиболее эффективно при заполнении барабана материалом и мелющими телами на 55% от полного внутреннего объема камер, т.е. недостаточно полно используется рабочий объем.

Компания «Microgrinding Systems Inc.» (США) спроектировала вибрационную мельницу, эффективно использующую кинетическую энергию корпуса для измельчения материалов. Мельница «VKE 1040» предназначена для малых производств с низкими требованиями к производительности в пределах 130 кг/час и оснащена электромотором мощностью 1,8 кВт.

Мельница способна измельчать материал до 0,3 мкм с применением настраиваемой системы классификации, с использованием воздушного классификатора. Изнашивающиеся части футеровки могут быть сделаны из резины, уретана, стали или нержавеющей стали. Мельница может работать как в сухом, так и в мокром режиме. Вес мельницы 540 кг [116].

Вибрационная составляющая процесса измельчения

Особый интерес для данного исследования представляет конструкция вибрационной вращательной мельницы предложенная С.В. Лялюком и др. в 1995 г., схема которой изображена на рисунке 1.9, которая устроена следующим образом. [83].

Камера помола 1 вибрационной мельницы установлена свободно, через посадочные подшипники 2 на дебалансном валу 3, который в свою очередь через подшипниковые опоры вращения 4 и пружины 5 опирается на раму 6. На вертикальной оси камеры помола 1, противоположно центру тяжести загрузки, относительно оси вращения камеры помола 1 устанавливают противовес 7, масса которого может изменяться за счет установки или снятия наборных дисков 8.

Загрузка и разгрузка камеры помола мелющими телами и измельчаемым материалом осуществляется через загрузочный 9 и разгрузочный 10 люки. Вращение дебалансного вала 3 осуществляется двигателем 11 через муфту 12. Вибрационная мельница работает в нескольких вибрационных режимах: со свободным вращением камеры помола 1 и без вращения - режим выгрузки.

Среди недостатков горизонтальных вибромельниц, которые уже упоминались в этой главе, можно отметить отсутствие принудительного привода вращения у данной конструкции. Разбалансированность конструкции возникает при использовании материалов с различными физическими свойствами. Так же низкая эффективность измельчения, может объясняться малой кинетической энергией шаров, которая зависит от частоты колебаний камеры и также ограничивается скоростью вращения помольной камеры.

Мельницы «Vibra-Drum» которые предлагает компания «General Kinematics» (Англия) достигают экономии энергии в 35-50% благодаря более эффективному вращательному движению материала, чем в традиционных шаровых или вращательных мельницах, а так же имея надежную конструкцию без колес и приводов [110].

Рисунок 1.10 Вибромельница «Vibra-Drum» (1,4 – пружины; 2 – вибропривод; 3 – подвижная рама; 5 – помольная камера; 6 – загрузочный люк; 7 – разгрузочный люк; 8 – фундамент) Мельница «Vibra-Drum», изображенная на рисунке 1.10, представляет собой цилиндрическую помольную камеру 5, с обеих сторон ограниченную перфорированными торцевыми сетками, которая установлена на упругих элементах (пружинах). Источником вибрации является двухмассный вибратор 2, установленный на подвижной раме 3. Помольная камера 5 опирается на упругие элементы 4 установленные на подвижной раме 3. Благодаря системе пружин 1 и 4, которая связывает подвижную раму и помольную камеру, энергия для измельчения попеременно накапливается и передается помольной камере. Такой способ организации движения приводит мелющие теля в движение, мельница требует меньшее количество энергии на поддержание их в «кипящем» состоянии. Загрузка и выгрузка материала осуществляется через загрузочный 6 и выгрузочный 7 фланцы на корпусе помольной камеры.

Из недостатков рассматриваемой конструкции следует отметить большое отношение длины помольной камеры к ее диаметру, что говорит о длительном нахождении материала в помольной камере, тем самым снижая ее производительность; так же высокую металлоемкость всего агрегата, которая предопределятся большой колеблющейся массой.

Современная вибрационная мельница, как представитель отдельного класса машин, представляет собой конструкцию, с одной или несколькими помольными камерами, заполненными мелющими телами и измельчаемым материалом, установленными на упругих опорах. Помольные камеры приводятся в движение виброприводом, вызывая колебания мелющих тел, измельчающих материал.

Эффективность исследуемого класса машин определяется механическими свойствами измельчаемого материала, частотой и амплитудой колебаний помольной камеры, размерами, геометрической формой и твердостью мелющих тел, объемом помольной камеры, степенью заполнения ее мелющими телами и измельчаемым материалом, способом удаления измельчаемого материала из помольной камеры, а также механикой движения в ней мелющих тел [87,29].

Тонкое механическое измельчение материалов, его количественные и качественные характеристики всегда зависят от типа измельчителя, потому что для различных типов материалов инженеры рекомендуют использовать различные типы измельчителей. Задача совершенствования технологии вибрационного измельчения должна быть основана на правильном выборе материала пригодного для измельчения в данном типе машин.

Совершенствование вибрационных машин для измельчения ведется в направлении снижения их энергоемкости и повышения производительности.

А.Д. Лесин рекомендует использование таких механизмов разрушения, при которых в измельчаемом материале формируется сложное напряженное состояние с упругими деформациями сжатия, растяжения, изгиба и сдвига [56].

Основными параметрами для оптимизации вибрационных измельчителей автор Н.Ф. Еремин считает амплитуду и частоту колебаний помольной камеры, а также траекторию движения мелющей загрузки внутри помольной камеры. Мелющая загрузка создает комплексное воздействие на материал раздавливанием, ударом, изломом и истиранием [35].

Исследования академика П.А. Ребиндера свидетельствуют, что рациональными условиями для измельчения являются такие, при которых материал подвергается многократному воздействию относительно небольших ударных усилий, разрушающих структуру частицы, причём частота воздействий должна быть достаточно высокой для исключения восстановления образующихся трещин. Этот принцип, который лежит в основе вибрационного измельчения должен совершенствоваться [88].

П.А. Ребиндер также установил, что энергию разрушения при измельчении можно понизить введением в измельчаемый продукт дополнительные активные вещества. Поверхностно-активные вещества оказывают на процесс измельчения существенное влияние, проникая в микроскопические дефекты, в результате уменьшая свободную энергию вещества, которая в свою очередь зависит от концентрации поверхностно-активного вещества [85,90].

Еще одним направлением совершенствования процесса вибрационного измельчения может быть интенсификация вводом дополнительного тепла. По мнению Ю.А. Веригина, тепловые потоки создают дополнительные колебания системы и разрушают межатомные связи, тем самым облегчая процесс разрушения материала. Для различных материалов эффективность может быть больше как при повышении температуры измельчения, так и при ее понижении [25].

Экспериментальные исследования показали, что для каждого материала при измельчении, в соответствии с его крупностью соответствует определенный режим скоростей, определенный фракционный состав мелющих тел. Другими словами, процесс измельчения оптимизируется подбором рациональных значений этих факторов [36].

В технологии вибрационного измельчения по мнению автора И.И. Быховского существует определенный ряд проблем для исследования: изучение процессов генерирования механических колебаний; исследование динамики вибрационных мельниц; исследование свойств различных сред, на которые воздействуют рабочие

Описание экспериментальной установки и измерительного оборудования

Регулировка числа оборотов привода вращения и частоты вибрационного привода экспериментальной установки осуществляется со стенда (рис. 3.8) с помощью двух преобразователей частоты LS600-4007 «Long Shenq Electronic» подключенных к приводам и электрическим счетчикам Меркурий-230 «НПК ИНКОТЕКС» по схеме изображенной на рисунке 3.9.

Экспериментальная установка работает в периодическом режиме следующим образом. Регистрируются показания электрических счетчиков. Мелющие тела взвешиваются и через загрузочный люк загружают в помольную камеру. Включается подача электроэнергии со стенда. Исходный материал взвешивается и через загрузочный люк засыпается в помольную камеру под действием вибрации. В загрузочный люк устанавливается сетка, крышка завинчивается. Производиться настройка преобразователей частоты и секундомера, затем регистрируются показания электрических счетчиков. Производиться запуск установки. Привод вибрации создает колебания

Стенд управления установкой помольной камеры, одновременно с этим, привод вращает помольную камеру, что является основным рабочим процессом. Мелющие тела оказывают на измельчаемый материал ударное и истирающее действие, идет непрерывное

Схема подключения лабораторной установки перемешивание материала за счет сложного движения мелющих тел в помольной камере. Через определенное опытным путем время (15 мин) установка останавливается, затем регистрируются показания электрических счетчиков. Далее открывается крышка, через разгрузочный люк под действием вибрации готовый материал выгружается из помольной камеры по присоединяемому патрубку. Регистрируются показания электрических счетчиков, производиться отбор проб измельченного материала.

В ходе экспериментального исследования процесса измельчения в вибрационной мельнице использовался обогащенный кварцевый песок, который, в отличие от других заполнителей, является прочным и стойким материалом, что позволяет использовать его в самых разнообразных технологиях и сочетать с разными материалами.

В экспериментальных исследованиях использовался калиброванный кварцевый песок фракции 1,0-2,0 мм с естественной влажностью, который просушивался перед измельчением при температуре 22С. Для определения целесообразного угла наклона помольной камеры угол естественного откоса смеси кварцевого песка и стальных шаров диаметром 15-20 мм определялся по стандартной методике и составил 18. Угол наклона помольной камеры выбирался для обеспечения продольного перемещения смеси мелющих тел и материала в помольной камере, а также во избежание возникновения дополнительных динамических нагрузок на подшипниковые опоры.

Гранулометрический состав исходного материала контролировался механическим рассевом на ситах с квадратными ячейками № 1,00; 1,12; 1,18; 1,25; 1,40; 1,60; 1,70; 1,80; 2,00; (ГОСТ3584-73).

Для определения удельной поверхности измельченного кварцевого песка использовался «прибор для измерения удельной поверхности цементов и аналогичных порошкообразных материалов, тип Т-3» ТУ 25-11.770-77, который работает на основе метода воздухопроницаемости с погрешностью измерений 0,5% (рис. 3.10). Для взвешивания исходного сырья и навески проб измельченного песка использовались весы электронные настольные МК-6.2-А21, с дискретностью показаний в 0,03%. Забор образцов измельченного песка, определение необходимого числа проб и выбор минимально допустимого веса пробы осуществлялись в соответствии с известными методиками [105,58].

Исследование зернового состава и разделение частиц на фракции в лабораторных условиях выполнялось с помощью лазерного анализатора «MicroSizer 201», включенного в государственный реестр средств измерений (№15544-96) (рис. 3.11), позволяющего с высокой точностью разделить массовые доли весьма узких фракций зерен цемента в диапазоне от 0,2 до 600 мкм. Результаты анализа представляют собой зависимость весовой доли частиц от их диаметра в виде гистограмм и таблиц. Диапазон измерения весовых долей частиц от 0 до 100%.

Определение производительности установки Производительность экспериментальной установки вибровращательной мельницы определялась как отношение количества измельченного готового продукта ко времени его измельчения, в соответствии с качественной характеристикой готового продукта, другими словами, «качественная» производительность.

Потребляемая электроэнергия определялась на основании полученных значений моментальной мощности приводов вращения и вибрации помольной камеры экспериментальной установки с помощью двух счетчиков электрической энергии «Меркурий 230» (рис. 3.12).

Счетчик предназначен для учета электрической энергии в трехфазной сети переменного тока с напряжением 3 380 В, частотой 50 Гц. Значение энергии инициируется на жидкокристаллическом дисплее, а так же на персональный компьютер (ПК) через интерфейс RS-485 и преобразователь интерфейса USB «Меркурий 211» (рис 3.12). Счетчик измеряет потребляемую электроэнергию, напряжение, мгновенную активную, реактивную и полную мощность, по каждой фазе и общую, с погрешностью 0,5%. Регистрация потребляемой электроэнергии осуществлялась путем расчета средних значений моментальной мощности в результате серии замеров в начале, середине и завершении каждого опыта

Исследование зависимости удельной поверхности продукта измельчения от основных параметров установки

Из графиков на рисунке 4.15 видно, что при варьировании частоты вибрации помольной камеры со с 42,9 до 57,1 Гц значение удельного энергопотребления q минимально 0,028 кВтч/кг при со =57,1 Гц, удельная поверхность продукта помола S максимальна 300 м2/кг при со =57,1 Гц и производительность установки Q максимальна и составляет 9,14 кг/ч при со=57,1 Гц.

Анализируя полученные зависимости можно сказать, что наиболее рациональной частотой вибрации помольной камеры будет со=52-57 Гц. При таком режиме достигаются наибольшие значения основных параметров оптимизации, однако при увеличении частоты вибрации со надежность конструкции снижается вследствие повышения динамических нагрузок.

На рисунке 4.16 представлена зависимость удельного энергопотребления q, удельной поверхности продукта помола S и производительности Q от коэффициента загрузки материала ср2.

Из графиков на рисунке 4.16 видно, что при изменении коэффициента загрузки материалом ср2 с 0,08 до 0,2 удельное энергопотребление q принимает минимальное значение 0,049 кВт ч/кг при ср2=0,2, удельная поверхность

Анализируя полученные зависимости можно сказать, что наиболее рациональным коэффициента загрузки материалом будет ср2=0,8-0,12, исходя из минимального расхода электроэнергии q на достижение максимальной производительности Q установки и качества готового продукта S.

Таким образом на основании проведенного анализа зависимостей функций отклика от варьируемых факторов были определены рациональные технологические параметры вибровращательной мельницы: щ=0,6...0,7 -коэффициент загрузки мелющими телами; п=22...23,7 об/мин - частота вращения помольной камеры; со=52... 57 Гц - частота вибрации помольной камеры; ср2=0,8... 0,12 - коэффициент загрузки материалом.

100 мкм, что соответствует требованиям к кварцевому песку для производства большинства сухих строительных смесей. В том числе, частиц размером менее 50 мкм в пробе содержится 76%, а частиц размером менее 20 мкм в пробе найдено 47%; частиц размером менее 5 мкм в пробе содержится 20,6%, а также замечательно, что частиц размером менее 1 мкм найдено 2%, а менее 0,5 мкм

Рисунок 4.18 Диаграмма однородности распределения частиц четырех проб кварцевого песка с S = 338, 362, 298, 340 м2/кг было определено около 0,5%. С уточнением размера частиц, проба содержит 90% частиц размером 82,8 мкм, 70% частиц размером 42,8 мкм, 50% частиц размером 22,7 мкм и 20% частиц размером 4,76 мкм

Анализ говорит о плотном и равномерном распределении размеров частиц в пределах одной пробы в диапазонах размеров частиц от 1 до 10 мкм и от 10 до 100 мкм, что видно на гистограмме (рис. 4.17).

Сравнительная диаграмма зернового состава четырех проб кварцевого песка (рис. 4.18), измельченных в вибровращательной мельнице, со значениями удельной поверхности S соответствующими лабораторным опытам 9, 10, 22 и 23 (табл. 4.1), показал постоянство характера распределения размеров частиц в пределах всех серий эксперимента, что видно из графика однородности (рис 4.18), на котором разными цветами, соответствующим различным пробам, изображены кривые распределения размеров частиц в процентном соотношении.

В итоге, анализ однородности показывает, что размеры частиц в пределах нескольких экспериментов отличаются друг от друга не более чем на 10% по процентному содержанию частиц размером 41,6 мкм, и не более чем на 5% -частиц размером 2,88 мкм.

Для того чтобы сделать вывод об адекватности рабочей гипотезы в данной работе проведем совместный анализ на основе данных теоретических расчетов и экспериментальных наблюдений.

Значения мощности N полученные в процессе проведения лабораторного эксперимента сравнивались с теоретическими расчетами, представленными в разделе 2.2 описанные зависимостью (2.85).

Графическая зависимость мощности N, затрачиваемой в результате вибрации помольной камеры, от частоты вибрации помольной камеры представлена на рисунке 4.19. Из рисунка

Наибольшее расхождение между теоретическими и экспериментальными данными составило 9%, что говорит об адекватности теоретических зависимостей физическому процессу измельчения. 1. Получены результаты лабораторного эксперимента. 2. Проведена оценка однородности гранулометрического состава проб измельченного материала, которая показала равномерное распределение размеров частиц по размерам и высокое содержание частиц размером до 20 мкм. 3. Получены уравнения регрессии вида q=f( pi, п, со, ср2), S=f(cpL п, со, ср2), Q= f(cpi, п, со, ср2), анализ которых показал, что наибольшее влияние на производительность Q машины и удельную поверхность S продукта оказывают частота вращения п наклонной помольной камеры и частота вибрации со камеры, при увеличении которых Q и S возрастают, а удельное энергопотребление q при этом снижается. 132 4. Определены рациональные значения варьируемых факторов для условий q -in, S - max, Q wax, а именно значения: =0,6...0,7; n=22...23,7 об/мин; o =52... 57 Гц; р2=0Д.. 0,72. 5. Проведена сравнительная оценка теоретических и экспериментальных значений мощности N, затрачиваемой в результате вибрации помольной камеры, показав наибольшее расхождение в 9%, что говорит об адекватности теоретических исследований. 133

Исходными данными для расчета и проектирования вибровращательных мельниц являются: характеристики комплектующих элементов и материалов, необходимых для изготовления мельницы; характеристики исходного сырья; характеристики продукта измельчения.

Определяющее значение для расчета технологических параметров вибровращательной мельницы имеет размалываемость материала. Экспериментально установлено [56], что для одного и того же материала вид кинетических кривых зависит только от энергонапряженности процесса виброизмельчения. Вид этой зависимости для каждого материала должен устанавливаться экспериментально. Рациональная энергонапряженность измельчения может быть найдена лишь на основе опыта эксплуатации вибровращательных мельниц в лабораторных и промышленных условиях и его технико-экономического анализа. В зависимости от конкретных условий возможны различные схемы расчета рациональной конструкции вибровращательной мельницы: по измельчаемому материалу, дисперсности продукта измельчения, параметрам вибратора или производительности.

Конструктивно-технологические параметры мельницы, обеспечивающие наибольшую ее производительность, определяются в следующей последовательности:

1. По предварительно установленной энергонапряженности и требуемой дисперсности продукта измельчения находятся необходимые удельные энергозатраты на измельчение материала. Например, для кварцевого песка и других близких к нему по свойствам материалов, при удельной поверхности до 500 м2/кг зависимость 3(NV) имеет вид, кВтч/кг [56]:

Похожие диссертации на Вибровращательная мельница с продольно-поперечным движением мелющих тел

Особенности процесса движения мелющих тел в трубной мельнице с различными конструкциями внутримельничных устройствСтарченко Денис Николаевич

Шаровая барабанная мельница с регулируемой кинематикой мелющих телВелентеенко Павел Николаевич

Шаровая мельница с поперечно-продольным движением и рециклом загрузкиСоловьев Олег Рудольфович

Численное моделирование движения небесных тел на основе методов Адамса с высоким порядком аппроксимацииАбрамов Владимир Владимирович

Разработка математического и программного обеспечения для моделирования движения малых тел Солнечной системыДенисов, Сергей Сергеевич

Математическое моделирование движения малых тел Солнечной системы на основе метода тейлоровских разложенийАлтынбаев Фанис Хайдарович

Интенсификация процесса измельчения и расчет конструктивно-технологических параметров цементных мельниц с поперечно-продольным движением мелющих телФадин, Юрий Михайлович

Математическое моделирование движения небесных тел на основе высокоточных разностных схемЗаусаев Артем Анатольевич

Моделирование движений токопроводящих тел в быстропеременном и постоянном магнитных поляхАртемьева Мария Станиславовна

Математическоемоделирование движения небесных тел на основе высокоточных разностных схемЗаусаев Артем Анатольевич