Введение к работе
Актуальность проблемы. Для России важной государственной проблемой является снижение энергозатрат во всех уровнях производства и, в первую очередь, при переработке и обогащении руд, где наиболее трудоемким и энергоемким процессом является измельчение руды, на долю которого приходится около 64 % энергозатрат.
Перспективными аппаратами нового типа, способными эффективно осуществлять операции измельчения при высоких технологических показателях и низких энергозатратах, являются центробежные мельницы вертикального типа. Эксплуатация этих мельниц при размоле свинцово-цинковых, медных, марганцевых, железных руд и других сырьевых материалов показала экономическую целесообразность нового способа самоизмельчения за счет отсутствия мелющих тел, совмещения операций мелкого дробления и измельчения, малой металлоемкости, отсутствия специальных фундаментов, высокой удельной производительности, сокращения удельного расхода электроэнергии, низкого расхода металла, низкого уровня шума в работе, простоты конструкции и ремонтных операций.
При создании центробежных мельниц вертикального типа производительностью более 5 т/ч был выявлен ряд технологических и технических проблем, связанных с вынужденной блокировкой кольцевого горизонтального разгрузочного зазора между подвижными и неподвижными элементами мельницы, а также с размещением в нижней кольцевой части рабочего пространства центробежной мельницы, в зоне над вращающимся ротором, дополнительных кольцевых просеивающих поверхностей. Так, повысилось переизмельчение готового продукта, снизилась производительность мельницы по исходному и готовому продукту, повысился расход электроэнергии и т.п.
Учитывая недостаточное научное и экспериментальное обоснование закономерностей измельчения минерального сырья в центробежных мельницах вертикального типа, а также способов эвакуации измельченного продукта из рабочего пространства, направление данного исследования представляется актуальным и своевременным.
Цель работы: повышение качества готового продукта при дезинтеграции минерального сырья в центробежной мельнице вертикального типа.
Идея работы: снижение переизмельчения готового продукта центробежной мельницы вертикального типа при изменении способа эвакуации измельченного материала из рабочего пространства мельницы.
Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований: критическое обобщение опыта на основе анализа литературных и патентных источников, гранулометрический и фракционный методы анализа продуктов измельчения, теоретические исследования с использованием теории гидродинамики, лабораторные эксперименты, методы планирования экспериментов, статистические методы исследований с обработкой результатов на ЭВМ.
Научные положения, защищаемые в работе.
1. Производительность центробежной мельницы вертикального типа по готовому продукту и затраты мощности на измельчение материала от времени испытаний описываются соответственно нелинейной и линейной зависимостями в переходный период, который продолжается от 4 до 6 часов с момента первоначальной загрузки исходного продукта в мельницу.
2. Доказано, что зависимость выхода расчетных классов – 0,08 мм в выгрузке центробежной мельницы вертикального типа от времени испытаний при измельчении минерального сырья имеет нелинейный характер. При этом установлено, что наибольшее влияние на производительность мельницы по расчетному классу – 0,08 мм оказывают высота столба материала и количество ребер, установленных в полости ротора, а частота вращения ротора влияет незначительно.
3. Усовершенствована математическая модель движения измельчаемого материала в рабочем пространстве центробежной мельницы вертикального типа в виде системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса. Она показывает, что движение материала внутри неподвижного корпуса мельницы начинается у стенок корпуса от плоскости вращения верхних кромок ребер ротора, имеющего форму перевернутого полого усеченного конуса, продолжается по восходящей спиралевидной траектории, которая расположена на поверхности параболоида вращения с вершиной на оси мельницы, и далее завершается по нисходящей траектории у оси мельницы. При этом происходит формирование подвижного торообразного ядра материала над вращающимися ребрами, высота которого определяется частотой вращения ротора, давлением столба материала, находящегося над ротором, и коэффициентом эквивалентной вязкости продуктов измельчения.
4. Установка просеивающих поверхностей в периферийной нижней части рабочего пространства центробежной мельницы вертикального типа приводит к снижению выхода класса -0,04 мм в среднем на 15 %, с одновременным повышением производительности по исходному продукту на 31,7 %.
Научная новизна:
1. Впервые определены зависимости производительности центробежной мельницы вертикального типа по готовому продукту и мощности, затрачиваемой на измельчение материалов, учитывающие блокировку кольцевого зазора между подвижными и неподвижными элементами мельницы, наличие кольцевых просеивающих поверхностей в периферийной нижней части рабочего пространства мельницы, изменение высоты столба измельчаемого материала в корпусе мельницы, частоты вращения ротора и размера исходного питания.
2. Зависимость производительности центробежной мельницы вертикального типа по выходу расчетных классов – 0,08 мм от времени испытаний в выгрузке мельницы при измельчении минерального сырья определена с учетом блокировки кольцевого зазора между подвижными и неподвижными элементами и размещением кольцевых просеивающих поверхностей в периферийной нижней части рабочего пространства мельницы, позволяющих снизить переизмельчение кондиционного продукта, а также с учетом варьирования высоты столба материала в корпусе мельницы, частоты вращения ротора и количества ребер, установленных в полости ротора.
3. Усовершенствованная теоретическая модель движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы вертикального типа учитывает форму ротора в виде полого перевернутого усеченного конуса и установку в его полости радиальных ребер.
4. Впервые с учетом блокировки кольцевого зазора между подвижными и неподвижными элементами центробежной мельницы вертикального типа установлена доля участия просеивающих поверхностей, размещенных в периферийной нижней части рабочего пространства, в общем процессе эвакуации готового продукта.
Научное значение работы:
1. Установленные зависимости производительности центробежной мельницы вертикального типа по готовому продукту, а также мощности, затрачиваемой на измельчение материалов, позволяют прогнозировать расход электроэнергии при достижении той или иной производительности.
2. Установленная зависимость выхода расчетных классов – 0,08 мм в выгрузке центробежной мельницы вертикального типа позволяет регулировать гранулометрический состав конечного продукта с целью снижения переизмельчения материала, что, в свою очередь, позволяет увеличить количество материала, эффективно участвующего в последующем процессе флотационного обогащения.
3. Выявленные кинематические и динамические параметры движения измельчаемого материала в корпусе и роторе центробежной мельницы вертикального типа позволяют определить скорость и направление движения слоев материала в любой точке рабочего пространства, энергетические затраты на их перемещение, влияние высоты столба материала на характер его движения в пространстве над ротором.
Практическое значение работы:
- разработаны методики испытания центробежной мельницы вертикального типа и конструктивные решения по эффективной эвакуации готового продукта из ее рабочего пространства;
- разработана программа расчета на ЭВМ для определения производительности центробежной мельницы и затрат мощности на измельчение минерального сырья, а также гранулометрического состава продуктов размола на языке программирования Pascal;
- предложена конструкция центробежной мельницы вертикального типа с размещенными в ее корпусе кольцевыми элементами, использование которой позволяет повысить производительность процесса измельчения минерального сырья и снизить переизмельчение готового продукта.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных условиях, использованием современных методик и измерительной аппаратуры, внедрением результатов исследований и новых научно-технических разработок в производство, подтвержденных актом внедрения. Все математические модели, представленные в диссертационной работе, адекватны экспериментальным данным с уровнем значимости 0,05.
Реализация выводов и рекомендаций. Основные рекомендации по реконструкции рабочего пространства центробежной мельницы, своевременной эвакуации готового продукта из центробежной мельницы, усовершенствованию конструкторской документации центробежной мельницы МВ-1 производительностью 5 т/ч, а также результаты по исследованию закономерностей измельчения минерального сырья в модернизированной центробежной мельнице приняты в 2011 г. к использованию ОАО «Кавказцветметпроект» при разработке новой технологической линии размола минерального сырья для получения порошковых продуктов с применением этих мельниц.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на научном симпозиуме «Неделя горняка-2011», г. Москва, 2011 г.; на Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека» - Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности, г. Екатеринбург, 2011 г.; на II Международной научно-практической конференции «Молодые учёные в решении актуальных проблем науки», Владикавказ, 13-15 мая 2011; на VII Региональной школы-конференции молодых ученых «Владикавказская молодежная математическая школа», Владикавказ, 25-30 июля 2011 года; на научно-практической конференции, посвященной дню эколога «Природа. Общество. Человек», Владикавказ, 3 июня 2011 года; на заседаниях секции технологических машин и оборудования ежегодных научно-технических конференций СКГМИ (ГТУ) 2009-2011 гг.; на расширенном заседании кафедры технологических машин и оборудования СКГМИ (ГТУ), 2011 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 статьях, из них 1 статья включена в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов, определенных ВАК РФ, а также получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, а также 5 приложений, изложенных на 146 страницах машинописного текста, и содержит 14 таблиц, 41 рисунок, список использованной литературы из 95 наименований.
