Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния, направления развития технжи и технологии тонкого и сверхтонкого измельчения материалов
1.1. Оборудование, применяемое для тонкого измельчения 10
1.2. Оборудование, применяемое для сверхтонкого измельчения 17
1.3. Струйное измельчение и его перспективы в производстве тонко дисперсных материалов 21
1.4. Обоснование возможности и целесообразности применения противоточной струйной мельницы в технологии производства тонкой технической керамики 39
1.5. Цель и задачи исследований 47
Глава 2. Методика расчета противоточной струйной мельницы с изменяемыми параметрами помольной камеры
2.1. Анализ существующих теорий струйных мельниц 50
2.2. Факторы, определяющие эффективность процесса измельчения в струйной противоточной мельнице 55
2.3 Схема струи в помольной камере 60
2.4. Методика расчета скорости частиц измельчаемого материала и энергоносителя в помольной камере противоточной струйной мельницы 65
2.5. Методика расчета области эффективного взаимодействия измельчаемого материала в помольной камере противоточной струйной мельницы 72
2.6. Схема течения струи в помольной камере с изменяемыми параметрами 80
2.7. Определение степени разрежения в помольной камере противоточной струйной мельницы в зоне обратных токов 85
2.8. Определение траектории струи в помольной камере с изменяемыми параметрами 90
Глава 3. Методжа проведения экспериментальных исследований
3.1. Основные положения экспериментальных исследований 95
3.2. Экспериментальное оборудование и средства контроля 96
3.3 Характеристика исследуемого материала 107
3.4. План многофакторного эксперимента 108
Глава 4. Экспериментальные исследования противоточной струйной мельницы с изменяемыми параметрами помольной камеры
4.1. Многофакторный статистический анализ показателей эффективности работы противоточной струйной мельницы с традиционной камерой помола 113
4.2. Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения в противоточной струйной мельнице с изменяемыми параметрами помольной камеры 115
4.3 Определение оптимальных параметров процесса измельчения в противоточной струйной мельнице 134
Глава 5. Промышленное внедрение 144
Основные результаты 151
Список литературы 153
Приложения 165
- Оборудование, применяемое для сверхтонкого измельчения
- Факторы, определяющие эффективность процесса измельчения в струйной противоточной мельнице
- Экспериментальное оборудование и средства контроля
- Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения в противоточной струйной мельнице с изменяемыми параметрами помольной камеры
Введение к работе
Создание нового поколения минеральных вяжущих материалов: вяжущих низкой водопотребности (ВНЕ), тонкомолотых цементов (ТМЦ), быстротвердеющих портландцементов (ПЦ) и шлакопортландцементов (ШПЦ), порошков, предназначенных для использования в качестве наполнителей при производстве пластмасс, резины, бумаги, эмалей, лаков, красок, керамики и других изделий, применяемых в строительстве, а также подготовка сырьевых материалов для их последующей переработки сопряжены с необходимостью тонкого измельчения.
От того, насколько тонко удается измельчить материал, во многом зависят и возможности расширения использования отходов различных отраслей промышленности, и получение местных строительных материалов на их основе.
Необходимость повышения дисперсности строительных и других материалов приводит к потребности совершенствования существующего и созданию нового технологического оборудования для тонкого и сверхтонкого измельчения на основе новейших научно-технических достижений.
Однако, с увеличением тонины получаемого продукта, производительность помольного оборудования с некоторого момента начинает резко снижаться при одновременном увеличении энергетических затрат [10, 12, 102].
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 45-55 кВт-ч, т. е. примерно 50 %, Вместе с тем, высокая прочность измельчаемых материалов приводит к ускоренному износу мелющих тел и других органов измельчителей, что отражается на металлоемкости измельчительных процессов и в целом на их стоимости. Все это заставляет искать новые энергосберегающие технологии помола и заниматься разработкой высокоэффективного оборудования [18, 36].
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.
В свете современных технологий для тонкого и сверхтонкого измельчения перспективны струйные мельницы [11, 12, 13, 83]. Они пока не нашли широкого применения в промышленности. Множество существующих конструкций струйных измельчителей часто несовершенны, что обусловливает противоречивые суждения о возможностях струйного помола.
Реализуемый в такого класса измельчителях, способ высокоскоростного самоизмельчения материалов позволяет повысить не только дисперсность получаемого продукта, но и удельную производительность, энергонапряженность и КПД помольного оборудования, получать продукты химически чистые от механических примесей, возникающих от износа рабочих органов.
Теория и практика эксплуатации различных типов струйных измельчителей выявила преимущества мельниц с противоточной помольной камерой. Они просты в конструктивном исполнении, характеризуются относительно невысоким расходом энергоносителя. Возможность работы мельницы в замкнутом цикле измельчения упрощает классификацию пол>^аемых порошков и обеспечивает их заданные свойства.
Однако существующие теории расчета и конструирования противоточных струйных мельниц носят пока ещё незавершенный характер, что не позволяет эффективно использовать весь спектр их преимуществ из-за конструктЛЛЛЛЛЛЛ недоработок. Так, наибольшее внимание в литературе по данной: ТеМЛ,ЛЛЛЛЛ основном отводится расчёту эжекторных узлов и уже как дополнение следу!Л"Л рекомендации по исполнению конструктивных параметров помольной камерь, хотя пребывание частиц на участке разгона на порядок меисыпе времен пребывания частиц в зоне соударений струй, а концентрация твердз.ой фазы в зон измельчения в десятки раз выше, чем на разгонном участке.
Анализ существующих способов разрушения частгиц материала, теоретических и экспериментальных зависимостей изменения прЛЛЛ измельчения от конструктивных параметров помольного блока74 поДУЛЛЛЛЛЛЛ исследовании данного оборудования, а также указанные 1выи1 неДОЛ'ЛЛ потребовали проведения дальнейших исследований в этом нап]равлнии.
Целью настоящих исследований является повышеише эфф*А'АЛлл процесса измельчения в противоточных струйных мельницах гза сЛт организ Ц мйтенсивностъ режима работы помольной камеры, позволяющего измезнять «Л"Л ллгчета основных отвода материала из зоны измельчения и разработка метощшж расчсЛ- конструктивно-технологических параметров усовершеь-ств ованйого ЛОКа помола противоточной струйной мельницы, обеспечиваАЕОШ,**А ллаксималь ую производительность процесса измельчения.
С1г-чета скорости Научная новизна работы представлена методиысой: раом ттллдольной камере частиц измельчаемого материала и энергоносителя в тюм*--'л противоточной струйной мельницы; аналитическими выражениями Д определения длины эффективного пролета частиц в завив:си]ч/юс'Х1 * от их размер л ЛЛгЛг*ала в помольной области эффективного взаимодействия измельчаемого шелллрл*лл тгттины помольной камере противоточной струйной мельницы; методикой -раоЛета а-'Ал камеры, связывающей геометрические и аэродзяинаизмиллские параметр ^олл-жени я и траекторий аналитическими вьфажениями для определения степенжи р» жЛпЛг гтспользуемыми для струи в помольной камере с изменяемыми параме'~зсра-':5ми, haV/ J л«пчли -й виде уравнений расчета диаметра камеры помола; математическими -модаел»-*и » » регрессии, позволяющими получить рациональные конструктивные и технологические параметры помольной камеры с изменяемыми параметрами.
Практическая ценность работы заключается в методике расчета основных газодинамических и конструктивных параметров процесса измельчения в противоточной струйной мельнице с изменяемыми параметрами помольной камеры и рекомендациях по выбору оптимальных технологических режимов работы противоточной струйной мельницы, используемой в технологии производства тонкой технической керамики. По результатам работы разработана новая конструкция блока помола противоточной струйной мельницы, внедрение которой обеспечивает повышение производительности при измельчении глины на 25-30%.
Реализация работы. Диссертационная работа выполнялась в БелГТАСМ в рамках Межвузовской научно-технической программы «Инновации» и ГРАНТа по архитектуре и строительным наукам. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса измельчения, методики расчета рациональных конструктивных и режимных параметров, разработанный вариант противоточной струйной мельницы с изменяемыми параметрами помольной камеры производительностью до 50 кг/ч внедрены в производство в учебно-научно-производственном комплексе «Технолог» г. Белгород.
Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Механическое оборудование производства строительных материалов» в апреле 2002 года.
Основные результаты исследований докладывались на научно-практических конференциях, проводимых в БелГТАСМ: Международной научно-практической конференции-школе-семинаре «Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге X X I века» в 1998 г., II Международной научно-практической конференции-школе-семинаре молодых ученых, аспирантов и докторантов «Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы X X I века» в 1999 г., Международной научно- практической конференции, посвященной 30-летию БелГТАСМ «Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге X X I века» в 2000 г.. Международной наз^но-практической конференции «Проблемы производства и использования мела в промышленности и сельском хозяйстве» в 2001 г.; на 55-й Международной конференции молодых учёных (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» в г. Санкт-Петербурге в 2001 г.; на Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2001» в г. Санкт-Петербурге в 2001 г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 13 печатных работ, получен патент РФ на изобретение и два положительных решения о выдаче патентов по заявкам на изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Работа включает 211 страниц, в том числе 164 страницы машинописного текста, 5 таблиц, 54 рисунка, список литературы из 120 наименований и 6 приложений на 47 страницах.
На защиту выносятся: методика расчёта технологических параметров двухфазных потоков в помольной камере с изменяемыми параметрами и отводящих патрубках; методика расчёта геометрии помольной камеры с изменяемыми параметрами; регрессионные модели, определяющие влияние основных факторов, обуславливающих протекание процесса измельчения, на производительность мельницы, удельную поверхность получаемого продукта и удельный расход энергоносителя; оптимальные конструктивно-технологические параметры противоточ-ной струйной мельницы с изменяемыми параметрами помольной камеры; противоточная струйная мельница, оснащенная патентно-чистой конструкцией помольной камеры с изменяемыми параметрами.
Оборудование, применяемое для сверхтонкого измельчения
Возросшие требования к качеству порошков, их дисперсному составу и получаемой на их основе продукции, заставляют исследователей и производителей оборудования для измельчения искать пути совершенствования техники и разрабатывать новые виды помольных агрегатов.
Так фирмой Хосокава Микрон выпускается ангстремная мельница сверхтонкого помола, которая подходит для производства частиц размером менее 2-3 мкм [89]. Камера измельчения мельницы вращается с высокой скоростью, а находящаяся в ней внутренняя вставка полукруглой формы вращается в том же направлении со значительно меньшей скоростью. На загружаемый в корпус измельчаемый материал воздействует центробежная сила, прижимающая его к внутренней стенке. При этом из-за разницы в частотах вращения корпуса и внутренней вставки сжатие в центральной части резко возрастает и одновременно с этим возникает интенсивное истирание.
Подлежащий измельчению загружаемые частицы должны иметь размер от нескольких сот до нескольких тысяч микрон. Это очень мелкий исходный продукт, следовательно, использование этих мельниц связано с необходимостью предварительного измельчения.
В связи с развитием схем с предизмельчением снова возникает интерес к центробежно-ударным дробилкам. А в ряде работ показана возможность создания и реализации технологических схем измельчения с центробежно-ударными высокоскоростными мельницами (ЦУМ) для получения цемента, в том числе и высоко дисперсного [9, 22], Измельчение в них происходит преимущественно ударом при взаимодействии частицы с билами (молотками) ротора и футеровкой корпуса. Эффективность процесса в ЦУМ зависит от окружной скорости вращения ротора, формы и материала элементов ЦУМ.
Представителем этого класса измельчителей являются дезинтеграторы, которые получили широкое распространение в промышленных условиях, К технологическим преимуществам дезинтеграторов следует отнести возможности селективного измельчения композиционных полимерных материалов, руд, получение порошков различных материалов заданного дисперсного состава, распушения волокнистых материалов, получение аэродисперсий, измельчение в вакууме и различных газовых смесях [40, 41, 67, 74, 76, 97].
Вместе с тем, при всех преимуществах они имеют ряд недостатков: небольшое количество соударений частиц материала с рабочими элементами в камере помола, значительная энергоемкость, получаемый продукт загрязняется частицами износа рабочих элементов за счет активного истирания при высоких скоростях удара (до 300 м/с).
Особенно опасно попадание в дезинтегратор металлических предметов и крупных кусков прочных материалов. При высоких скоростях вращения такие предметы могут полностью вывести из строя машину.
До последнего времени применение ЦУМ лимитировали высокий износ измельчающих поверхностей и сложные условия работы ротора (дебаланс). Пути совершенствования ЦУМ (увеличение массы ударных элементов, футеровка помольной камеры, возможность применения высокоизносостойких сплавов, новых композиционных материалов, самобалансирующихся роторов и других решений) привели к снижению энергонапряженности, а следовательно, открывают определенные перспективы развития и повышения конкурентоспособности ЦУМ [9, 22, 74].
Для тонкого диспергирования и микроразмола (до 1 мкм) твердых и жидких веществ с различной вязкостью, пигментированных Ж М , печатных красок, грунтовок, пигментных паст и пр., а также диспергирования и дезагрегирования анилинокрасочных, косметических, пищевых, кормовых и многих других материалов широко используются бисерные мельницы [46, 60, 75, 84].
Известны разнообразные конструкции бисерных измельчителей, отличаюш;ихся формой ротора, устройствами для подачи и отвода обрабатываемой среды. Изготавливаются и эксплуатируются вертикальные и горизонтальные измельчители: с роторами, снабженными сплошными, перфорированными, щелевыми, спиральными и эксцентрично установленными дисками; со стержневыми роторами; с цилиндрическими и коническими корпусами, поперечное сечение которых может быть круглым, овальным или треугольным. В качестве мелющих тел используются стеклянные (бисер из закаленного тугоплавкого стекла), керамические или стальные шарики [97].
Современные горизонтальные бисерные мельницы, использующие новые материалы и компьютерные технологии, занимают господствующее положение на заводах, производящих ЛКМ, благодаря их низкой стоимости и простоте техобслуживания.
Наибольший интерес отмечается к горизонтальной герметичной мельнице МПШМ-1 [84]. Ее создание позволило осуществить процесс диспергирования пигментов в связующих с использованием как крупных (1,7-2,5 мм), так и мелких (0,3-0,5 мм) мелющих тел. В зависимости от вида производимого ЛКМ достигаются различные степени размола - от 20-15 до 8-5 мкм.
Весьма интересным представляется оборудование, выпускаемое бельгийской фирмой Ateliers Sussmeyer S.A. Бисерные мельницы типа ЕНР - это мельницы непрерывного действия, характеризуются широким спектром преимуществ по сравнению с аналогичными горизонтальными мельницами, которые достигнуты благодаря новым конструктивным решениям. В настоящий момент бисерные мельницы по лицензии фирмы Ateliers Sussmeyer S.A. изготавливаются российской компанией C.B.K. [60, 75].
Факторы, определяющие эффективность процесса измельчения в струйной противоточной мельнице
Любой струйный аппарат включает в себя эжектор, представляющий собой узел, в котором происходит смешение и обмен энергией двух потоков (основного и эжектируемого) и помольную камеру, в которой взаимодействуют смешанные потоки. Твердый материал перемещается газовым потоком, поэтому основным видом воздействия на частицы материала являются гидродинамические силы потока и механические силы взаимодействия частиц между собой и со стенками элементов мельницы, ограничивающими поток. Поскольку в потоке газа имеются частицы разных размеров, то очевидно, что движение полидисперсных частиц отличается от движения одиночной частицы. Так, мельчайшие частицы материала, скорее всего, будут строго следовать по линиям течения несущей среды, а более крупные под влиянием сил инерции смещаются по отношению к этим линиям. Рассмотрим процесс ударного измельчения несколько подробнее (рис 2.1). Движение частиц твердого материала будем считать равноускоренным и равномерно прямолинейным.
Пренебрегая гравитационными силами, можно считать, что частица твердого материала в газе движется прямолинейно до тех пор, пока не произойдет ее столкновение с другой частицей или со стенкой. В процессе столкновения частицы обмениваются между собой импульсом и энергией и изменяют направление своего движения. В качестве теоретической основы формулирования механизма разрушения твердых тел многие исследователи помольных процессов используют известный в механике принцип минимальной энергии, по которому равновесное состояние деформированного тела соответствует минимуму потенциальной энергии системы [69]. Разрушение при ударе определяется скоростью движения в момент удара и происходит вследствие распространения в теле продольных и поперечных ударных волн, их отражения от свободных поверхностей и интерференции [13]. Диспергирование тела осуществляется в основном за счет возникновения поперечных растягивающих напряжений, создающих предельные нагрузки и местной концентрации напряжений. В результате образуется трещина, размеры которой с течением времени увеличиваются [56, 62, 70,112]. Эффективность удара пропорциональна скорости частицы, наносящей удар, поэтому из дифференциального уравнения движения частицы можно записать [13]: где а - напряжение, возникающее в теле частицы. Па; т - масса частицы материала, кг; и - скорость частицы материала в точке удара, м/с; р - плотность частицы материала, кг/м ; Е- площадь сечения частицы материала, м ; Со - скорость звука в материале, м/с.
Из выражения (2.15) следует, что величина напряжения, возникающего в теле частицы материала, будет описываться формулой [13]: Следовательно, волна напряжения, распространяющаяся в теле, имеет ударный фронт со скачком, равным р-Х] -Сд, убывающим по экспоненте. Ударная волна, достигая поверхностей частицы, отражается от них с переменой знака, при этом ударный импульс многократно пробегает частицу. Импульс сжатия отражается от поверхности частицы, противоположной точке удара, и преобразуется в импульс растяжения. Отраженные от боковых поверхностей импульсы приводят к образованию трещин, параллельных этим поверхностям. Немедленно после возникновения трещины часть импульса отражается от нее, что при достаточной энергии импульса приводит к образованию новой трещины ИТ. д. В качестве одного из факторов, влияющих на условия разгона частиц до скоростей, обеспечивающих максимальные напряженные состояния частиц при столкновениях, можно рассматривать концентрацию материала. Следующим объектом рассмотрения является механизм удара частицы материала, движущейся в газовом потоке, о стенку помольной камеры (рис. 2.2). В соответствии с вышеизложенным, в точке удара возникает волновой процесс с образованием трещиноватой зоны и последующим ее выкрашиванием. Процесс измельчения сопровождается уменьшением массы отдельных частиц за счет уменьшения их объёма. С уменьшением размера частиц должны изменяться условия силового нагружения их, и разрушение будет происходить в основном не за счет сжатия или удара, а за счет трения. Трение - сложный вид взаимодействия и в отличие от удара его нельзя описать законами физики. Процесс разрушения частицы представляется следующим образом (рис. 2.3). В точках соприкосновения разрушаемой частицы с окружающими частицами возникают трещины, распространяющиеся радиально в некоем шаровом объеме. На некотором удалении от поверхности трещины пересекаются друг с другом, образуя трещиноватый слой, слабо связанный со слоями, расположенными глубже. Затем происходит отшелушивание трещиноватого слоя, после чего процесс повторяется. Тонкое измельчение характеризуется многократным повторением описанного цикла. Исследованиями показано [66, 72], что твердые частицы могут разрушаться не только за счет взаимных соударений в газовом потоке, но и в результате действия на них сил потока. При этом измельчение обуславливается напряжениями сжатия и сдвига. Однако при рассмотрении всех факторов струйного измельчения, авторами исследований принималось допущение о столкновении одиночных частиц шарообразной формы, движущихся в равновероятном направлении, что не отражает истинных явлений, происходящих в пылегазовых потоках. Движение массы твердых полидисперсных частиц в газовом потоке в отличие от движения одиночной частицы усложняет вихревую структуру потока. Газовый поток, содержащий твердые частицы в определенной концентрации, характеризуется наличием относительных движений частиц, накладывающихся на движения турбулентных потоков.
В подобных условиях возникают силы аэродинамического взаимодействия между газом и твердым телом, а также между частичками твердого материала. Величина и характер этого взаимодействия зависят от физико-механических свойств материала, дисперсности и концентрации твердых частиц, режима движения потока [39, 49, 82]. Неправильная форма частиц и смещение центра масс вызывает вращение частиц материала, при этом механизм взаимодействия твердой и газовой фаз в движущихся пылегазовых потоках позволяет разрушаться частицам материала не только при центральном ударе, но и силами трения при вращении или при нецентральных ударах частиц. При этом благоприятные условия для истирающего разрушения создаются при соударении встречных струй, когда частицы измельчаемого материала вовлекаются в интенсивное колебательное движение. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что метод струйного измельчения осуществляется в процессе физико-механического взаимодействия частиц измельчаемого материала и энергоносителя, при этом является сложным и многофакторным. В настоящее время не известны обобщенные показатели, характеризующие измельчаемость материала независимо от способа разрушения. Поэтому на наш взгляд, существует множество групп факторов, характеризующих способ разрушения твердого вещества. К одной из таких групп можно отнести: вид механической нагрузки, скорость ее приложения, концентрация твердого материала в газовом энергоносителе, геометрические размеры и исполнение основных элементов мельницы. Найдя же количественные соотношения главных из рассматриваемых факторов, в качестве которых могут выступать конструктивные параметры помольной камеры, можно прогнозировать результаты струйного измельчения.
Экспериментальное оборудование и средства контроля
Экспериментальное изучение процесса сверхтонкого измельчения глины в противоточной струйной мельнице с изменяемыми параметрами помольной камеры, 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 глины в противоточной струйной мельнице, снабжённой помольной камерой с изменяемыми параметрами. На рис. 3.2 представлена схема экспериментальной установки. Общий вид установки представлен на рис. 3.3. Установка содержит: непосредственно саму противоточную струйную мельницу с изменяемыми параметрами помольной камеры, сепаратор, циклон, вентилятор и систему рукавных фильтров. Противоточная струйная мельница содержит загрузочную воронку 1, патрубки пылевозврата 2, блок помола 3, включающий в себя два эжекторных узла 4 и помольную камеру с двумя отводными патрубками, которые имеют возможность плавно изменять угол вверх и вниз относительно горизонтальной оси, патрубки пылеуноса 5. Общий вид блока помола представлен на рис. 3.4. Эжекторный узел, общий вид которого представлен на рис. 3.5, состоит из приёмного бункера 1 приваренного к корпусу 2. Внутри корпуса 2 расположено сопло 3 и разгонная трубка 4, на которой устанавливается отбойная плита 5.
Приемный бункер 1 имеет два смотровых окошка 6 для визуального наблюдения за процессом поступления материала в приёмный бункер. Общий вид помольной камеры с изменяемыми параметрами представлен на рис. 3.6. 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 м мин. От ресивера последнего по магистрали воздух подавался в помольный блок через два противоположно направленных сопла помольных эжекторов противоточной струйной мельницы. фильтр тонкой очистки; 11 - магистраль подвода сжатого Подача сжатого воздуха в систему регулировалась с помощью дросселей, а для фиксации рабочего давления воздуха от компрессора использовались манометры типа МТП-100 с пределом измерения 0- 1 МПа. Роль классификационного устройства выполнял центробежный отбойно-вихревой классификатор (КОВ-300). Частоту вращения ротора сепаратора регулировали с помощью реостата. Измерения производились электронным тахометром ТЭ 30 5Р ГОСТ 21339-75. Готовый продукт разгружается из циклона и системы рукавных фильтров. Для создания разрежения в помольной камере и для пневмотранспорта материала по системе установлен вентилятор высокого давления. Установка работает следующим образом (рис. 3.2). Исходный материал через загрузочную воронку 1 подаётся в патрубки пылевозврата 2 и по ним поступает на измельчение в блок помола 3. Подача энергоносителя в помольный блок 3 осуществляется из магистрали 11 в два противоположно направленных сопла 6. Материал, измельченный в помольной камере, по патрубкам пылеуноса 5 поступает в сепаратор 7 на цикл классификации.
Поток отработанного газа и частиц, достигших заданного размера, вентилятором 8 прокачивается через циклон 9 и фильтр тонкой очистки 10. В циклоне происходит осаждение основной части готового продукта, а газ с тонкими частицами проходит через рукавный фильтр 10 и выбрасывается в атмосферу очищенным. Работа блока помола с изменяемыми параметрами помольной камеры осуществляется в следующем порядке (рис. 1.14). Из соосно введенных в помольную камеру разгонных трубок 4, эжекторных узлов 3, закрепленных встречно по отношению друг к другу во входных отверстиях 2, истекает высокоскоростной поток с частицами исходного материала, попадает в ёмкость 1 камеры, где за счёт соударения и трения с частицами материала, движущимися во встречном потоке, происходит измельчение материала. Поток готового продукта отводится из камеры в отводные цилиндрические патрубки 7 через выполненные в центральной части корпуса помольной камеры и расположенные диаметрально 105 противоположно друг другу выходные отверстия 5. Концы отводных цилиндрических патрубков 7, имеющие пазы радиус которых больше внешнего радиуса корпуса помольной камеры на величину толщины эластичной прокладки 9, совмещены с отверстиями обжимных сегментов 8, диаметр этих отверстий равен внешнему диаметру отводных цилиндрических патрубков 7, а сами патрубки и сегменты жестко соединены друг с другом при помощи сварки. Каждый из обжимных сегментов 8, в поперечном сечении представляющий собой, например, сектор кругового кольца, меньший радиус которого равен радиусу паза отводного цилиндрического патрубка 7, плотно примыкает к эластичным прокладкам 9, облегающим по внешней поверхности корпус помольной камеры в местах выходных отверстий 5. В прокладках 9 проделаны отверстия диаметром, равным внутреннему диаметру отводных цилиндрических патрубков 7. Отводные цилиндрические патрубки 7 присоединяются к выходным отверстиям 5 симметрично относительно вертикальной оси камеры при помощи прижимного устройства 6, выполненного, в виде двух хомутов стандартной конструкции. Выходящий из отводных цилиндрических патрубков 7 поток готового продукта направляется на сепарацию и далее на осаждение или на повторное измельчение. Особенностью конструкции является то, что при совместном перемещении вручную, одновременно вверх или вниз от горизонтальной оси камеры на угол поворота ср, отводных цилиндрических патрубков 7, обжимных сегментов 8 и эластичных прокладок 9, достигается возможность изменения угла а„ отвода готового продукта из зоны измельчения. Изменение угла 2„ даёт возможность изменять интенсивность отвода материала из помольной камеры и подобрать, в зависимости от свойств измельчаемого материала, наименьшее аэродинамическое сопротивление потоку готового продукта, выходящего из камеры, и тем самым отводить его из зоны измельчения с наименьшими затратами энергии, одновременно обеспечив в помольной камере повышенную интенсивность взаимодействия частиц измельчаемого материала, что способствует увеличению эффективности процесса измельчения.
Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения в противоточной струйной мельнице с изменяемыми параметрами помольной камеры
После выбора типа модели и плана эксперимента, перед непосредственным проведением опытов, необходимо решить вопрос о значениях факторов, не включенных (на основе априорной информации) во входные, но оказывающих некоторое влияние на значения выходных параметров, о кратности опытов, порядке их проведения, о методах статистической обработки результатов экспериментов, К факторам, влияющим на выходные параметры, но не включенным во входные, относятся: гранулометрический состав исходного материала, его физико-механические свойства, влажность газа-энергоносителя и аспирационный режим. Конкретные значения этих факторов при проведении эксперимента диктовались возможностью их осуществления в конкретных условиях. Подаваемый на измельчение материал - глина, подвергался предварительному дроблению и рассеиванию. Во всех экспериментах использовалась фракция -5 + 0,08 мм. Влажность рабочего энергоносителя, сжатого воздуха подаваемого от компрессора, ограничивалась с помощью воздушного фильтра тонкой очистки, установленного на подводящем коллекторе, Аспирационный режим был выбран из условия постоянства скорости воздушного потока на выходе из патрубка проходного центробежного сепаратора и ограничивался постоянной частотой вращения ротора вентилятора высокого давления. Для компенсации влияния систематических ошибок опыты проводились в случайной последовательности, В нашем случае, в связи со сложностью переоборудования экспериментальной установки и для сокращения времени проведения экспериментов, применялась частичная рандомизация опытов во времени. Рандомизация опытов в каждой серии проводилась раздельно. Последовательность опытов определялась по таблице случайных чисел. Эффективность работы мельницы оценивалась производительностью по готовому продукту Q (кг/ч), удельной поверхностью получаемых порошков глины 5" (см /г) и удельным расходом энергоносителя g (кг/кг).
Расход рабочего возд оса на одно сопло контролировался по величине начального давления Рдх расчетом по формуле: где - к о э ф ф и ц и е н т расхода, для воздуха//=0,686 [14]; Со - массовый расход воздуха, кг/с; Fc - площадь выходного сечения сопла, м ; Рвх - абсолютное давление воздуха перед выходом из сопел, МПа; V- удельный объём воздуха перед выходом из сопел, м /кг. Усредненные результаты лабораторных экспериментов на установке струйного измельчения, снабженной помольной камерой с изменяемыми параметрами приведены в таблице 4.1. Судя по величине и знакам коэффициентов при соответствующих факторах и эффектах взаимодействия в уравнении (4.2) можно сделать следующие выводы. Наибольшее влияние на параметр и величину производительности мельницы оказывает абсолютное давление воздуха перед выходом из сопел (х;). Тождественность полученного уравнения с реальным процессом подтверждается знаком «минус» при Х2 - при увеличении частоты вращения ротора сепаратора производительность мельницы снижается, так как число циклов измельчения возрастает. Положительный знак при хз подтверждает предположение, что при увеличении угла отвода готового продукта материал будет легче отсасываться из камеры помола, что повлечет за собой рост производительности. Знак «минус» перед Х4 может говорить о том, что при увеличении суммарной площади поперечных сечений отводных патрубков, т. е. с ростом пропускной способности мельницы, эффективность процесса измельчения снижается. Все эффекты взаимодействия в различной мере оказывают влияние на производительность, так как коэффициенты при них различны и по величине и по знаку перед ними. Уравнение регрессии выражающие зависимость удельной поверхности получаемых порошков от исследуемых факторов в кодированной форме имеет вид: Из уравнения (4.3) видно, что наибольшее влияние на параметр и величину удельной поверхности получаемых в мельнице порошков оказывает абсолютное давление воздуха перед выходом из сопел и частота вращения ротора сепаратора, так как сумма коэффициентов при х/ и Х2 наибольшая. Увеличение уровня факторов в каждом из эффектов хухз, х -х вызывает снижение удельной поверхности, а в эффектах хуХг, ху-х , Х2-хз, Х2-Х4 - увеличение. При этом коэффициенты эффектов взаимодействия в равной мере влияют на величину удельной поверхности, так как они приблизительно равны по величине. Уравнение регрессии выражающие зависимость удельного расхода воздуха от исследуемых факторов в кодированной форме имеет вид: Проанализировав формулу (4.4) отметим, что увеличение любого из параметров х;, хз приводит к снижению удельного расхода энергоносителя, а увеличение Х2 и х наоборот вызывает его рост. Знак «плюс» при х/, говорит о том, что при увеличении давления перед выходом из сопел, расход энергоносителя возрастает, вследствие чего происходит рост удельных энергозатрат в целом. После анализа уравнений регрессии в кодированном виде и для удобства проведения дальнейших исследований величины кодированных значений входных факторов х/, Х2, Хз, Х4 были представлены в виде размерных величин Резо Лр» Соответствующие натуральные значения для любого набора кодированных величин могут быть рассчитаны по формулам: Тогда, полученные в кодированном виде уравнения регрессии, описывающие процесс измельчения можно представить в натуральных величинах. Одновременное изучение трех полз енных уравнений, учитывая количество независимых входных факторов, представляет собой довольно сложную математическую задачу.
Поэтому прежде чем перейти к ней и с целью выяснения физического содержания характера влияния интересующих нас параметров - абсолютного давления воздуха перед выходом из сопел Р ; частоты вращения ротора сепаратора Пр\ угла отвода готового продукта из зоны измедьчения а„ и суммарной площади поперечных сечений внутреннего диаметра отводных цилиндрических патрубков An, рассмотрим парные воздействия на выходные величины: производительность Q, удельную поверхность S и удельный расход воздуха g.
