Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы измельчения материалов в вибрационных мельницах 8
1.1. Виды технологических операций, выполняемых в вибрационных мельницах 8
1.2. Основные закономерности рабочего процесса вибрационных мельниц 16
1.3. Принципы конструктивного оформления вибрационных мельниц 36
1.4. Существующие подходы к математическому моделированию процессов измельчения 85
1.5. Выводы по главе 96
Глава 2. Математическое моделирование рабочего процесса вибрационной мельницы 99
2.1.Особенности аппаратурного оформления вибромельниц конструкции ЗАО "ОЗСБ" 99
2.2. Физическая сущность рабочего процесса вибромельниц конструкции ЗАО "ОЗСБ" 103
2.3.Математическая модель движения загрузки и помольной камеры вибрационной мельницы 106
2.4.Математическая модель процесса измельчения в вибромельнице 111
2.5.Уравнения связи удельной поверхности измельчаемого материала с энернозатратами на измельчение 112
2.6.Уравнение связи между удельной поверхностью и энергонапряженностью 119
2.7.Баланс мощности, потребляемой вибромельницей 121
2.8.Глубина проникновения колебаний в загрузку 126
2.9.Положение свободной поверхности загрузки и скорость циркуляции загрузки 128
2.10.Проверка адекватности математических моделей рабочего процесса вибрационных мельниц 130
2.11.Выводы по главе 134
Глава 3. Расчет и проектирование вибрационных мельниц 136
3.1.Критерий воспроизводимости помола вибрационной мельницы 136
3.2. Выбор оптимальной затрузки вибромельницы 142
3.3. Вопросы проектирования вибрационных мельниц. 143
3.4.Влияние веса колеблющихся узлов на характеристики вибромельниц 154
3.5.Влияние материала, формы и размера мелющих тел на работу вибромельницы 157
3.6. Выводы по главе 159
Глава 4. Выбор оборудования для вибрационного измельчения конкретных материалов 161
4.1 .Механическая обработка механических дисперсий в вибрационных мельницах 161
4.2.Вибрационный помол красителей 166
4.3.Выбор оборудования для вибропомола корунда 179
4.4. Выбор помольного оборудования для тонкого измельчения дробленого стеклобоя 189
4.5.Выбор помольного оборудования для приготовления вяжущего на основе извести, гипсового камня, известнякового шлама 194-
4.6.Выбор промышленной вибромельницы для тонкого измельчения шлака сталелитейного производства 199
4.7.Выводы по главе 205
Основные выводы 206
Литература 209
- Основные закономерности рабочего процесса вибрационных мельниц
- Физическая сущность рабочего процесса вибромельниц конструкции ЗАО "ОЗСБ"
- Выбор оптимальной затрузки вибромельницы
- Выбор помольного оборудования для тонкого измельчения дробленого стеклобоя
Введение к работе
Процесс измельчения сыпучих материалов направлен на получение однородной композиции с заданным гранулометрическим составом и является широко распространенным процессом в различных отраслях промышленности - химической, строительных материалов, лакокрасочной, пищевой, горно-рудной, фармацевтической, радиотехнической и многих других. Цель операции измельчения - изменить исходный спектр размеров частиц до заданного, получить готовый продукт, отвечающий требованиям последующих и взаимосвязанных технологических процессов. Измельчением вскрывают целевое вещество, заключенное в твердой породе; увеличивают поверхность фазового контакта взаимодействующих сред; большая площадь поверхности тонкоизмельченного материала облегчает химическую и технологическую обработку, обжиг, окисление. С увеличением дисперсности возрастает скорость растворения материалов, сокращается продолжительность схватывания и увеличивается прочность вяжущих материалов. Цвет пигментов и наполнителей изменяется в зависимости от степени дисперсности последних. В химической технологии процесс измельчения включен в большинство технологических схем, так как от величины поверхности сыпучих материалов зависит интенсивность многих химических процессов. Кроме того, процесс измельчения часто становится основой для переработки различных вторичных ресурсов и отходов производства с целью получения из них качественных кондиционированных продуктов и для создания безотходных технологий.
Мысль о возможности сообщения обрабатываемому материалу энергии, достаточной для измельчения, посредством вибрации была высказана Фастингом в 1909 году, однако реализация этого принципа стала возможной лишь в 30-х годах, когда на основе опыта конструирования быстроходных вибрационных грохотов были созданы промышленные вибрационные мельницы. Выпускаемые в настоящее время промышленные вибрационные мельницы по мощности можно разделить на 3 группы: 1)
-5"-
малой мощности (менее 10 кВт); 2) средней мощности (10-И00 кВт); 3) большой мощности (100ч-1000 кВт). За рубежом из мельниц первой группы получили распространение виброустановки фирм Siebtechnik (ФРГ), KHI (Япония), Podmore-Boulton (Великобритания); из второй руппы - фирм Palla, Ratzinger, Gammerler (ФРГ), КШ, «Яскава» (Япония), Utva (Югославия); из третьей группы - фирм KHD Palla 65U, Ratzinger (ФРГ), КШ (Япония), Callis-Chalmers (США). Созданы уникальные вибрационные мельницы мощностью свыше 1000 кВт, например, опытный образец высокоамплитудной низкочастотной вибрационной мельницы мощностью 1400 кВт создан фирмой Lurgi (ФРГ) совместно с Горной палатой г. Йоханнесбурга (ЮАР).
В России промышленные вибрационные мельницы выпускают с 1955 г. Инициатором и пионером в создании первых отечественных образцов вибрационных мельниц и их широкого внедрения в промышленность был коллектив Специального конструкторского бюро Министерства промышленности строительных материалов бывшего СССР (СКБ ВНИИТИСМ), которым был разработан и выпущен широкий ряд типоразмеров вибрационных мельниц мощностью от 0,4 до 640 кВт (серия мельниц СВМ 0,4; СВМ1,0; СВМ5; СВ15; СВМ30; СВМ40; СВМ75; СВМ100; СВМ160; СВМ320; СВМ640). В настоящее время эти работы получили дальнейшее продолжение Закрытым Акционерным Обществом «Опытный завод со специальным конструкторским бюро» (ЗАО «ОЗСБ», 125565, Москва, Конаковский проезд, д.8а).
Вибрационные мельницы успешно применяются для сухого и мокрого измельчения разнообразных материалов (начиная от самых мягких, таких как древесные опилки, и кончая такими твердыми, как электрокорунд). Рациональная область применения вибрационных мельниц - измельчение материалов от частиц размером 2 мм до частиц меньше 50 мкм. В отдельных случаях измельчение может вестись до размеров частиц порядка микрона и менее. Вибромельницы обеспечивают высокую производительность при относительно низких энергозатратах, регулируемую тонину продуктов помола, имеют значительно меньшие
- в -
габариты по сравнению с традиционными шаровыми барабанными мельницами. К другим преимуществам вибрационных мельниц можно отнести следующие: относительная простота конструктивного оформления: развитая удельная поверхность энергообмена, позволяющая достигать высокой производительности на единицу объема; достижение высоких энергий механической активации разрушаемого материала для последующей реализации механохимических превращений и т.д.
Учитывая отмеченные достоинства вибромельниц, возникает потребность в разработке методов расчета, проектирования и оптимизации режимных и конструктивных параметров вибромельниц в различных технологических схемах. Вместе с тем приходится констатировать, что процессы собственно измельчения и движения материала в вибрационных мельницах, а также методы математического моделирования, оптимизации и оптимального проектирования вибромельниц до сих пор изучены и разработаны недостаточно, что послужило причиной настоящего исследования и постановки соответствующей задачи.
Учитывая вышесказанное, сформулируем задачи настоящего исследования: являются:
анализ существующих подходов к изучению основных закономерностей рабочего процесса в вибрационных мельницах с целью выявления важнейших факторов, определяющих эффективность процесса измельчения различных материалов в аппаратах данного типа;
систематизация и классификация по конструктивному оформлению вибромельниц из широкого ряда типоразмеров вибрационного оборудования, выпускаемого в России ранее СКБ ВНИИТИСМ (теперь ЗАО «ОЗСБ»), и сравнительная характеристика потребительских свойств данного оборудования;
разработка математических моделей движения загрузки и помольной камеры вибрационной мельницы, а также процесса вибрационного измельчения;
на основе разработанных математических моделей рабочего процесса вибрационной мельницы вывод расчетных соотношений для
основных параметров вибрационного процесса измельчения: уравнения связи удельной поверхности измельчаемого материала с энергозатратами на измельчение; уравнения связи между удельной поверхностью и энергонапряженностью; баланса мощности, потребляемой вибромельницей и др.
установление закономерностей воспроизводимости помола при переходе от лабораторных к промышленным вибромельницам и разработка на этой основе методики подбора промышленного оборудования и необходимого технологического регламента по требованиям заказчика;
обоснование, формулировка и создание необходимого математического обеспечения для реализации процедуры проектирования вибрационных мельниц.
Основные закономерности рабочего процесса вибрационных мельниц
Вибрационная мельница обычно представляет собой камеру, заполненную загрузкой, состоящей из обрабатываемого материала, среды и специальных обрабатывающих тел (шаров, цилиндриков, стержней, валков, труб и т.п.). Загрузке сообщается движение посредством периодического вибрационного движения камеры или расположенных в ней специальных рабочих поверхностей. В результате возникают относительные движения частиц загрузки, и в зонах их контакта при соударениях создаются высокие механические напряжения, приводящие к изменению структуры твердых частиц, а также среды, заполняющей пространство между ними.
Основными технологическими параметрами, характеризующими рабочий процесс вибрационных мельниц, являются: 1) потребляемая мощность, пропорциональная диссипации энергии в загрузке; 2) производительность, т.е. выход продукта в единицу времени; 3) эффективность, которую оценивают по выходу продукта на единицу затраченной энергии; 4) интенсивность, характеризующая величину средних напряжений в материале и представляющая собой отношение мощности к объему загрузки материала и частоте колебаний.
Перечисленные технологические параметры процесса тесно связаны геометрическими и механическими характеристиками загрузки (размерами тел, скоростью движения частиц, частотой соударений и др.) [17]. Общие закономерности измельчения сыпучих материалов.
Здесь будут приведены в основном, соотношения, полученные и проверенные более чем 40-летней практикой расчета и проектирования вибрационных мельниц конструкции СКБ ВНИИТИСМ, сейчас ЗАО «ОЗСБ».
Геометрические характеристики измельчаемых частиц. Исходный материал и продукт процесса измельчения представляют собой полидисперсную систему - совокупность твердых частиц различной формы и величины и среды, заполняющей пространство между частицами.
Размер частицы, входящей в полидисперсную систему, обычно характеризуют величиной ребра 8 описанного куба, а ее форму -следующими коэффициентами: коэффициент объема Р - отношение объема частицы V к объему описанного куба: Р = V/83; коэффициент поверхности у - отношение поверхности частицы S к поверхности описанного куба: Y = s/(682); коэффициент удельной поверхности а - отношение удельной поверхности частицы S = s/v к удельной поверхности описанного куба: Р Таким образом, удельная поверхность частицы S может быть определена по ее размеру 8 и коэффициенту удельной поверхности а: S = 6а/8.
Значения коэффициента удельной поверхности а в зависимости от размера частиц для некоторых минералов представлены в табл. 1.1.
Полидисперсную систему характеризуют распределением объема или массы частиц по их размерам - дифференциальной функцией распределения г(8). Дифференциал функции распределения dr = r(S)d8 определяет долю (объемную или массовую) частиц размером 8, 8+d8, оставшихся на сите с отверстиями размером 8 и прошедших через сито с отверстиями размером 8+dS. Функция г(8) нормирована:
Соответственно интегралы D=\r(5)dS и R- \r(S)dS определяют долю частиц, величина которых меньше 8 (суммарный проход через сито с отверстиями размером 8), и долю частиц, величина которых больше (суммарный остаток на сите с отверстиями размером 5). Очевидно, что R+D=l.
Физическая сущность рабочего процесса вибромельниц конструкции ЗАО "ОЗСБ"
Рабочим процессом вибрационной мельницы является разрушение частиц измельчаемого материала. При поступательном движении корпуса по круговой или эллипсоидальной траектории с высокими ускорениями ( g), движущиеся рабочие поверхности помольной камеры (внутренние стенки корпуса мельницы и - при внутреннем положении вибратора -внешняя поверхность корпуса вибратора), сообщают движение загрузке -смеси мелющих тел с измельчаемым материалом.
При движении частиц загрузки в точках их соприкосновения возникают контактные напряжения и если они в зоне контакта превосходят предельно напряженное состояние, то происходят местные поверхностные разрушения контактирующих тел (рис.2.2). Термин "предельно напряженное состояние" не следует понимать только в статическом смысле; в ряде случаев поверхностное разрушение достигается при многократном силовом воздействии на поверхность частицы, когда статистическое накопление дефектов структуры [83] приводит к усталостному разрушению.
Процесс разрушения может быть интенсифицирован подбором поверхностно-активной среды, так как вещества, адсорбирующиеся на поверхностях дефектов, расположенных на поверхности, препятствуют их "самозаживлению", снижая статическую и усталостную прочность [84].
Одновременно с разрушением частиц измельчаемого материала разрушаются и рабочие поверхности измельчителя.
При распространении движения в глубь загрузки происходят соударения ее частиц, сопровождающиеся рассеиванием механической энергии.
При работе вибромельницы наблюдаются различные режимы взаимодействия загрузки со стенками помольной камеры. При небольших амплитудах колебаний помольной камеры граничный слой загрузки соприкасается со стенками камеры в течение всего периода движения ("безотрывное взаимодействие"). С увеличением амплитуды возникает режим работы, при котором загрузка взаимодействует с помольной камерой в данной точке ее поверхности лишь часть периода, в результате чего образуются перемещающиеся серповидные зазоры [3,85] (рис.2.3). Однако при этом не происходит полного отрыва загрузки от стенок помольной камеры, так как загрузка своими различными точками касается стенок камеры в течение всего периода движения. В ряде случаев может наблюдаться ударное взаимодействие, при котором значительная часть подбрасываемой загрузки периодически сталкивается с помольной камерой, получая при этом дополнительный импульс и отбирая дополнительную мощность.
Вся масса загрузки под действием движения внутренних поверхностей помольной камеры совершает движение вокруг оси, расположенной приблизительно в центре тяжести загрузки, с угловой скоростью, значительно меньшей угловой скорости колебаний камеры. Движение наружных слоев загрузки, как показывают эксперименты, обычно происходят в сторону, обратную вращению вибратора (в вибромельницах с внутренним расположением вибратора при достаточно больших ускорениях) (рис. 2.3).
Интенсивность рабочего процесса не одинакова в разных участках помольной камеры. Наибольшие усилия между частицами загрузки создаются в той ее части, которая находится под вибратором и получает импульсы сверху - от вибратора и снизу - от стенки помольной камеры, В этой области измельчение материала и износ рабочих поверхностей происходят наиболее интенсивно. Однако благодаря циркуляции загрузки материал в мельнице измельчается равномерно.
Выбор оптимальной затрузки вибромельницы
Исходя из того, что производительность пропорциональна мощности, сообщаемой загрузке, целесообразно загрузку вибромельницы выбирать таким образом, чтобы мощность была максимальной. Опыты, проведенные на вибрационной мельнице М200-1,5 с моментом вибратоа 175 кгсм при обычной загрузке (мелющие тела - 0,8 VK, измельчаемый материал - 0,2VK, VK - объем помольной камеры) 740 кг мелющих тел и 76 кг измельчаемого материала - песка и при загрузке 540 кг мелющих тел и 57 кг песка, что примерно соответствует максимуму мощности, подтвердили высказанное положение (табл.3.4) [84-95].
Аналогичные результаты получены и при испытании вибрационной мельницы М400-1,5 при моменте вибратора 240кгсм и загрузках 1460 кг мелющих тел и 160 кг песка и при 1100 кг мелющих тел и 120 кг песка.
Выше было указано, что интенсивное измельчение происходит лишь при создании в материале достаточных напряжений. Это осуществляется созданием соответствующей энергонапряженности материала NG, величина которой должна быть тем больше, чем выше предел прочности измельчаемого материала и требуемая степень дисперсности (см.п.2.6): qVnp NG = (N3/GM), где спр - среднее разрушающее напряжение для данного измельчаемого материала; N3 - мощность, подводимая к загрузке; GM - вес измельчаемого материала, загруженного в вибромельницу; q - поверхность измельченного материала.
Таким образом оптимальная загрузка измельчаемым материалом зависит от его размалываемости, требуемой степени дисперсности и энергонапряженности процесса. При хорошей размалываемости и сравнительно невысокой степени дисперсности оптимальная величина загрузки материалом, т.е. обеспечивающая получение максимальной производительности, выше чем при плохой размалываемости или более высокой степени дисперсности (рис.3.3). С повышением энергонапряженности оптимальная загрузка материала увеличивается.
Проектирование новой мельницы начинается с определения мощности, сообщаемой загрузке , N3 по заданной величине производительности П и требуемой степени дисперсности q получаемого продукта. В зависимости от требуемой дисперсности q выбирается величина энергонапряженности процесса (см.п.2.6., соотношение (2.19)). По величине мощности, сообщаемой загрузке, и величине энергонапряженности выбирается частота колебаний помольной камеры, при этом следует учитывать конструктивные трудности, которые приходится преодолевать при осуществлении того или иного варианта.
Затем по номограммам, как будет показано ниже, определяются параметры ряда машин, близких к оптимальным. Окончательный выбор параметров производится на основе анализа конструкций нескольких вариантов.
В основу выбора основных параметров вибрационных мельниц, положено получение максимальной производительности для вибратора с данным моментом.
Так как увеличение момента вибратора ограничено нагрузками на подшипники (табл.3.5), то необходимо выбрать минимально возможный для данной производительности момент вибратора и рациональный объем корпуса мельницы. Другими словами, необходимо выбрать такой объем помольной камеры, в который вибратор с данным моментом передает максимальную мощность, а следовательно, обеспечивает максимальную производительность.
Для выбора рациональных размеров помольной камеры необходимо рассмотреть зависимость мощности, сообщаемой загрузке, от размеров помольной камеры при постоянном моменте вибратора:
При увеличении объема помольной камеры от нуля мощность, сообщаемая загрузке, N3 увеличивается, достигая некоторого максимума, так как амплитуда колебаний при этом снижается незначительно ввиду относительно небольшого веса загрузки. С увеличением объема камеры до некоторой величины возрастающий вес загрузки начинает существенно снижать амплитуду колебаний, и, следовательно, рост мощности, сообщаемой загрузке, замедляется. Наконец наступает момент, когда с увеличением веса загрузки мощность не возрастает, а при дальнейшем увеличении начинает уменьшаться.
Очевидно, что рациональным объемом помольной камеры для данного момента вибратора является тот, которому соответствует максимум мощности, сообщаемой загрузке.
При этот механический к.п.д. достигает своего максимального значения:
Выбор помольного оборудования для тонкого измельчения дробленого стеклобоя
Исходным материалом служил дробленый стеклобой со следующими характеристиками: максимальный размер частиц 8 мм; насыпная плотность 1,2 г/см3; плотность стекла 2,7 г/см3. Лабораторное оборудование: вибромельница лабораторная СВМ-2; мелющие тела - шары диаметром 10-15 мм (Ст.ШХ15); масса загрузки мелющих тел - 39,0 кг; момент вибратора - 0,24 кгм; амперметр с пределом измерений 0-5 А; прибор для измерения удельной поверхности - АДП-1; весы ВЛР-200. Экспериментальная часть. В соответствии с рабочей программой были проведены опытные помолы стеклобоя - три помола с различной загрузкой материала (1,5 кг; 3,0 кг; 4,5 кг). Во время помолов производился отбор проб для определения удельной поверхности. Одновременно производились замеры потребляемой мощности (силы тока) для расчета удельных энергозатрат на измельчение. Определение удельной поверхности порошков производилось на приборе АДП-1 и основано на использовании зависимости величины удельной поверхности от воздухопроницаемости слоя дисперсного материала. Значения" удельной поверхности проб приведены в табл.4.12.
На основе данных табл.4.12 построены графики зависимостей: удельной поверхности продукта помола от удельных затрат энергии на измельчение (рис.4.11); удельной поверхности продукта помола от времени измельчения (рис.4.12); производительности мельницы от удельной поверхности продукта помола при различных загрузках исходного материала (рис.4.13). Рекомендуемое помольное оборудование, необходимое для получения продукта (стекольной шихты) с удельной поверхностью не менее 450 м2/кг при производительности 4-5 т/ч приведено в табл.4.13. Гипсовый камень: зерновой состав дается в табл.4.16; насыпная плотность - 1,75 к/см . Известь-кипелка: насыпная плотность - 1,5 г/см3. Для проведения опытных работ по приготовлению вяжущего исходные материалы берутся в следующем соотношении: - известь кипелка - 85%; - известняковый шлам - 15%; - гипсовый камень - 5% от массы извести. Насыпная плотность смеси - 1,5 г/см3. Лабораторное оборудование: вибромельница лабораторная СМВ-2; мелющие тела - шары диаметром 10-15 мм(Ст.ШХ15); масса загрузки мелющих тел - 36 кг; момент вибратора - 0,24 кгм; амперметр (0-5А); весы ВЛР-200; прибор для измерения удельной поверхности АДП-1.
Экспериментальная часть. В соответствии с рабочей программой были проведены опытные помолы исходного материала с различной загрузкой. Во время помола производился отбор проб для определения удельной поверхности на приборе АДП-1 (ПСХ). Одновременно производились замеры потребляемой мощности (силы тока) для расчета удельных затрат энергии на измельчение. Определение общей потребляемой мощности производилось по методике [104]. Результаты замеров приведены в табл.4.17. На основе данных табл.4.17 построены графики зависимостей: удельной поверхности S продукта помола от времени измельчения Т, рис.4.14; удельной поверхности S продукта помола от удельных затрат энергии Э на измельчение рис.4.15. Из построенных графиков видно, что с увеличением загрузки время помола увеличивается незначительно, тогда как энергозатраты уменьшаются, и производительность вибромельницы увеличивается, так: - при загрузке 2,3 кг - 110 кг/ч; - при загрузке 4,5 кг - 219 кг/ч. Исходя из этого за основу для разработки предварительного регламента помола смеси на промышленной вибромельнице принимаем серию 2, в которой требуемый продукт с удельной поверхностью 500-550 м2/кг получен при энергозатратах 8 кВт ч/т. Рекомендуемое промышленное оборудование и технологический регламент. Рекомендуемое промышленное оборудование для помола исходного материала дано в табл.4.18. В соответствии с рабочей программой были проведены помолы шлака сталелитейного производства с различной загрузкой исходного материала в мельницу. Во время помола производился отбор проб для определения удельной поверхности продукта помола. Одновременно производились замеры силы тока (для расчета удельных затрат энергии на измельчение). Определение общей потребляемой мощности производилось по методике [104]. Определение удельной поверхности измельченного шлака производилось на приборе АДП-1 и основано на использовании зависимости воздухопроницаемости слоя дисперсного материала от его удельной поверхности. Полученные данные сведены в табл.4.21.
