CC BY
25Романович А.А., канд. техн. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОМОЛА МАТЕРИАЛОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ИЗМЕЛЬЧЕННЫХ В ПРЕСС-ВАЛКОВОМ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕ
alexejrom@yandex.ru
В статье приведены результаты экспериментальных исследований по изучению процесса помола материалов, предварительно измельченных в пресс-валковом измельчителе, в шаровой мельнице, оснащенной энергообменными устройствами. Представлены уравнения регрессии, полученные в результате обработки экспериментальных данных на ЭВМ. Изучено влияние коэффициентов загрузки мелющими телами первой и второй камер мельницы, их длин, углов наклона и взаимного расположения энергообменных устройств (элипсного сегмента и лопасти двойного действия) на выходные показатели процесса измельчения (приведенную производительность, потребляемую мощность привода и удельные энергозатраты). Установлено, что наилучшие результаты процесса дезагрегации и помола, судя по минимальным удельным энергозатратам при измельчении клинкера с анизотропной текстурой, полученной после силового деформирования между валками пресс-валкового измельчителя, равные qmin = 22,7 Втч/кг (Q = 170 кг/ч), достигаются при: угле наклона эллипсного сегмента а = -30°; длине первой камеры l1 = 0,6 м и коэффициентах загрузки камер мелющими телами р1 = 0,16; р = 0,3.
Ключевые слова: энергообменные устройства, шаровая мельница, производительность, удельный расход энергии, анизотропная текстура.
Введение. Согласно статистическим данным по показателю объема производства потребление энергии в России составляло 0,42 кг нефтяного эквивалента (кг н. э.) на 1 доллар ВВП. В то же время в развитых странах, таких, как Германия, Франция, Япония, Индия этот показатель не превышает - 0,14, в США - 0,19, а в Канаде - 0,25. Энергоемкость производства цемента и клинкера в России почти в два раза выше аналогичного показателя в развитых странах. В производстве цемента наилучшие мировые показатели энергоемкости находятся в диапазоне 0,09...0,11 ГД ж/т. Энергоем-кость российских предприятий в этой отрасли не опускается ниже 0,2 ГД ж/т [1, 2].
При производстве вяжущих материалов одним из энергоемких процессов является тонкое измельчение шихты, реализуемое главным образом в барабанных мельницах. Однако, не смотря на кажущуюся простоту конструкции и эксплуатации, барабанные мельницы реализуют в себе не эффективный способ измельчения материалов, при котором большая часть подводимой механической энергии затрачивается на нагрев мелющих тел и измельчаемых материалов, на шумовой эффект и др., что значительно повышает энергозатраты на помол. Так, например, в среднем на помол одной тонны цемента в шаровых мельницах расходуется около 35.40 кВт-ч электроэнергии. Кроме того, реализация в шаровых мельницах сразу нескольких режимов измельчения представляет собой определенные трудности и снижает эффективность помола.
Одним из перспективных направлений как у нас в стране, так и за рубежом, является разработка энергосберегающих систем измельчения материалов с вынесением стадии грубого помола в пресс-валковый измельчитель (ПВИ) [3, 4]. Реализация в цементном производстве поста-дийного способа измельчения за счет создания энергосберегающих агрегатов для измельчения материалов с использованием пресс-валковых измельчителей, позволяет повысить производительность и уменьшить удельные энергозатраты 20.40 % [1, 3].
Основная часть. Анализ литературных данных [5, 6] и проведенные экспериментальные исследования показали, что в пресс-валковом измельчителе осуществляется значительная часть процесса помола материала. Однако при работе ПВИ в открытом цикле измельчения необходим окончательный помол материала в отдельном агрегате - в частности, в шаровой мельнице. Учитывая, что измельченный в ПВИ материал обладает специфическими свойствами, он имеет анизотропную текстуру и форму в виде спрессованных пластин, с максимальной прочностью в направлении силового воздействия, а составляющие частицы - микродефектную структуру, то для его эффективной дезагрегации и последующеготонкого измельчения целесообразно подвергать ударно-сдвиговому воздействию шаровой загрузки в первой камере мельницы и раздавливающе-сдвиговому - во второй. Такое воздействие мелющих тел можно получить установив в барабане мельницы энергообменные устройства (ЭУ): лопасть двойного действия (ЛДД) и эллипсный сегмент (ЭС).
Однако эффективность процесса измельчения материалов в ШМ с ЛЭУ зависит от многих факторов: схемы установки ЭУ, взаимного положения ЛДД и ЭС, коэффициентов загрузки камер мельницы, их длин и др. С целью определения их рациональных величин нами были проведены экспериментальные исследования по изучению рациональных условий помола предварительно измельченного в ПВИ материала в ШМ, оснащенной ЭУ.
С применением метода математического планирования эксперимента по ЦКОП-25 была изучена зависимость у(; (( Ьх; а; £).
За исследуемые параметры были приняты: коэффициенты загрузки мелющими телами первой
( и второй (2 камер мельницы, длина первой камеры ¡1, угол наклона ЭС а и угол их смещения ЭС и ЛДД Е относительно друг друга.
Для оценки эффективности процесса дезаг-ломерации и помола клинкера с анизотропной текстурой, полученной после измельчения в ПВИ, в ШМ с ЭУ в качестве выходных параметров были приняты: производительность Q, приведенная к суммарному остатку на сите ЕКда8, равном 10 %, потребляемая мощность приводом N и удельный расход электроэнергии д.
Проведенные поисковые исследования позволили установить рациональные уровни варьирования факторов, которые сведены в табл. 1.
Уровни варьирования фактов
Таблица 1
Факторы Кодир. обозначения Величина шага Значение варьируемых параметров
-1,547 -1 0 1 1,547
(1 Х1 0,02 0,149 0,16 0,18 0,2 0,211
(2 Х2 0,02 0,269 0,28 0,3 0,32 0,331
¡1, м Х3 0,15 0,42 0,5 0,65 0,8 0,88
а, град Х4 30 -48,2 -30 0 30 48,2
Е, град Х5 90 -139,2 -90 0 90 139,2
После обработки результатов исследований на ЭВМ были получены уравнения, которые в кодированной форме имеют вид:
— для определения производительности приведенной к остатку на сите ЕК008:
0 = 166,5663 — 9,7(1 + 446(2 + 103,841з + 0,02а — 0,02Е, + 1435(1(2 — 2,7(12 — 67(^1 — — 0,523ф1а — 0,01р1Е — 11000р22 + 41,33р21 — 0,315фга + 0,07р3Е — — 294,9112 + + 0,006914а + 0,011^ + 0,04а5
(1)
— для определения потребляемой мощности привода:
N = 3,3 — 4,37ф1 + 16р2 — 0,511 — 0,02а + 117,5р12 + 52,5р1р2 — 3,64р111 + 0,01р1а + + 0,002Е — 85ф22 — 8,75фг1 + 0,05фга —0,006р2Е — 30211р2 — 0,0003^2
(2)
— для определения удельного расхода электроэнергии:
д = 22,813 — 32,5(1 + 36,6(2 + 18,811 + 0,02а + 1885ф12 + 64,112 — 0,03а2 + 0,0004^2 + +2302ф2 — 102,5(1(2 + 0,037(1 а + 11,33(111 — 0,02(1^ + 23(21 + 0,06(2а —112+0,000211^
При помощи ЭВМ по уравнениям регрессии были получены графические зависимости Q, N, д = / ((,(,1 ,а,Е), представленные на рис. 1...4.
Анализ графической зависимости Q,N, д = /((,I) (рис.1) позволил установить, что при увеличении коэффициента загрузки мелющими телами первой камеры мельницы в диапазоне от ( = 0,149 до ( = 0,211 потребляемая мощность возрастает пропорционально с N = 4,15103 Вт до N = 4,55 103 Вт на 8,5 %.
(3 )
Приведенная производительность возрастает пропорционально приросту массы мелющих тел в первой камере от 0,149 до 0,16 с Q = 164,1 кг/ч до Q = 165,7 кг/ч, т.е. на 1.2 %. Однако, при дальнейшем увеличении ( до ( = 0,211 наблюдается уменьшение величины прироста Q - с Q = 165,7 кг/ч до Q = 166,4 кг/ч (менее 1 %). Удельный расход электроэнергии при (¡1=0,6 м) остается практически неизменным и равным д = 22,7.23,5 Вт-ч/кг.
Из вышесказанного вытекает следующий вывод, что наиболее эффективно процесс из-
мельчения, исходя из величины удельных энергозатрат, осуществляется при
р = 0,16, что значительно ниже, чем при измельчении клинкера традиционным способом в шаровой мельнице (без ПВИ).
При изменении длины первой камеры (рис. 1, а) в диапазоне от /1 = 0,42 м до 11 = 0,88 м приведенная производительность изменяется по зависимости, имеющей экстремум при 11 = 0,6 м. Изменение длины первой камеры мельницы в ту или в другую сторону приводит к уменьшению производительности. Так при уменьшении длины первой камеры от /1 = 0,6 м до /1 = 0,42 м (рис. 1, в) наблюдается рост удельного расхода электроэнергии с q = 22,7 Втч/кг до q = 23,7 Втч/кг, т.е. на 4,5 %. Увеличение длинны первой камеры до 11 = 0,88 м приводит к увеличению q до q = 24,9 Втч/кг - на 9,7%. Это указывает на то, что рациональная длина первой камеры при помоле клинкера предварительно измельченного в ПВИ равна 11 = 0,6 м, что соответствует 11 = 0,3 Ь, где Ь - длина барабана мельницы.
а)
К1
4.4 г \ХХХХХ>0<>С N 4.3 Г
б)
Рис. 1. Влияние величины загрузки мелющими телами первой камены на Q,N,q при различной ее длине, (р2 = 0,3; £= 0; а = -30°)
Анализ графической зависимости (рис. 2) Q, N, q = /(р, а) показал, что при изменении угла наклона ЭС от вертикальной оси мельницы (а = 0°) на угол а = - 30°(равно 0,53 радиан) от днища мельницы происходит прирост приведенной производительности с Q = 158 кг/ч до Q = 159,5 кг/ч - на 3,9 %. Удельные энергозатраты же при изменении а в этом диапазоне (а = 0°.- 30°), снижаются до экстремума q = 23,0 Втч/кг. Дальнейшее увеличение угла наклона ЭС до а = - 48,2° приводит к росту удельных энергозатрат с q = 23,0 Вт ч/кг до q = 23,7 Втч/кг (на 3 %) и более существенному приросту N на 5 % N = 4,2 103 Вт до N = 4,4 103 Вт). Это объясняется тем, что при наклоне ЭС, в сторону разгрузочного днища мельницы на угол а = 48° осуществляется смешанный режим работы мелющих тел во второй камере мельницы, так как часть мелющей загрузки захватывается ЭС и поднимается на большую высоту, создавая тем самым водопадный режим измельчения, вместо требуемого каскадного. При этом, несмотря на то, что совершается большая работа мелющей загрузкой, это не приводит к существенному приросту приведенной производительности О (с О = 159,5 кг/ч до О = 160,2 кг/ч). Удельные энергозатраты при этом возрастают более существенно с д = 23,0 Вт ч/кг до д = 25,5 Вт ч/кг, т.е. на 10,8 %, что обусловлено более значительным приростом N. Увеличение угла наклона ЭС в сторону разгрузочного днища мельницы до а = 48,2° ведет к приросту N на 4,8% (/V = 4.2-103 Вт до /V = 4,4-103 Вт), при незначительном росте Q (с Q = 159,5 кг/ч до Q = 160,2 кг/ч), что сказывается на росте q с q = 23,7 Втч/кг до q = 25,5 Втч/кг (на 6,7 %).
Из вышесказанного следует, что при помоле предварительно измельченных в ПВИ материалов с анизотропной текстурой, наиболее рациональным является угол наклона ЭС, равный 30° (0,53 радиан), а элипсный сегмент должен быть наклонен от разгрузочного днища мельницы. Это объясняется тем, что данное расположение ЭС способствует интенсивному раздав-ливающе-истирающему воздействию мелющей загрузки на измельчаемый материал, при этом не нарушается каскадный режим работы мельницы в камере домола.
Увеличение коэффициента загрузки мелющими телами второй камеры от р = 0,269 до Р = 0,331 ведет к незначительному пропорциональному приросту приведенной производительности и потребляемой мощности приводом, что вызывает небольшой рост удельных энергозатрат. Это свидетельствует, что усиление раз-давливающе-сдвигового деформирования поло-
жительно сказывается на процессе помола материалов с анизотропной текстурой.
Из анализа графической зависимости Q,N,q = /(£(2) (рис. 3) установлено, что взаимное расположение ЛДД и ЭС в барабане мельницы оказывает существенное влияние на процесс помола материалов с анизотропной текстурой.
а)
а
Рис. 2. Влияние угла наклона ЭС на 0,N,q при различной величине загрузки мелющими телами второй камеры, (q\ = 0,16; i = 0°;/i = 0,6)
Так, расположение ЛДД и ЭС в барабане мельницы, когда их рабочие поверхности параллельны между собой позволяет получить наилучшие результаты выходных показателей (О = 170 кг/ч; q = 22,7 Втч/кг при (qh, (pb а; ¡1 = const).
Об этом свидетельствуют экстремумы исследуемых функций. Это объясняется тем, что такое расположение энергообменных устройств в барабане мельницы способствует созданию интенсивного раздавливающе-истирающего воздействия мелющих тел на измельчаемый материал. При изменении вышеуказанного расположения энергообменных устройств (поворот
ЭС относительно ЛДД по ходу или против хода вращения барабана мельницы) приводит к ухудшению процесса помола материала. Так, например, поворот ЭС относительно ЛДД по направлению вращения барабана на величину угла от Е= 0° до Е= 139,2° (2,426 радиан) приводит к приросту потребляемой мощности привода с N = 3,86-103 Вт до N = 4,8103 Вт, т.е. на 20 % и к снижению приведенной производительности с Q = 170 кг/ч до Q = 140,2 кг/ч, т.е. на 10,2 %. Такое изменение N и Q сказывается на величине удельных энергозатрат, которые возрастают с д = 22,7 Втч/кг до д = 34,2 Втч/кг - на 33,6 %.
а)
2 Ъ
_____-т-г-__ о
--- _ -2
б)
Ь 2
Рис. 3. Влияние угла смещения ЭС относительно ЛДД на Q,N,qпри различной величине загрузки мелющими телами второй камеры, (( = 0,16; а = — 30°; ¡1 = 0,6 м)
При смещении ЭС на туже величину угла в противоположном направлении приводит также к ухудшению выходных показателе процесса помола. Снижение эффективности процесса по-
мола при повороте ЭС относительно ЛДД в ту или другую сторону объясняется созданием во второй камере мельницы условий, при которых часть мелющей загрузки работает в водопадном режиме. Такое движение мелющих тел обеспечивается за счет образования между ЭУ пространственной трапецеидальной фигуры, что способствует поднятию мелющей загрузки на большую высоту. Не симметричный характер изменения показателей при одинаковом угле поворота ЭС «по» и «против» направлений вращения барабана обусловлен различным пространственным положением их относительно друг друга.
При увеличении коэффициента загрузки мельницы мелющими телами (рис. 3) от (2 = 0,269 до (2 = 0,3 (при £ = 0°) наблюдается незначительное снижение удельного расхода электроэнергии q = 23,8 Втч/кг до q = 22,7 Втч/кг, т.е. на 4,6%. Это обусловлено более быстрым приростом производительности, чем потребляемой мощности приводом. Дальнейшее увеличение (2 до (2 = 0,331 не приводит к существенному улучшению выходных показателей.
Это указывает на необходимость поддержания коэффициента загрузки мелющими телами второй камеры мельницы равным (2 = 0,3 при помоле в шаровой мельнице, оснащенной энергообменными устройствами материалов предварительно измельченных в ПВИ.
Анализ графической зависимости Q,N,q = / (¡, а) (рис.4) позволил установить влияние длин камер на выходные параметры шаровой мельницы при различном угле наклона эллипсного сегмента.
Экстремумы функций, описывающих изменение производительности О и удельных энергозатрат с) при различном угле наклона лопастного эллипсного сегмента, соответствуют положению длины первой камеры на графиках, равному 1Л = 0,6 м.
Изменение угла наклона лопастного эллипсного сегмента а от вертикального положения в ту или другую сторону до а = - 48,2° и а = 48,2° (рис. 4) влечет за собой изменение характера воздействия элипсного сегмента на мелющую загрузку, что отрицательно сказывается на производительности агрегата. Изменение длины первой камеры от положения ¡1 = 0,6 м, приводит к снижению производительности мельницы, так как при уменьшении её длины более грубый продукт поступает в камеру тонкого помола, а при увеличении её длины, уменьшается вторая камера мельницы, что не обеспечивает требуемого качества помола. Наилучшие результаты процесса дезагрегации и помола, судя по минимальным удельным энер-
гозатратам при измельчении клинкера с анизотропной текстурой, полученной после силового деформирования между валками пресс-валкового измельчителя, равные qmln = 22,7 Вт-ч/кг (^ = 170 кг/ч), достигаются при: угле наклона эллипсного сегмента а = - 30°; длине первой камеры ¡1 = 0,6 м; коэффициентах загрузки камер мелющими телами ( =0,16; (2 = 0,3; при этом угол смещения ЛДД относительно ЭС равен £= 00.
а)
■■- Н 4.25
0.5
Ь
а
Рис. 4. Влияние длины первой камеры на Q,N,q при различном угле наклона ЭС: ( (1 = 0,16; £= 0°; (2 = 0,3)
Вывод. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования по изучению процесса дезагломерации и помола предварительно измельченных в ПВИ материалов и имеющих анизотропную текстуру в шаровой мельнице, оснащенной ЭУ, свидетельствуют о целесообразности реализации ударно-сдвигового воздействия шаровой загрузки в первой камере мельницы и раздавливающе-сдвигового её воз-
действия во второй. Рациональные режимы работы мелющей тел обеспечиваются при установке ЭС наклоненным от разгрузочного днища под углом 300 от вертикальной оси барабана мельницы, когда его рабочая поверхность расположена параллельно ЛДД при р = 0,16,
Р = 0,3, l = 0,6м и ^ = 00 при этом достигаются следующие результаты: qmm= 22,7 Вт-ч/кг, N = 3,86 х 103 Вт, Q =170 кг/ч.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Романович А.А., Глаголев Е.С., Бабаевский А. Н. Технология получения вяжущих с использованием техногенных отходов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014. №5. С. 102-105.
2. Биннер Й., Ассмус Р., Щеголяев Е. Тех-нолгия измельчения и классификация шлака // Цемент и его применение. 2006. № 5. С. 31-36.
3. Мельница POLYCOM фирмы KRUP Polysius AG - революция в области дробильного оборудования // Горная промышленность. 1996. №4. С. 20.
4. Tratner R. Modernisirunq von Produchtion - sanlaqen Guttbett Walzenmühlen fur Rohmaterial und Klinker // Zement - Kalk - Gips. 1987. № 7. Р. 354-359.
5. Wustner H. Energy - saving with the roller press comminution process // World Cement. 1986. № 3. Р. 94-96.
6. Romanovich М., Romanovich L., Rudichev A., Lycheva A. Incentives for Innovative Activity of Young Scientists on the Basis of Higher Educational Institutions in Russia // World Applied Sciences Journal. Т. 25. № 12. P. 1754-1757.
Romanovich А.А.
STUDY OF GRINDING MATERIALS IN THE PRE-GRINDING ROLLER PRESS MILL
The paper presents the results of experimental studies on the process of grinding materials, pre-shredded in the roller press mill, ball mill, equipped with energy-exchange devices. Presents the regression equation derived from the analysis of experimental data on a computer. The effect of load factors milling bodies of the first and second chambers of the mill, their lengths, angles and arrangement of energy-exchange devices (elliptical segment and double action blade) Weekend rates grinding process (reduced performance, power consumption of the drive and the specific energy consumption). Found that the best results of the process of disaggregation and milling, according to the minimum specific energy consumption by grinding clinker with anisotropic texture obtained after deformation force between the rollers roller press mill, equal qmin = 22,7 W • h / kg (Q = 170 kg / h), achieved by: an inclination elliptical segment 30 -a = the length of the first chamber l1 = 0,6 m and load factors cameras grinding bodies j1 = 0,16; j2 = 0,3.
Key words: energy-exchange devices, ball mill, productivity, specific energy consumption, anisotropic texture.
