CC BY
22Круговой Д.Г., аспирант.
Несмеянов Н.П., канд. техн. наук, доц.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
НОВЫЙ КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТИРАЛОВ
denis@gmail.com
В статье предложен новый тип футеровки для трубных шаровых мельниц, которая обеспечивает эффективную классификацию мелющих тел по всей длине барабана мельницы.
Для оценки эффективности процесса измельчения в мельницах с различными внутримельнечными устройствами предлагается использовать новый критерий - эксергетический коэффициент полезного действия, который позволяет оперативно оценивать процесс измельчения.
Ключевые слова: цемент, мельница, футеровка, мелющие тела, эксергия, к.п.д. мельницы.
Работа цементных заводов в рыночных условиях показала, что для их дальнейшего успешного функционирования необходимо решение принципиально новых научно -технических задач, которые традиционным путем решены быть не могут. Настоящая работа развивает новое направление в исследовании процессов измельчения цемента,
разрабатываемое школами проф. Вердияна М.А. и Богданова В. С.
Тонкое измельчение материалов - наиболее энергоемкий процесс при производстве цемента: на него затрачиваться около 60% расходуемой электроэнергии. Одним из основных направлений интенсификации процесса помола цемента является использование в мельницах эффективных внутримельничных устройств и введение поверхностно - активных веществ (ПАВ).
Однако механизм действия ПАВ при измельчении различных материалов в настоящее время еще не достаточно изучен.
Характерной особенностью работы трубной шаровой мельницы, а так же и их недостатком, является то, что в процессе работы помольного агрегата, как в каскадном, так и в водопадном режимах измельчения образуются застойные зоны достаточно больших объемов. Полезный объем барабана мельницы используется на 25..30%, при этом застойные зоны составляют около 50% объема загрузки. Следовательно, объем мельницы используется только на 12..17%.
Поэтому повысить эффективность процесса измельчения материала в трубной шаровой мельнице возможно за счет изменения характера движения мелющих тел и их
классификации в полости барабана мельницы. С этой целью применяются различные типы бронеплит и схемы их укладки [1 - 3].
Существующие футеровки из набора плит, имеющих на своей рабочей поверхности полки, каблучки, выемки и волны, а также футеровка из конусных каблучковых плит, образующих кольцевые участки с наклонной поверхностью, не обладают достаточной классифицирующей способностью.
Нарушение классификации загрузки вдоль барабана мельницы приводит к снижению производительности на 30 - 60 % и соответствующему увеличению удельного расхода энергии. Проблема создания классифицирующих футеровок и схем их укладки является актуальной.
Для устранения нарушения
классификации мелющих тел на кафедре механического оборудования была разработана новая футеровка состоящая из расположенных по всей длине мельницы кольцевых секций конических бронеплит, где на рабочих поверхностях содержаться кольцевые желоба, имеющие поперечные сечения в виде сегментов кругов с убывающими по зонам 11,/2, /3, радиусами
11, < 2, г3 поперечного сечения желобов и углом
г,, г2
наклона рабочей поверхности а1, а2, а3 бронеплит. На внутренней поверхности барабана 1 размещены бронеплиты 2,3,4 (Рис. 1). Рабочая поверхность бронеплит 2, 3, 4 наклонена под углом а1з а2, а3. На
поверхности бронеплит 2, 3, 4 имеются кольцевые желоба 5, 6, 7 с выступами 8.
Рисунок 1 - Схема укладки бронефутеровки.
Размеры углов а,а2,а3 (Рис. 2) наклона рабочей поверхности бронеплит 2, 3, 4 пропорциональны массам т1, т2, т3 мелющих
тел, сгруппированных по зонам, 11,12,13. С
уменьшением диаметра мелющего тела в направлении разгрузки, углы наклона поверхности бронеплит 2, 3, 4 увеличиваются,
т.е. а1<а2<а3. Бронеплиты 2, 3, 4, имеющие желоба 5, 6, 7 , сгруппированы по зонам, 11,¡2,13, длины которых пропорциональны
массам т1з т2, т3 мелющих тел 9, 10, 11 и кратны их диаметру, соответствующего размера зоны ¡х, ¡2,¡3, .
1
Рисунок 2 - Углы наклона рабочей поверхности бронеплит.
При этом желоба 5, 6, 7 имеют разный радиус, в каждой последующей зоне вдоль оси барабана 1 трубной мельницы кольцевые желоба имеют меньшее значение радиусов г1 < г2 < г3.
Кроме того, каждый кольцевой желоб 5, 6, 7 снабжен выступами 8. Число выступов 8 в кольцевых желобах 5, 6, 7 одной зоны
одинаково, причем между выступами 8 помещается целое число мелющих тел. Расстояние между кольцевыми желобами 5, 6, 7 принимают таким, чтобы расположенные в соседних желобах мелющие тела соприкасались между собой (Рис. 3).
2 5 9
Рисунок 3 - Расположение мелющих тел в соседних желобах.
Мельница работает следующим образом. При вращении барабана 1 мелющие тела 9, 10, 11 разных размеров и масс под действием центробежной силы поднимаются до точки отрыва Г (Рис. 4), затем по параболической траектории поднимаются до точки Е и опускаются на бронеплиты 2, 3, 4 где находятся желоба 5, 6, 7 различного радиуса, мелющие тела с большим диаметром располагаются в кольцевых желобах с большим радиусом поперечных сечений.
Например, мелющие тела 9 с наибольшим диаметром попадают в желоба 5 бронеплит 2, мелющие тела 10. - в желоба 6 бронеплит 3, а мелющие тела 11 - в желоба 7 бронеплит 4 и т.д. Это обусловлено тем, что мелющие тело 11, имеющее меньший диаметр по сравнению с диаметром мелющего тела 9, не может находиться в желобе бронеплиты с большим радиусом г1 поперечного сечения, так как мелющие тела 11 всегда вытесняется из желоба бронеплиты 2, имеющего большую массу, мелющего тела 9. И наоборот, имеющий больший диаметр мелющие тело 9 не поместится в желобах бронеплит 3 и 4, радиусы г2, г3
поперечного сечения которых меньше радиуса мелющего тела 9. Поэтому в желобах 6 бронеплит 3 разместятся только мелющие тела 10.
Большее количество выступов 8 в желобах 5, 6, 7 с большими радиусами поперечных сечений обеспечивает подъем мелющих тел на большую высоту, что в свою очередь приводит к повышению эффективности процесса измельчения ударом и истиранием материала, находящимися в загрузке
крупными мелющими телами,
осуществляющих грубое измельчение.
Так, например, в первой зоне 11, каждый кольцевой желоб 5 имеет по пятнадцать выступов, во второй зоне 12, каждый кольцевой
желоб 6 - по двадцать выступов, в третьей зоне /3, каждый кольцевой желоб 7 - по тридцать
выступов. Расстояние между выступами выполняют таким, чтобы в нем помещалось целое число мелющих тел, что повышает коэффициент сцепления мелющих тел с футеровкой и обеспечивает максимальную высоту их подъема. А высота выступов, составляющая 0,6 - 0,7 диаметра мелющего тела позволяет удержать его на нужной траектории и поднять его на большую высоту. Если высота выступов будет выполнена больше, то мелющее тело будет задерживаться на траектории, что приведет к уменьшению интенсивности измельчения материала. При этом находящиеся в соседних желобах мелющие тела, которые находятся в контакте между собой, также повышают коэффициент сцепления мелющих тел с футеровкой, что приводит к повышению интенсивности измельчения между слоями мелющими телами.
Ввиду того, что количество выступов в кольцевых желобах различно по длине барабана мельницы, каждый слой соседних мелющих тел поднимается на различную высоту, происходит не только ударное разрушение, но и дополнительное интенсивное измельчение материала истиранием между соседними слоями мелющих тел.
Если радиусы поперечных сечений кольцевых желобов одинаковы по всей длине мельницы, то различные зерна измельчаемого материала измельчаются мелющими телами, имеющими одинаковый размер и массу, что нерационально, эффективность такого измельчения относительно невысока. Причем глубина желобов составляет 0,4 - 0,5 диаметра мелющего тела. При выполнении желобов большего радиуса, мелющие тела, будут занимать желоба, предназначенные для мелющих тел другого диаметра, что приведет к снижению эффективности помола, из-за не достаточной сортирующей способности. В свою очередь, если желоба будут выполнены меньшего радиуса, чем 0,4 - 0,5 диаметра мелющего тела, это приведет не только к недостаточной сортирующей способности, но и уменьшит срок службы бронеплиты.
Длина 11,12,13, каждого из трех участков
футеровки мельницы, пропорциональна массе мелющих тел, находящихся на данном участке и кратна их диаметру т.е. /1 = ■ , 12 = ■ г 2 и 13 = й3 ■ 13 (1)
где z - количество мелющих тел данного диаметра, находящихся в нижней части барабана; d - диаметр мелющего тела.
Причем величина угла а наклона плоскостей каждого из участков l1, l2, l3,
пропорциональна массе мелющих тел.
kR
sina = ~VT (2)
mV
где K - коэффициент пропорциональности; R - радиус барабана мельницы в свету, м; m -масса шара, кг.
При равном угле наклона рабочей поверхности бронеплиты для всех участков мельницы распределение мелющих тел неравномерное, что препятствует продвижению материала, снижая эффективность
классификации мелющих тел.
Следовательно, футеровка трубной мельницы с убывающими по зонам lj, l2, l3, радиусами r1, r2, r3 поперечного сечения желобов 5, 6, 7, и углом наклона рабочей поверхности а1за2,а3 бронеплит 2, 3,
4 обеспечивает классификацию мелющих тел вдоль оси мельницы по их размерам, что повышает эффективность процесса измельчения в трубной мельнице.
Испытания проводились на лабораторной установке: диаметр барабана мельницы - 0,3 м, длина барабана - 1,5 м, частота вращения барабана мельницы - 0,46 от критической, коэффициент загрузки - 0,25 - 0,35, диаметр мелющих тел - 24,16, и 10 мм. В качестве измельчаемого материала использован клинкер вращающихся печей Белгородского
цементного завода, его фракции +0,63 -2,5 мм.
При использовании футеровки на участках мельницы с мелющими телами меньшего диаметра находится не более 0,01 -0,04% мелющих тел большего диаметра, а на участках, где расположены мелющие тела большего диаметра, мелющие тела меньшего диаметра практически отсутствуют, тонкость помола материала (клинкера вращающихся печей) возрастает на 20%.
Предлагаемая футеровка трубных
шаровых мельниц обеспечивает эффективную классификацию мелющих тел по всей длине барабана мельницы, что способствует улучшению качества готового продукта.
Для оценки энергетической эффективности процесса измельчения, традиционно
используется обобщенный критерий -удельный расход электроэнергии «Э», затраченный на получение 1 тонны готового
продукта (кВт-ч/т). Величина «Э» зависит от физико-химических (ФХ.) и физико-механических(Ф.М.) свойств исходного перерабатываемого материала Хь
конструктивно- технологических параметров Х2 используемого оборудования и качества Х3 готового продукта. Например, для шаровых цементных мельниц, как правило, рассматриваются в качестве Х1 - Ф.М. свойства исходной размалываемой шихты; Х2 -параметры мельницы, а Х3 - дисперсность цемента, оцениваемая по остатку на контрольном сите R(008) и удельной поверхности (S).
Отсюда: Э^Х^Хз). (3)
При конкретных испытаниях мельницы, когда Х1~соп81 и Х2 -const
Э=К1(Х1>К2(Х2>ДХз). (4)
Реализация зависимости (4) приводит к общему выводу: с повышением дисперсности цемента, когда R ^, а S Т, удельные энергозатраты увеличиваются, что в общем верно, но только в рамках частной оценки Х3 по величине R и S. При этом результаты зачастую получаются противоречивыми и несравнимыми даже для мельниц одной категории. Попытки использовать модифицированные критерии Э^008 или Э/S дают искаженный результаты, т.к. не учитываются полная характеристикаХ3 , т.е. зерновой состав цемента, а точнее распределение частиц цемента по их размеру (РЧР); химико-минералогический состав исходной размалываемой шихты, а так же геометрические и рабочие параметры мельниц, что не позволяет в итоге решить задачу сравнительной оценки и оперативного управления работой мельниц по прямому энерготехнологическому параметру. Таким образом, традиционный контроль дисперсности R и S в принципе не может решить задачу определения истинной энергетической эффективности работы мельниц, тем более в условиях случайного характера действующих возмущений, привносимых колебаниями свойств клинкера и условий измельчения. Для решения этого вопроса следует использовать другие, новые подходы.
Использование в технологии цемента эксергетического метода анализа и мельниц дискретно- непрерывного действия (МДНД) открыло новые возможности по решению целого ряда актуальных для цемзаводов научно-технических задач , традиционным путем не решаемых. Одной из них и является разработка критерия энергетических затрат мельниц,
учитывающего одновременно все параметры Хь
Х3.
Предлагаемое нами понятие эксергии цемента вытекает из классического определения эксергии как меры работоспособности потока вещества или энергии. Эксергия цемента - эта комплексная энергия характеристика качества порошка, учитывающая его химико-минералогический и дисперсный составы. Чем больше Ецем и Ецем/ёь тем лучше при прочих равных условиях будут проявляться его строительно - техничекие свойства (СТС) м потребительские качества в ходе его дальнейшего использования. Это значит, что чем больше Ецем и ЕцемМь тем лучше его СТС. Эксергия цемента характеризует
энергетические свойства портландцемента, его потенциальные возможности, заложенные в нем при его получении в конкретных условиях, которые всегда постоянно меняются даже на одном цемзаводе.
В соответствии с определением эксергии цемента, ее величина определяется из выражений:
Ецем=Ер.ш.+Е(РЧЭ) (5)
Е(РЧЭ) ^ РЧР (6)
где Ер.ш. - эксергия исходной
размалываемой шихты, определяемая его химико - минералогическим составом и физико - механическими свойствами, акл, адоб, аг -соответственно доли в шихте клинкера, добавок и гипса. При получении бездобавочного принимаем Ер.ш=Екл , где Екл - эксергия клинкера, определяемая нами пока только по его химико-минералогическому составу.
Вышеизложенное предопределило и соответствующую постановку задачи разработки методики определения
эксергетического коэффициента полезного действия г/ процесса измельчения цемента предназначенного как для сравнения и оценки эффективности различных технологических
систем измельчения (ТСИ), так и для целей оперативного управления процессом.
Эксергетический к.п.д. определяется на основе эксергетического баланса подсистемы измельчения «клинкер-цемент». Такой баланс составляется впервые и преимущество заключается в том, что в предлагаемой методике учитываются все физико-химические и механические свойства исходных компонентов размалываемой шихты, а так же конкретные геометрические и конструктивно-
технологические параметры мельницы, в которой реализован процесс измельчения. Величина к.п.д. меняется в зависимости от этих параметров, и поэтому к.п.д., становиться главным «рабочим» энерготехнологическим параметром управления всем процессом измельчения.
Таким образом, впервые представляется возможным по величине эксергетического к.п.д. оперативно оценивать эффективность процессов измельчения различных материалов в мельницах различных типоразмеров.
Преимущества и научно-практическое значение оценки энергетической эффективности процессов измельчения по новым критериям заключается в том, что учитываются:
- физико-химические и физико-механические свойства исходного материала;
- конструктивно-технологические параметры мельницы (футеровка и др.).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Крыхтин Г.С. Интенсификация работы мельницы / Г.С. Крыхтин, Л.Н. Кузнецов-Новосибирск: ВО «Наука, Сибирская издательская фирма», 1993.- 240 с.
2. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика.-М.: Знание, 1958.- 265 с.
3. Дуда В. Цемент. М.: Стройиздат, 1981. С. 164 - 166.
