CC BY
1Остановский А.А.
Дровников А.Н.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
PERSPECTIVE DIRECTIONS IN THE FIELD OF GRINDINGMINERAL MATERIALS AND FRACTIONATION Ostanovskiy A.A. Drovnikov A.N. АННОТАЦИЯ
Обосновывается необходимость совершенствования технологических процессов измельчения материалов на основе использования новых технических разработок путем концентрации измельчительных операций в одной машине. Приводится конструктивная схема измельчительного устройства, в котором реализован этот принцип, дается описание принципа его работы. Представлены другие конструктивные схемы мельниц такого типа и приведены технические преимущества, которые могут быть получены при их использовании в отраслях промышленности, занимающихся переработкой минерального сырья ABSTRACT
The necessity of improving the processes of grinding based on the use ofmaterials ofnew tech-call development by concentrating grinding operations in a single machine. We present constructive scheme grinding device, which implements this principle, a description of its operating principle. Other design schemes presented mills of the type shown and technical advantages that can be obtained when they are used in industries involved in processing minerals
Ключевые слова: энергетическая стратегия, измельчение, самоизмельчение, дробильно-измельчительное оборудование, фракционирование, мельница, многостадийность, двухкаскадная мельница
Keywords: energy strategy, crushing, autogenous grinding, crushing and grinding equipment, fractionation mill, multi-stage, two-stage mill
Инновационный путь развития России на ближайшую перспективу предполагает совершенствование, как строительной отрасли, так и смежных с ней отраслей на основе внедрения прогрессивных и энергоэффективных технологий, не уступающего по своим техническим характеристикам лучшим зарубежным образцам [1]. Особенностью такого пути развития является ускоренное развитие и освоение новых перспективных рынков в Юго-Восточной Азии, связанных с Восточной Сибирью и Дальним Востоком России [2, 3].
Однако задача эта может быть успешно реализована только в том случае, если в этих районах будет обеспечена соответствующая логистическая инфраструктура, которая предусматривает строительство новых шоссейных дорог, портов, аэродромов и других вновь возводимых объектов
[4].
При обустройстве в короткие сроки этих территорий будут востребованы в больших объёмах различные строительные материалы и продукты их переработки - щебень, известь, мраморной крошки, искусственного песка а также произведенные на их основе цемент, асфальтобетон и др.
Быстрое и качественное обеспечение дешевыми продуктами переработки минерального сырья, которое в избытке имеется в этих районах, при стандартном подходе к этому вопросу потребует строительство новых заводов и фабрик по переработке местной минеральной базы, что неизменно приведет к значительным капитальным затратам, увеличению времени ввода этих объектов в сроки и, в конечном итоге, удорожанию выпускаемой продукции.
Поэтому для таких территорий целесообразно иметь мобильные передвижные заводы и передвижные установки, задача которых состоит в мобильной организации производства необходимых материалов для выполнения различных строительных работ.
Мобильное оборудование обладает в сравнении со стационарным целым рядом преимуществ. Ему не требуется строительства железобетонных фундаментов, оно отличает-
ся более быстрыми сроками поставки и др.
Успешная реализация поставленной задачи требует использование огромного объема переработанных минеральных, а также соответствующих коммуникаций для обеспечения их эксплуатации и автомобильных дорог.
Используемое для этих целей измельчительное оборудование должно соответствовать определенным условиям: невысокой стоимостью, простотой монтажа, удобству обслуживания, высокой производительности и низким энергозатратам.
Однако необходимо отметить, что при выборе технологического оборудования для измельчения минерального сырья не всегда в должной мере производится оценка перспективности технических новшеств отечественных разработчиков, которые имеют разные подходы к решению данной проблемы, но в состоянии учесть все недостатки ранее разработанных конструкций машин [5].
Например, к существенным недостаткам в организации технологического процесса измельчения различных строительных материалов на мобильных передвижных установках, является сложившаяся практика установки в технологическую цепочку несколько разнотипных измельчительных машин. Это приводит к усложнению монтажа, необходимости использования больших площадей под их установку, увеличению обслуживающего персонала и, естественно, к значительным капитальным и эксплуатационным затратам.
Решением данной проблемы может стать разработка технологических машин по переработке исходного материала в готовый продукт за счет концентрации в них нескольких измельчительных операций без существенного усложнения её конструкции.
В таких машинах кроме процесса измельчения может быть реализована другая важная техническая задача по разделению фракций - т. е. фракционирование готового продукта.
Получение готового продукта с необходимыми для потребителей свойствами является важнейшим условием по-
вышения качества при дальнейшем его использовании.
Имеющиеся в настоящее исследования по измельчению скорее отражают опыт, накопленный за долгие годы эксплуатации технологических систем измельчения (ТСИ), чем научные основы их проектирования, несмотря на то, что основные представления о физике измельчения модельных тел практически не изменились [6]. Сложность математического описания и расчета как собственно процесса измельчения частиц, так и его организации в той или иной ТСИ определяется, главным образом, тем, что процесс носит исключительно случайный характер. Прочность, размеры и форма частиц имеют широкий разброс. Независимое экспериментальное нахождение этих распределений является настолько сложной задачей, что оказывается гораздо проще осуществить тестовое измельчение материала в некоторых стандартизованных условиях, а потом переносить полученные данные на реальную ТСИ с помощью некоторых теоретически обоснованных принципов масштабного перехода.
Следовательно, для осуществления этой весьма сложной операции необходимо оборудование, которое могло бы обеспечить эту операцию в соответствии с требованиями
потребителя.
Одни из путей решения данной проблемы творческим коллективом «Института сферы обслуживания и предпринимательства (филиала) Донского государственного политехнического университета под руководством проф., докт. техн. наук Дровников А. Н. разработаны несколько конструктивных схем двухкаскадных мельниц динамического самоизмельчения, в которых реализован принцип концентрации измельчительных операций в одной машине. Причем для разрушения исходного материала используется прогрессивный способ сокращения размеров частиц - самоизмельчение, который реализован в вертикальных мельницах динамического самоизмельчения системы «МАЯ» [7-9].
К ним отнесена двухкаскадная мельница динамического самоизмельчения, в которой осуществляется организации измельчения в два этапа, что позволит увеличить степень измельчения исходного материала и получить готовый продукт без использования дополнительного количества оборудования при его многостадийной переработке [10].
Ниже приводится её конструктивная схема и приводится описание принципа работы (рис. 1).
Рис. 1. Двухкаскадная мельница динамического самоизмельчения:
1 - загрузочный патрубок; 2 - верхний корпус; 3 - внутренняя перегородка; 4 - чаша верхнего ротора; 5 - верхний подшипниковый узел; 6 - сборная камера; 7 - гибкий соединительный канал; 8 - полумуфта; 9 - нижний корпус; 10 - нижняя сборная камера; 11 - выгрузной патрубок; 12 - верхний вал; 13 - ведомый шкив; 14 - нижний подшипниковый узел; 15 -клиновой ремень; 16 - ведущий шкив; 17 - электродвигатель; 18 - чаша нижнего ротора; 19 - рама; 20 - сборная емкость; 21 - ребро верхней чаши ротора; 22 - ребро нижней чаши ротора
Двухкаскадная мельница динамического самоизмельчения состоит из верхнего 2 и нижнего 9 корпусов, связанных между собой болтовыми соединениями и смонтированных на раме 18. Внутри корпусов 2 и 9 установлен разъемный
вал ротора 22, на котором с помощью шпоночных соединениях смонтированы верхняя 4, нижняя 17 чаши ротора с изготовленными в их наклонных поверхностях выпускными отверстиями и вращающийся в верхнем 5 и нижнем 14
подшипниковых узлах. Передача крутящего момента на вал ротора 22 осуществляется от электродвигателя 16, установленного на раме 18, через клиноременную передачу, ведомый 13 и ведущий 15 шкивы.
Для выпуска измельченного материала в 1-м каскаде из верхнего корпуса 2 в рабочую зону нижнего корпуса 9 на нижней части сборного корпуса 6 смонтирован гибкий соединительный канал 7, соединяющий между собой 1-й и 2-й каскады двухкаскадной мельницы динамического самоизмельчения.
Выпуск достигшего необходимой степени измельчения исходного материала, произведенный в нижнем корпусе 9, осуществляется через боковые отверстия, выполненные в наклонной части нижней чаши ротора 17 в ёмкость приема готового продукта 19. Загрузка исходного материала производится через загрузочный патрубок 1.
Для облегчения выхода измельченного материала из 1-го каскада в верхнем корпусе 2 установлена внутренняя перегородка 3, в боковых стенках которой выполнены боковые отверстия, через которые материал через зазор Д перетекает в нижний корпус 9, где смешивается с материалом, попавшим в него через боковые отверстия верхней чаши ротора 4.
Процесс измельчения в двухкаскадной мельнице динамического самоизмельчения осуществляется следующим образом.
Первоначально в верхний корпус 2 через загрузочный патрубок 1 порционно загружается исходный материал. Далее производится включение электродвигателя 16 и через клиноременную передачу, ведущий 16 и ведомый 13 шкивы передачи приводят во вращение вал ротора 22 с находящимися на нем и синхронно вращающимися вместе с ним верхнюю 4 и нижнюю 17 чаши ротора.
В начальный период вращения верхней чаши ротора 4 куски материала, загруженные через загрузочный патрубок 1 в корпус 2 и находящиеся над ней, начинают перемещаться к ее периферии под действием центробежной силы, одновременно прижимаясь к радиальным ребрам 20, и, попав в активную зону, измельчаются за счет ударов, скалывания и истирания их между собой. Частицы материала крупнее размера выходных отверстий в верхней чаше ротора 4, совершают движение в рабочей зоне корпуса 2 по восходящей тороидальной линии и далее вместе с исходным материалом опускаются в (активную) рабочую полость чаши ротора 4.
Одна часть частиц материала, соразмерные с размерами боковых отверстий, выполненных в боковой плоскости верхней чаши ротора 4, выводятся за счет центробежной силы через эти отверстия и попадают в сборную камеру 6 и далее под действием силы тяжести самих частиц выпускаются через гибкий соединительный 7 в нижний корпус 9, располагаясь над нижней чашей ротора 17, где подвергаются воздействию вращающейся чаши ротора 16 с установленными внутри её полости аксиально расположенными внутри ребер 20.
В нижнем корпусе 9 (2-м каскаде) предварительно измельченные частицы материала в 1-м каскаде аналогично, как в верхнем корпусе 2 начинают перемещаться к его периферии под действием центробежных сил, одновременно прижимаясь к радиальным ребрам 21. В нижнем корпусе 9, предварительно измельченный материал в 1-м каскаде, попав в активную зону, также измельчается за счет уда-
ров, скалывания и истирания. Частицы материала крупнее размера выходных отверстий в верхней чаше ротора 17, совершают движение в рабочей зоне корпуса 9 по восходящей тороидальной линии. При этом частицы материала, имеющие размеры меньше, чем в боковых отверстиях нижней чаше ротора 17, выводятся из корпуса 9, выпускаются из мельницы и аккумулируются емкости готового продукта 20.
Таким образом, можно сделать вывод, что такая конструктивная схема мельницы даст возможность сосредоточить измельчение исходного материала до необходимой степени измельчения в одной машине, причем измельчение в каждом каскаде будет производиться с минимальными энергозатратами, что позволяет реализовать в создаваемом измельчительном оборудовании наиболее прогрессивный на сегодняшний день принцип самоизмельчения.
Применяемая на данной мельнице система каскадов позволит максимально полезно использовать имеющуюся мощность и регулировать гранулометрический состав и форму зерен готового продукта для достижения необходимого его качества.
Конструкция двухкаскадных мельниц динамического самоизмельчения предъявляет минимальные требования к обслуживанию, достаточно легко осуществлять смазку её узлов и деталей и применять их на любом из существующих или проектируемых заводов.
Простота конструкции и монтажа, невысокая стоимость и универсальность позволят её сделать особо пригодной для интеграции с существующими технологическими схемами или для применения на новых заводах для дробления и переработки необходимых материалов в районах с недостаточно развитой инфраструктурой. Наличие на местах обустройства местных строительных материалов (камня, гранита, глины, мергеля, песка и др.), чем в большинстве случаев богаты российские регионы, позволит в кротчайшие сроки, просто и эффективно решать вопросы строительства различных объектов в этих регионах, что даст немалый экономический эффект.
Кроме того, такие мельницы могли бы стать важным аргументом для развития малого бизнеса путем организации эффективного производства чистого и точно отсортированного дробленого продукта.
Особенностями мельницы такого типа являются:
- низкие капитальные и материальные затрата, особенно в сравнении с традиционным дробильно-измельчительным оборудованием, что будет обеспечивать её высокую конку-ренто способность;
- быстрый и несложный монтаж и развертывание для начала работы в полевых условиях при отсутствии соответствующей инфраструктуры;
- возможность управлять гранулометрическим составом продукта дробления, увеличивать и уменьшать выход готового продукта переработки минерального сырья с задаваемым гранулометрическим составом.
Дальнейшим техническим развитием перспективного направления, заключающегося в концентрации измельчи-тельных операций в одной машине, являются прогрессивные конструктивной схемы, которые имеют ряд технических преимуществ в сравнении с двухкаскадной мельницей динамического самоизмельчения, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Конструктивные схемы вертикальных двухкаскадных мельниц динамического самоизмельчения
Двухдви-гательный двухкаскадный измельчитель динамического самоизмельчения
Двухкаскадный измельчитель материала
Патент на полезную модель №122912. Опубл. 20. 12. 2012. Бюл. №35.
Патент на изобретение №2577631. Опубл. 20.03. 2016. Бюл. №8.
Увеличение производительности, снижение капитальных и эксплуатационных затрат, повышение производительности за счет возможности дозировки объемов измельчаемого матерела в рабочих камерах
Увеличение производительности за счет возможности регулирования угловых скоростей роторов в первом и втором каскаде, снижение удельных энергозатрат
1
2
Техническим преимуществом измельчительных машин, указанных в табл. 1, является то, что в их конструктивных схемах возможно за счет регулирования частоты вращения верхнего и нижнего ротора изменять производительность и фракционный состав готового продукта [11, 12] .
Таким образом, можно сделать вывод, что разработанная конструктивная схема двухкаскадной мельницы динамического самоизмельчения позволяет сосредоточить измельчение исходного материала до необходимой степени измельчения в одной машине, что позволит избежать необходимость встраивания в технологическую цепочку другие измельчи-тельные машины и этим обеспечить снижение капитальных и эксплуатационных затрат.
Заложенная в конструкцию таких мельниц идея концентрации в одной машине двух измельчительных позволит в дальнейшем производить её совершенствование, что позволит в дальнейшем создать синтезированную конструкцию измельчительных устройств, обладающие существенными техническими преимуществами в сравнении с аналогами [13].
Для более полного изучения процессов, происходящих при измельчении различных материалов, необходимо провести ряд экспериментальных исследований, которые позволят установить закономерности процессов в машинах такого типа, связанных с формированием фракционного состава измельченного материала.
Это является актуальной задачей ближайшего времени авторов этой статьи.
Список литературы
1. Приказ Минрегиона РФ от 30.05.2011 № 262 «Об утверждении Стратегии развития промышленности строительных материалов и индустриального домостроения на период до 2020 года».
2. Правительство Российской Федерации. Постановление от 22 ноября 1997 г. № 1475. О комиссии Российской Федерации по делам государств Юго-восточной Азии.
3. Государственная программа Российской Федерации «Социально - экономическое развитие Дальнего Востока и Байкальского региона». Утв. распоряжением Правительства РФ от 29 марта 2013 г. N 466-р).
4. «Государственная концепция создания и развития сети автомобильных дорог в Российской Федерации». Постановление Правительства Российской Федерации №438 от 17 апреля 1999.
5. Воскобойник М.П. Проблемы развития угольной промышленности России/httt://www.mining-media/ru.
6. Красильников А.Г. Закономерности формирования фракционного состава материала при измельчении в трубных мельницах замкнутого цикла: диссертация ... канд. техн. наук: Иваново, 2008.- 105 с.: ил.
7. А. с. № 651845 (СССР), МПК4 В 02 С13/14. Способ измельчения материала/ Ягупов А.В.; заявитель Северо-Кавказский горно-металлургический институт. - № 2331562; за-явл. 09.06 1976, опубл. 15.03. 1979, Бюл. №11. - 3 с.
8. А.с. № 710632 (СССР), МКИ В 02 С 13/00. Мельница динамического самоизмельчения «МАЯ»/ Ягупов А. В.; заявитель Северо-Кавказский горно-металлургический институт. - заявка № 2325134; заявл. 17.02. 1976, опубл. 25.01.1980, Бюл. №3. - 4 с.
9. А. с. №1308382, МКП В 02 С 13/14. Мельница динамического самоизмельчения/ Ягупов А.В., Хетагуров В.Н., Ге-гелашвили М.В., Фридман Е.М.; заявитель Северо-Кавказский горно-металлургический институт. - заявка № 4000261; заявл. 30.12.1985, опубл. 07.08. 87, Бюл. №17, - 3 с.
10. Пат. на полезную модель №122910. Российская Федерация. Двухкаскадная мельница динамического самоизмельчения / Дровников А.Н., Остановский А.А., Мас-
лов Е.В., Бурков Н.В., Осипенко Г.Е. Заявка: 2012115070/13, 16.04.2012; МПК В02С13/14; опубл. 20.12.2012. Бюл. № ? Заявитель и Патентообладатель(и): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»).
11. Пат. на полезную модель №122912. Российская Федерация. Двухдвигательный двухкаскадный измельчитель динамического самоизмельчения. Заявка: 2012124859/13, 14.06.2012. МПК В02С13/14 / Дровников А.Н., Остановский А. А, Никитин Е. В., Маслов Е. В., Бурков Н. В., Агафонов И. Н., Туркеничева Л. А. / Заявитель и Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно - Российский государственный университет экономики и сервиса» (ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»); опубл.
20.12.2012, Бюл. №17
12. Пат. на изобретение № 2577631. МПК В02С13/14 . заявка: 2014144581/13, 05.11.2014, Остановский А. А., Дровников А. Н., Маслов Е. В., Диброва Г. Д, Мицик М.Ф., Осипенко Л. А., Лозовой А.В. Патентообладатель : федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) ; опубл. 20.03. 2016. Бюл. №8. - 4с.
13. Классификация вертикальных мельниц динамического самоизмельчения как основа создания измельчительного оборудования нового поколения. Дровников А. Н., Оста-новский А. А., Маслов Е. В. «Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион», № 6. декабрь 2014 . С. - 12-17 .
Piskunov I.V.
PhD student, Gubkin Russian State University of Oil and Gas,
LITASCO SA
Glagoleva O.F.
Doctor of Technical science, professor, Gubkin Russian State University of Oil and Gas
Vrzi M.
ISAB refinery.
IMPROVEMENT OF REFINERY PROFITABILITY BY SYNERGY WITH
COLLOIDAL CHEMISTRY SCIENCE
ABSTRACT
Article is dedicated to the issues of crude oil blending. Blending of components in optimum concentration, utilization of effective additives and reasonable treatment can regulate balance ofintermolecular interactions and give a stable mix with maximum distillate yields. Otherwise crude blending in non-optimum proportions can cause incompatibility problems. Correlation ofphysical-chemical properties of crude oil blends and distillates yields vs component content is not linear and has polyextreme form due to impact of colloidal disperse structure.
Keywords: Crude oil, crude oil blending, colloidal chemistry, oil disperse systems, intermolecular interaction, crude incompatibility, optimization of colloidal structure.
Crude oil is a complex multicomponent and multiphase mixture, which include more than one thousand of different chemical compounds. The whole of their chemical properties, structure, intensity of intermolecular interaction in combination with particular environmental conditions determines macroscopic phisico-chemical properties of each unique sample. These systems stay in a delicate balance and in some cases even slight external influence (like change of temperature, pressure, blending) can change properties dramatically. It was defined that reorganizations of the matter starts from molecules - in "micro world", where alteration of bonds intensity, regrouping lead to evident change of matter properties. "If you want to understand function, study structure" - said Francis Crick, a Nobel laureate who discovered structure of DNA, and it is also applicable for crude oils. So and purposeful management of intermolecular interactions (as per conception of nanotechnology) can allow to regulate properties of the matters with minimal energy consumption. The bright peculiarity of oil systems is their polymicrodispersity. Microscopic size of disperse particles in crude oil (1-100 nm) give them high dispersity and surface area, that causes strong influence of surface phenomena to the total properties of matter and high sensibility to the external factors
[1].
These phenomena are in the area of interest of scientific and pedagogical school founded in 70th by professor Z.I. Syunyaev on the Refining technology department of Gubkin Russian State University of Oil and Gas. He dedicated his life to the colloidal sciences and had been widely regarded as one of the pioneers in dealing with petroleum systems using colloidal dispersion concept [2]. His theories were based mainly on ideas of academician P. A. Rebinder - inventor of new part of science - "physical-chemical mechanics", and studies of L.G. Gurvich (1920) and M.M. Kusakov (1935), where oils were described as colloidal systems with variable properties dependent on external parameters. Syunyaev initiated research related to analysis and regulation of intermolecular interaction, dispersity and dependent properties in order to influence the results of the processes of preparation and processing of crude oil, as well as the quality of the products.
Under his leadership has been collected big amount of experimental material confirming nonlinear behavior of the oil systems at mixing as well as under the influence of external factors - additives, electric and magnetic fields, ultrasound, etc. He created a theory of "controlled phase transitions" and
