CC BY
31
УДК 622.73:66.02
DOI: 10.17213/0321-2653-2016-2-84-89
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МЕЛЬНИЦ ДИНАМИЧЕСКОГО САМОИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ЗА СЧЕТ ЦИКЛИЧНОГО
ТОРМОЖЕНИЯ БАРАБАНА
IMPROVING THE EFFICIENCY OF FUNCTIONING OF DYNAMIC AUTOGENOUS MILLS DUE TO CYCLICAL DRUM BRAKE
© 2016 г. А.А. Остановский, Л.А. Осипенко, А.С. Чирской, И.И. Мартыненко
Остановский Александр Аркадьевич - канд. техн. наук, докторант, Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского технического университета, г. Шахты, Россия. E-mail: ostanovskiy51@ mail.ru
Осипенко Людмила Аркадьевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Конструирование, технологии и дизайн», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского технического университета, г. Шахты, Россия. E-mail: osi-penko@ mail. ru
Чирской Александр Семенович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Строительство и тенхносферная безопасность», Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова, г. Шахты, Россия. E-mail: AS_TCIRSKOY@ mail. ru
Мартыненко Игорь Иванович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Строительство и техносферная безопасность», Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова, г. Шахты, Россия. E-mail: sabikk@rambler. ru
Ostanovsky Alexander Arkadievich - Candidate of Technical Sciences, doctoral. Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) of the Don Technical University, Shakhty, Russia. E-mail: ostanovskiy51@ mail.ru
Osipenko Lyudmila Arkadevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Engineering, Technology and Design». Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) of the Don Technical University, Shak-hty, Russia. E-mail: osipenko@mail. ru
Chirskoy Alexander Semenovich - Candidate of Technical Sciences. assistant professor, department «Building and Technosphere Safety», Shahtinskii Institute (branch) Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Shakhty, Russia. E-mail: AS_TCIRSKOY@mail. ru
Martynenko Igor Ivanovwh - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Building and Technosphere Safety», Shahtinskii Institute (branch ) Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Shakhty, Russia. E-mail: sabikk@rambler. ru
На основе анализа эксплуатации вертикальных мельниц динамического самоизмельчения системы «МАЯ» обосновывается необходимость поиска новых технических решений, позволяющих снизить энергозатраты. Предложен новый способ измельчения и устройство для его осуществления, позволяющее путем цикличного пуска и остановки барабана снизить объем застойных зон. Это обеспечит более высокую интенсивность взаимодействия кусков, приводящую к росту производительности и снижению энергозатрат. Приведены экспериментальные данные зависимости удельных энергозатрат от периодов торможения барабана.
Ключевые слова: дробильно-измельчительное оборудование; мельница; энергозатраты; удельная энергоёмкость; способ измельчения; соударение частиц; застойные зоны; циркуляция материала; циклограмма.
Based on the analysis of the dynamic operation of the vertical mills autogenous «MAY» system justified the need to find new technical solutions to reduce energy consumption. A new method of grinding and device for its implementation, by allowing the cycle start and stop of the drum to reduce the amount of dead zones. This will provide a higher intensity of the interaction of pieces , leading to increased productivity and lower energy consumption. Experimental data according to specific energy consumption by drum braking periods.
Keywords: rushing and grinding equipment; grinding mill; energy; specific power consumption; grinding method; the collision of particles; stagnant zones; the circulation of material; patterns.
Введение
Технологические процессы, связанные с дроблением и измельчением различных материалов, занимают важное место в различных отраслях народного хозяйства. При ежегодном объеме переработки минерального сырья (свыше 3 млрд т) общие затраты электроэнергии составляют
60 млрд кВт-ч или до 4 % общего производства в стране [1].
Применяемое для измельчения дробильно-измельчительное оборудование характеризуется значительным износом высококачественной износостойкой стали, значительной удельной энергоемкостью процесса, высокой громоздкостью,
наличием большого количества дробильно-измельчительного, транспортирующего и просеивающего оборудования, связывающего его друг с другом в единую технологическую цепочку [2]. Следствием этой особенности технологических процессов являются высокий уровень капитальных вложений, эксплуатационных затрат и энергоёмкость процесса измельчения, снижающие в конечном счете конкурентную способность используемого измельчительного оборудования и произведенного с его помощью готового товара на мировом рынке [3].
Поэтому совершенствование помольного оборудования, а также поиск, разработка и применение более эффективных и экономичных способов измельчения является актуальной задачей отечественного машиностроения на ближайшую перспективу развития отраслей народного хозяйства РФ [4].
В нашей стране в последние годы проведен значительный объем работ по созданию эффективных дробильно-измельчительных машин и процессов, основанных на принципах самоизмельчения. К таким машинам следует отнести мельницы динамического самоизмельчения системы «МАЯ» [5 - 7].
Способ измельчения материалов, разработанный А.В. Ягуповым, заключается в том, что измельчение материала в мельницах этой системы осуществляется путем соударения частиц и кусков друг о друга, а материал формируется в виде вертикального столба. При этом нижнюю часть этого столба вращают с окружной скоростью 10-70 м/с, а давление материала на нижнюю часть столба поддерживают равным 0,05-0,15 МПа.
Принцип работы мельницы системы «МАЯ», в которой реализован данный способ (рис. 1), заключается в том, что в неподвижном цилиндрическом корпусе 1 формируется слой измельченного материала над вращающимся чашеобразным полым ротором 2, внутреннее пространство которого разделено на секции радиальными ребрами. Ребра предназначены для разгона измельчаемого материала и сообщения ему кинетической энергии, достаточной для преодоления сопротивления вышележащих слоев. Куски материала по мере вращения ротора 1 вытесняются ребрами в зону активного измельчения, расположенную непосредственно над ротором 1 . В зоне активного измельчения происходит разрушение частиц материала за счет их скалывания и истирания в зажатых условиях при непрерывной циркуляции материала в верти-
кальном направлении, что обеспечивает постоянное его обновление в этой зоне. Продукты размола могут разгружаться через кольцевой зазор, или через колосниковые решетки, которые могут быть вмонтированы в стенки ротора 1 или в стенки корпуса 2.
Рис. 1. Образование застойных зон в мельницах динамического самоизмельчения системы: 1 - внутренний ротор; 2 - внешний ротор (барабан)
Указанные пределы давления материала на нижнюю часть столба уменьшают по высоте зону активного измельчения, что снижает производительность, а также ограничивает циркуляцию материала внутри столба материала, что задерживает измельченный материал в этой зоне и приводит его к переизмельчению. Увеличение давления материала на нижнюю часть столба при реализации этого способа приводит к возрастанию энергозатрат на измельчение.
Эксплуатация мельниц системы «МАЯ» вскрыла определенные недостатки, снижающие их энергоэффективность из-за образования внутри неподвижного корпуса «застойных» зон, т. е. таких участков, в которых отсутствует циркуляция частиц и взаимодействие их между собой [8].
До сих пор совершенствование мельниц этой системы осуществлялось путем улучшения конструкции отдельных рабочих элементов и их режимных параметров: зависимости производительности от скорости вращения нижнего ротора, расположения просеивающих поверхностей, влияния количества радиальных ребер на производительность мельницы, расположения вырезов в радиальных ребрах, зависимости мощности на роторе электродвигателя от режимных параметров мельниц и свойств измельчаемого материала, закономерностей движения материала в рабочей зоне мельниц и др. [9].
Этот путь не позволил улучшить показатели мельниц по энергозатратам, так как в основе разрушения кусков материала этим способом
используется в основном кинетическая энергия вращающегося ротора, угловая скорость которого не может превышать некоторого критического значения [10].
Эта особенность процесса выдвигает перед научным сообществом задачу поиска технических решений, которые бы позволили без существенных усложнений конструкции избавиться от образования застойных зон и за счет этого увеличить интенсивность взаимодействия кусков и снизить энергозатраты.
В настоящее время известно конструктивное решение вертикальной мельницы динамического самоизмельчения, в которой метод разрушения кусков осуществляется не только за счет кинетической энергии вращающегося ротора, но и благодаря использованию инерционных сил, возникающих при циклическом торможении и растормаживании барабана по заданному циклу [11]. Такой способ позволяет за счет сил инерции приводить в постоянное движение частицы в тех областях полости цилиндрического корпуса (барабана), где их циркуляция отсутствовала.
Этот способ основан на том, что часть столба из материала вращают с окружной скоростью 10^70 м/с, как это осуществляется в мельнице системы «МАЯ», давление материала на нижнюю часть поддерживают в пределах 0,05 ^ -^0,15 МПа, а барабан мельницы периодически вращают и затормаживают до полной его остановки по определённой программе. Такой способ воздействия на столб материала приводит к тому, что за счет сил инерции движущихся кусков они, перемещаясь в его полости, в момент торможения будут заполнять те участки, в которых циркуляция отсутствовала. Это будет способствовать тому, что весь материал, находящийся в барабане, придет в движение, возрастет частота взаимодействия частиц между собой, что приведет к повышению производительности и снижению энергозатрат.
Регулируя продолжительность периодов торможения и растормаживания цилиндрического корпуса (барабана), можно путем изменения характера движения и взаимодействия частиц обеспечить интенсификацию процесса измельчения и влиять на энергоёмкость процесса измельчения.
Конструктивная схема мельницы с цикличным торможением барабана, в которой реализован вышеописанный способ измельчения, представлена на рис. 2.
Рис. 2. Мельница динамического самоизмельчения с цикличным торможением барабана
Первоначально с помощью вала 10, который приводится во вращение через двигатель (на рисунке не показан), приводится во вращение чашеобразный ротор 12. При этом через воронку 25 и отверстие в цапфе 24 измельчаемый материал непрерывно подается в рабочее пространство мельницы, образованное внутренними поверхностями чашеобразного ротора 12 и перфорированного цилиндра 17. При этом цилиндрический корпус (барабан) 1 мельницы находится в неподвижном состоянии, которое осуществляет тормозное устройство 27.
Попадая в чашеобразный ротор 12, куски измельчаемого материала сталкиваются с его радиальными перегородками. Если энергия удара движущегося куска превышает энергию, которая необходима для его разрушения, о встречный кусок, то уменьшение размеров осуществляется за счет силового воздействия от кинетической энергии вращающегося ротора 12. Если разрушение куска за счет приложенного усилия этой энергии не осуществляется, то происходит накопление потенциальной энергии упругой деформации в теле разрушаемого куска. Далее под действием центробежных сил измельчаемый материал вытесняется из чашеобразного ротора 12, проходя на своем пути сита 3, через которые соразмерные с отверстиями сит достигшие определённых размеров частицы выводятся в сборник 11. Вытесненные из чашеобразного ротора 12 куски измельчаемого материала попадают в зону активного измельчения, где вовлекаются в цир-
кулирующее движение: вверх по винтовой линии вдоль перфорированного цилиндра 2, а затем к оси цилиндрического корпуса 1 и далее по винтовой линии вниз опускаются в чашеобразный ротор 12. При такой траектории движения куски непрерывно соударяются друг с другом, на их поверхностях образуются локальные участки с высокими значениями контактных напряжений, что приводит к высвобождению накопленной ранее потенциальной энергии упругой деформации и интенсивному измельчению материала. Затем цилиндрический корпус 1 растормаживается путем снятия усилия с рычага 27 (усилие на котором может обеспечиваться механическим, гидравлическим и др. приводом) и под действием возвратной пружины 23 нажимной диск 28 и неподвижная траверса 19 размыкаются. Весь материал, находящийся в барабане 1 , переходит во вращательное движение вокруг его оси. Такое воздействие на столб материала будет сопровождаться активным перераспределением слоев измельчаемого материала, при котором застойные зоны ликвидируются. Причем, более мелкие частицы, под действием центробежных сил концентрируются непосредственно на внутренней поверхности перфорированного цилиндра 17.
Далее производят затормаживание барабана 1, что вызывает переходный процесс от вращательного движения к циркулирующему, характеризующемуся вовлечением всего объема материала в активное взаимодействие между собой. При этом повышается количество соударяющихся друг с другом кусков, а достигшие определённых размеров частицы, эвакуированные из зоны активного измельчения и из разрушенных застойных зон, активно выводятся из рабочего пространства мельницы через перфорированный цилиндр 17. Готовый продукт измельчения попадает в камеру 13, откуда через окна 8 выводится в сборную ёмкость 11. Часть измельченного материала, полученного в начальной стадии работы мельницы, попадает в кольцевой зазор между перфорированным цилиндром 17 и отогнутым от центра горизонтальным участком 16, заполняет его и уплотняется, препятствуя попаданию в продукты размола крупных частиц, ухудшающих общий гранулометрический состав измельчения. Время расторможения барабана составляет 0,5 —1,5 с, а время его заторможения (выстоя) - 2— 3 с. Такой интервал времени необходим для того, чтобы при заторможенном барабане 1 куски измельчаемого материала, участ-
вующие в циркулирующем движении, накопили достаточную потенциальную энергию упругой деформации, и сформировался определенный объем измельченного материала в активной зоне измельчения. Кроме того, такой интервал времени необходим, чтобы в переходных процессах от циркулирующего движения частиц к вращательному и от их вращательного движения к циркулирующему создать высокую интенсивность соударений кусков измельчаемого материала и обеспечить своевременную эвакуацию измельченного материала из активной зоны измельчения и ликвидировать застойные зоны.
При работе мельницы в режимах более указанных величин времени снижается интенсивность взаимодействия кусков, так как измельчаемый материал не успевает накопить достаточную потенциальную энергию упругой деформации, а в активной зоне измельчения не образовался определенный объем измельченного материала. При работе мельницы в режимах с указанным отношением времени ниже 0,5—2,0 с достигшие определенных размеров частицы несвоевременно эвакуируются из рабочей зоны, переизмельчаются, что приводит к росту энергозатрат.
При переходе процесса из вращательной фазы к циркулирующей в слоях материала создаются дополнительные сдвиговые напряжения и интенсивные соударения частиц друг о друга. Это будет способствовать росту интенсивности контактного взаимодействия частиц между собой и снижению энергозатрат.
На рис. 3 показана модельная установка вертикальной мельницы динамического самоизмельчения, в которой реализован разработанный способ.
На модели с прозрачным барабаном 6 можно осуществлять исследование не только влияния режимов торможения и растормажива-ния барабана на выходные характеристики мельницы (производительность, удельную энергоёмкость, гранулометрический состав готового продукта), но и установить закономерности движения частиц при таком способе. Для этого планируется производить фиксацию изменения их траектории с помощью фото и видеоаппаратуры.
Предварительные экспериментальные исследования влияния периода разгона, выстоя и торможения на удельную энергоемкость измельчения, где в качестве исследуемого материала использовался мергель крупностью исходных кусков 20 мм, представлены на рис. 4.
11 10
Рис. 3. Модель мельницы с цикличным торможением барабана и прозрачным барабаном: 1 - электродвигатель; 2 -рама; 3 - ремень клиновой; 4 - шкив ведомый; 5 - ротор; 6 - барабан; 7 - вал соединительный; 8 - поперечина; 9 - стойка; 10 - обечайка; 11 - тормоз
U дар, п/с
10 11 12
Рис. 4. Циклограмма скорости разгона, выстоя и торможения барабана мельницы: а - диаграмма изменения скорости барабана от периода торможения; б - зависимость удельной энергоёмкости от периода режимов барабана; tр - время разгона; tу - время установившегося движения барабана и ротора; Н - время торможения; tазт. б - время движения при заторможенном барабане и вращающемся роторе; Асовм -время одновременного движения барабана и ротора
где и - напряжение в сети, В; I - ток в сети, А; í - период измельчения, с; Gвыхt - масса измельченного и выпущенного материала за период измельчения кг.
Анализ зависимости удельной энергоемкости от периодов разгона, выстоя и торможения барабана показывает, что при реализации данного способа в вертикальных мельницах динамического самоизмельчения она снижена с 6,4 до 4,3 кВт-ч/кг.
Заключение
Разработанная конструкция мельницы динамического самоизмельчения с цикличным торможением барабана, в которой реализован принципиально новый способ измельчения, на первом этапе исследования показал её работоспособность при измельчении широко используемого в строительной отрасли мергеля и более высокую энергоэффективность в сравнении с мельницами системы «МАЯ».
При этом снижение удельной энергоемкости в период торможения при измельчении мергеля с исходной крупностью загружаемых кусков йср = 30 мм достигло 32,1 %, при неизменной производительности в сравнении с мельницами системы «МАЯ».
Следует отметить, что конструкция мельницы с цикличным торможением барабана усложнилась несущественно, что позволит после проведения небольшой модернизации находящихся в эксплуатации мельниц системы «МАЯ» получить значительный экономический эффект за счет снижения энергоёмкости процесса. Кроме того, возможны и другие конструктивные схемы мельниц, в которых торможение барабана может быть выполнено по другой схеме: с помощью магнитного тормоза, мальтийского механизма и др.
Созданная модель мельничной установки в дальнейших исследованиях позволит установить основные закономерности процесса измельчения в мельнице подобного типа, а полученные результаты использовать при создании промышленного образца, обладающего улучшенными техническими характеристиками в сравнении с мельницами динамического самоизмельчения системы «МАЯ».
Удельная энергоемкость Вт-с/кг, определялась как
Еуд= UIt /G
измельчения,
(1)
Литература
1. Хетагуров В.Н. Разработка и проектирование центробежных мельниц вертикального типа. Владикавказ: Терек, 1999. 225 с.
1
2
5
2. Баранов В.Ф. Обзор технологических схем рудоподго-товки // Горный журнал. 1997. № 4. С. 68 - 71.
3. Сиваченко А.А., Кургузиков А.М., Биленко Л.Ф., Бочков С.Л. // Дробильно-размольное оборудование и технологии дезинтеграции: междувед. сб. науч. тр. «Меха-нобр» Л., 1989. С. 49 - 55.
4. Министерство регионального развития Российской Федерации. Приказ от 30 мая 2011 г. № 262 «Об утверждении стратегии развития промышленности строительных материалов и индустриального домостроения на период до 2020 года».
5. Ягупов А.В. Способ динамического самоизмельчения. А.с. 651845. МКИ В 02 С 13/00; опубл. 15.03.79 // Б.И. 1980. № 10. 4 с.
6. Ягупов А.В. Мельница динамического самоизмельчения «МАЯ». А.с. 710632, МКИ В 02 С 13/00, опубл. 25.01.80 // Б.И. 1980. № 3. С. 4.
7. Ягупов А.В., Выскребенец А.С., Лебедев А.Ф. [и др.]. Мельница динамического самоизмельчения. А.с. 1169733,
МКИ В 02 С 13/14, опубл. 30.07.85 // Б.И. 1985. № 28. С. 4.
8. Хетагуров В.Н. Основные рабочие зоны в центробежных мельницах вертикального типа // Сб. докл. регионального НТК «Крайний Север -96». г. Норильск, 1996. С. 3 - 42.
9. Хетагуров В.Н. Новая энерго- и ресурсосберегающая технология измельчения с применением вертикальной мельницы // Безопасность и экология горных территорий: тез. докл. 11-й Междунар. конф. Владикавказ, 1995. С. 376 - 378.
10. Гегелашвили М.В. Определение границ скоростных режимов движения материала в мельнице динамического самоизмельчения «МАЯ» // Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия: материалы междунар. симп. (Орел 22 - 24 нояб. 2000 г.) Орел ОПУ. 2000. С. 245 - 249.
11. Способ измельчения материалов и мельница для его осуществления / А.Н. Дровников, В.С. Исаков, А.А. Ос-тановский, Е.В. Маслов. Патент на изобретение № 2539200. Опубл. 20.01 2015 // Б.И. № 2.
References
1. Hetagurov V.N. Razrabotka i proektirovanie tsentrobezhnykh mel'nits vertikal'nogo tipa [Development and design of centrifugal mill of vertical type]. Vladikavkaz, Terek, 1999, 225 p.
2. Baranov V.F. Obzor tekhnologicheskikh skhem rudopodgotovki [Review of technological schemes of ore dressing]. Gornyi zhurnal, 1997, no. 4. pp. 68 -71. [In Russ.]
3. Siwachenko A.A., Kurguzikov A.M., Bilenko L.F., Bochkov S.L. Drobil'no-razmol'noe oborudovanie i tekhnologii dezintegrat-sii. Mezhduved. sb. nauch. tr. «Mekhanoobr» [ Crushing and grinding machinery and disintegration technology. Interdepartmental. Sat. scientific. tr. «Mekhanobr»]. Leningrad, 1989, p. 49-55. [In Russ.]
4. Ministerstvo regional'nogo razvitiya Rossiiskoi Federatsii. Prikaz ot 30 maya 2011 g. №262 «Ob utverzhdenii strategii raz-vitiya promyshlennosti stroitel'nykh materialov i industrial'nogo domostroeniya na period do 2020 goda» [Ministry of Regional Development of the Russian Federation. Order of May 30, 2011 №262 «On approval of the Strategy of development of industry of building materials and industrial housing construction for the period till 2020»].
5. Yagupov A.V. Sposob dinamicheskogo samoizmel'cheniya [The method of dynamic autogenous]. A.S. 651845, 1980, 4 p.
6. Yagupov A.V. Mel'nitsa dinamicheskogo samoizmel'cheniya «MAYa» [Dynamic autogenous mill «MAY»]. A.S. 710632, 1980, 4 p.
7. Yagupov A.V., Vyskrebenets A.S., Lebedev A.F. and etc. Mel'nitsa dinamicheskogo samoizmel'cheniya [Dynamic autogenous mill]. A.S. 1169733, 1985, 4 p.
8. Hetagurov V.N. [The main work areas in centrifugal mill of vertical type]. Sb. dokladov regional'nogo NTK «Krainii Sever -96» [In Proc. Regional reports STC «Far North -96»]. Norilsk, 1996, p. 37-42.
9. Hetagurov V.N. [New energy- and resource-saving technology of grinding with vertical roller mill]. Sb. tezisov dokladov 11-i Mezhdunarodnoi konferentsii «Bezopasnost' i ekologiya gornykh territorii» [In Proc. abstracts of the 11th International Conference "Safety and Ecology of Mountain Territories"]. Vladikavkaz, 1995, p. 376-378. [In Russ.]
10. Gelashvili M.V. [Defining the boundaries of high-speed modes of motion of material in dynamic autogenous mill «MAY»]. Mekhanizmy i mashiny udarnogo, periodicheskogo i vibratsionnogo deistviya. Mater. mezhdunar. simp. [Mechanisms and impact machines, batch and vibrating action. Mater. intern. symp.] Eagle, 2000, pp. 245 - 249. [In Russ.]
11. Drovnikov A.N., Isakov V.S., Ostanovskiy A.A., Maslov E.W. Sposob izmel'cheniya materialov i mel'nitsa dlya ego osu-shchestvleniya [A method of grinding mill and materials for its implementation]. Patent RF, no. 2539200, 2015.
Поступила в редакцию 15 февраля 2016 г.
