Повышение производительности шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.926.5

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

© 2007 г. Р.Р. Шарапов

Производство цемента характеризуется высокой энергоемкостью, так как только на долю тонкого измельчения материалов приходится до 60 % затрачиваемой электроэнергии. При этом актуальной задачей при производстве цемента является вопрос улучшения качественных показателей готового продукта. Как показал мировой опыт, все эти вопросы успешно решаются при использовании замкнутого цикла измельчения. Учитывая, что отечественный парк помольных машин на 100 % состоит из шаровых мельниц, необходимо выработать методологию их перевода в замкнутый цикл и совершенствовать уже существующие шаровые мельницы замкнутого цикла. Тем более что при переводе в замкнутый цикл исследователи и специалисты на предприятиях сталкиваются с большими трудностями. Нами предлагается повысить эффективность помола в замкнутом цикле путем повышения продольной скорости измельчаемого материала в мельнице. Это возможно благодаря применению специальных конструкций наклонных межкамерных перегородок с отверстиями со стороны контакта с мелющей загрузки, осуществляющей отбор мелкой фракции в первой камере. После поворота барабана мельницы перегородка транспортирует отобранную мелочь к разгрузочному концу мельницы за счет отсутствия таких отверстий со стороны второй камеры. Снижая холостые удары мелющей загрузки по мелкому материалу, можно повысить эффективность измельчения и качество готового продукта.

Для подтверждения данного положения нами разработана экспериментальная установка с шаровой мельницей размером 0,4x1,35 м, оснащенная воздушно-проходным и центробежным сепараторами и работающая в непрерывном режиме измельчения. При этом изменялись: количество крупки, циркулирующей

в системе; аспирационный режим, изменяемый количеством воздуха, просасываемого через мельницу; положение перегородки, определяемое соотношением длин камер; транспортирующая и интенсифицирующая способность перегородки, изменяемая расположением отверстий со стороны первой и второй камер мельницы, а также частота вращения барабана мельницы.

С применением математического планирования эксперимента получены уравнения регрессии, позволяющие определить влияние варьируемых факторов (таблица) на производительность установки, потребляемую ею мощность, удельный расход энергии и качество конечного продукта.

Уравнение регрессии, выражающее зависимость производительности шаровой мельницы замкнутого цикла мощности QRx от циркуляционной нагрузки c (Х1), скорости аспирационного воздуха в мельнице V (Х2), положения наклонной межкамерной перегородки, выраженной через соотношение длин второй камеры мельницы к первой k (Х3) = 12/1ь расположение отверстий на перегородке, выраженное через живое сечение v(Х4) и относительной частоты вращения барабана у(Х5) в кодированной форме имеет вид (кг/ч): QRx = - 150 + 9,5с + 64,5 V - 2k - 355v + 525,1у + + 6с V+ 20с V - 56V k - 350V V + 171^ у + 80k V + + 34^ у + 143^ - 5,2с 2 - 100 V 2 - 8k 2 - 3250v2 -

- 470 у2. (1)

Производительность шаровой мельницы замкнутого цикла, приведённая к 10 %-му остатку на сите 008, кг/ч:

QR10 = - 104 + 14,8с + 123^ + 51^ + 300v + 582,3у -

- 24с V + 1,8с k + 66с V - 5,2с у - 31,6 V k + 170 V V + + 133 V у + 60k V + 24k у + 1^у - 6,5с 2 - 125 V2 -

- 23^ 2 - 3500v2 - 484,6у2. (2)

Уровни варьирования факторов

Факторы Кодовое обозначение Интервал варьирования X = -2 (звезд. уровень) X = -1 (нижний уровень) X = 0 (средний уровень) X = +1 (верхний уровень) X = +2 (звезд. уровень)

Циркуляционная нагрузка, с, % Xi 50 50 100 150 200 250

Скорость воздуха, V, м/с Х2 0,1 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Положение перегородки в мельнице 12 / 1\ Хз 0,25 0,5 0,75 1,00 1,25 1,50

Живое сечение перегородки S, % Х4 2 8 10 12 14 16

Частота вращения, у, дол. ед. Х5 0,07 0,62 0,69 0,76 0,83 0,90

Уравнение (1) характеризует транспортирующую способность наклонной перегородки, поскольку оно выражает производительность мельницы без учёта качества готового продукта.

Анализ величины и знака коэффициентов при всех факторах и эффектах показывает, что:

- увеличение c - циркуляционной нагрузки, в исследованном режиме уровней факторов, обеспечивает увеличение QRx - это, очевидно, и соответствует физической модели процесса измельчения в шаровых мельницах замкнутого цикла;

- знак коэффициента при V говорит о том, что с увеличением скорости воздуха QRx растёт, комплексный анализ всех эффектов взаимодействия c V , V к , V v, V у позволяет убедиться в правильности этого предположения, несмотря на отрицательный коэффициент при V 2;

- малое значение коэффициента при к , по сравнению с величинами коэффициентов при других факторах, указывает на то, что на формирование функции отклика QRx фон, вносимый к, практически не ощутим. На это указывает и незначимость, по сравнению с другими коэффициентами, знака коэффициентов при эффектах взаимодействия cv, V v и ку, а также при к2;

- снижение живого сечения НМП с целью формирования перегородки с повышенной транспортирующей способностью положительно сказывается на повышении пропускной способности мельницы. Уменьшение параметра v ведёт к увеличению QRx. Это также характеризует коэффициент при v2 и суммарный коэффициент при эффектах взаимодействия cv, Vv, kv и vy. Положительно сказывается на величине QRx и то, что за счёт классифицирующей способности наклонной перегородки кондиционный материал из первой камеры направляется во вторую, и то, что циркулирующий у перегородки материал, снижающий пропускную способность мельницы, принудительно направляется на сепарацию. Например: при в = 55°, c = 200 %, V = 0,7 м/с , к = 1, v = 16 %, у = 0,67, QRx = = 51,5 кг/ч. При тех же значениях факторов и v = 8 % (максимальный транспортирующий эффект перегородки) производительность составляет 88,3 кг/ч, т. е. прирост производительности составляет 71,4 %;

- увеличение частоты вращения барабана вызывает снижение пропускной способности мельницы, т. е. транспортирующей способности НМП, при условии, что (c , V , к , v) = const, что соответствует физической модели работы мелющих тел в мельнице с поперечно-продольным движением загрузки, так как при увеличении в мельнице с наклонной перегородкой частоты вращения барабана раньше наступает маховый режим, следовательно, и снижается эффективность процесса измельчения. Но при определённых сочетаниях эффектов взаимодействия увеличение у позволяет увеличить пропускную способность мельницы, такими эффектами являются Vy, ку и vy, т. е. при увеличении скорости воздушного потока с увеличением у QRx возрастает и наоборот, и при уменьшении длины камеры грубого измельчения при увеличении у QRx стремится к своему максимуму, а при уменьшении

длины камеры тонкого измельчения со снижением у величина QРх стремится к своему минимуму.

Производительность мельницы, приведённая к 10 %-му остатку на сите 008, характеризует интенсифицирующую способность наклонной перегородки. Напомним, что экспериментальные исследования в лабораторных условиях проводились на мельнице, работающей в замкнутом цикле измельчения.

Итак, на основании уравнения (2) нами сделаны следующие выводы:

- наибольший прирост QR10 обеспечивается за счет оптимизации отверстий на наклонной перегородке. Исследуя кодированную форму представления уравнения регрессии QR10 при (c , V , к , v, у) = const, установили, что фон, вносимый в изменение параметра QRi0 фактором v, больше в 2,65 раза, чем изменение скорости воздуха в барабане; в 4 раза больше, чем изменение частоты вращения; в 5,5 раза больше, чем местоположение перегородки; и в 3,5 раза больше, чем изменение циркуляционной нагрузки. Совместное увеличение эффекта взаимодействия vy также увеличивает QR10 в равной мере изменением уровня каждого из факторов v и у. Однако величина коэффициентов при v и у говорит о том, что увеличение QR10 целесообразно обеспечивать увеличением v. При этом увеличение эффектов c v, c у снижает QRi0, а увеличение V к также снижает QRi0. То есть большая производительность мельницы достигается сочетанием минимальных c и у;

- уменьшение v увеличивает транспортирующую способность наклонной перегородки, что загрубляет помол. Это характеризует знак и величина при v, однако существуют условия, при которых с уменьшением v, QR10 возрастает: с уменьшением c, V, к, v, и у до уровня -2 знак при эффектах взаимодействия cv, Vv, ку и ут изменяется на противоположный («плюс» на «минус») и их величина становится максимальной и величине QR10 стремится к своему максимуму.

На рис. 1 и 2 приведены экспериментальные значения функции QRx(c, V, к, v, у).

Анализ результатов экспериментов показывает:

- функция QRx(c) носит экстремальный характер, максимум которой расположен в области 150 % < c < < 200 % при любых значениях V , к , v, и у, например, при c = 50 %; V = 0,7 м/с; к = 1,25; v = 12 %; у = 0,69; QRx = 59,0 кг/ч, при c = 150 % повышается до 79,4 кг/г, т. е. на 34 %, а при c = 250 % QRx = 73,4 кг/ч. С увеличением у до 0,83 при соответствующих c, V, к, и v производительность снижается до 52, 72,2 и 66,2 кг/ч соответственно;

- при 0,7 < V < 0,9 м/с увеличение циркуляционной нагрузки с в области у < 0,76 увеличивает производительность мельницы, а в области у > 0,76, наоборот, приводит к снижению QRx. Например, при к = 1, v = 10 %, c = 50 % увеличение V с 0,7 до 0,8 м/с с изменением частоты вращения барабана мельницы с у = 0,62 до у = 0,9 QRx, соответственно, изменяется от 50,8 кг/ч до 59,1 кг/ч и с 37,6 до 50,7 кг/ч, т. е. в первом случае возрастает на 8,3 кг/ч, а во втором на 13,9 кг/ч;

Qrx, кг/ч

80 70 60 50 40 30

у = 0,69 Qrx, кг/ч

у = 0,83

61 53 45 37 29 21

1 2 --

3 4

5

/

100

QRx, кг/ч

150

с = 50 %

200

3 2

1

5

4

80 70 60 50 40 30

3 2

\

1 г ^^^

4

5

с, %

100

а

Qrx, кг/ч

150

с = 200 %

200

с, %

80 70 60 50 40 30

2 \ **

3

1

\ 5

4

0,6

0,7

0,8

V, м/с

QRx, кг/ч

V = 0,6 м/с

QRx, кг/ч

V = 0,8 м/с

70 67 64 61 58 55

3 2

/^г 5

-л— 1

4

95 92 89 86 83 80

2

5 .____

1

4

0,75 1 1,25 к

Рис. 1. Экспериментальные зависимости: а - QRx(c): V = 0,7 м/с; к = 1,25: 1 - и = 8 %; 2 - и = 10 %; 3 - и = 12 %;

4 - и = 14 %; 5 - и = 16 %; б - QWV;: и = 10 %; k = 1: 1 - у = 0,62; 2 - у = 0,69; 3 - у = 0,76; 4 - у = 0,83;

5 - у = 0,9; в - QRx(k): v = 10 %; у = 0,69: 1 - c = 50 %; 2 -c = 100 %; 3 - c = 150 %; 4 - c = 200 %; 5 - c = 250 %

- максимум QRх в области 160 % < с < 200 % с увеличением скорости воздушного потока находится при положении НМП в мельнице при 1,25 < к < 1,5, а при к > 1 наблюдается значительное снижение пропускной способности мельницы, например, при к = 0,5; V = 0,6; с = 150 %; V = 10 %; у = 0,69 %; QRх = 59,4 кг/ч, при к = 1, увеличивается до 67 кг/ч, т. е. на 12,8 %, а при к = 1,5 QRх = 69,8 кг/ч; с увеличением V до 0,8 м/с при соответствующих с , V , V и у производительность возрастает до 86,1; 94,2; 96,3 кг/ч;

- оптимизация конструкции НМП с целью повышения ее транспортирующей и классифицирующей

способности при у < 0,76 повышает QRх, например, при с = 200 %; V = 0,7; к = 1; V = 16 %; у = 0,76; QRх = 29,9 кг/ч, при V = 12 %; QRх = 49 кг/г, т. е. возрастает на 65 %, а при V = 8 %, QRх = 58,7 при росте QRх на 96,6 %;

- функция QRх (у) носит экстремальный характер, максимум которой расположен в области 0,62 < у < 0,69 при любых значениях с , V, к и V например, при с = 50 %; V = 0,8 м/с; к = 1,25; V = 10 %; у = 0,62; QRх = 72 кг/ч, при у = 0,76 QRх = 70 кг/ч, а при у = 0,9 QRх = 54 кг/ч, т. е. на 33 % меньше.

б

в

б

Рис. 2. Экспериментальные зависимости: а - Окх(и): с = 200 %; к = 1: 1 - у = 0,62; 2 - у = 0,69; 5 - у = 0,76; 4 - у = 0,83; 5 - у = 0,9; б - (у): и = 10 %; к = 1,25: 1 - К = 0,5 м/с; 2 - V = 0,6 м/с; 5 -V = 0,7 м/с;

4 - V = 0,8 м/с; 5 -V = 0,9 м/с

Таким образом, совершенствованием конструктивных, технологических и аэродинамических параметров работы шаровых мельниц замкнутого цикла измельчения можно существенно повысить эффективность из-

мельчения цементного клинкера. Вопросы повышения качества конечной продукции и энергетической эффективности процесса измельчения цементного клинкера в замкнутом цикле будут освещены в следующих работах.

Белгородский государственный технологический университет 10 ноября 2006 г.

УДК 621. 762. 1+519.87

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ КОНТАКТНОГО СЕЧЕНИЯ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА

© 2007 г. Р.В. Егорова, К.К. Гладун, С.Н. Егоров

В теории порошкового материаловедения важное место занимает трансформация свободной поверхности порошкового тела в контактную на различных стадиях уплотнения [1 - 4].

Наряду с формированием качественного межчастичного сращивания развитие контактной поверхно-

сти обусловливает значение функциональных свойств порошковых материалов. Прямое наблюдение за этим процессом затруднительно, поэтому многие исследования проводятся с использованием математического и физического моделирования. В частности в работе [5] рассматривалась физическая модель пористого