CC BY
121
СЕМИНАР 20
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -
2000"
МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года
^ Ю.В. Дмитрак,: А.П. Вержанский,:
:■ ■■■
УДК 622.
Ю.В. Дмитрак, А.П. Вержанский
ТЕНДЕНЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
П
роцессы дробления и измельчения естественных минеральных сред и искусственных материалов являются определяющими во многих технологических процессах и схемах рудо-подготовки. В их основе заложены различные способы разрушения материалов [1], наиболее распространенными из которых являются: удар, раздавливание и истирание. Выбор способа разрушения зависит от физикомеханических свойств измельчаемого материала, начальной величины разрушаемых кусков, требуемой степени измельчения и ряда других факторов. Приведенные выше способы разрушения измельчаемых минеральных сред и материалов нашли широкое применение в современных дробиль-но-измельчающих машинах.
Достаточно широкое применение для измельчения получили шаровые мельницы. В 1991 г. на 28 конференции «Измельчение и классификация» [2], состоявшейся в НИИ обогащения г. Фрейберг, ФРГ, отмечалось 100 лет шаровой мельнице. В шаровых мельницах реализуется сухое и мокрое измельчение. Шаровые мельницы имеют широкий диапазон производительности по исходному материалу.
Основными преимуществами работы шаровых мельниц являются [3]: легкость регулировки, эксплуатации и их ремонта; возможность изменения режима измельчения в зависимости от характеристики питания; получение тонкого по крупности продукта при различной крупности питания.
К недостаткам шаровых мельниц можно отнести [1] относительно высокую энергоемкость, а также высокий износ футеровок и мелющих ша-
ров. Основным способом разрушения измельчаемых материалов в шаровых мельницах является удар. Более трех десятилетий как предложены и успешно эксплуатируются непрерывно работающие вибромельницы, преимущественно в виде двухтрубных мельниц. Мельницы имеют ограниченную мощность. При диаметре труб более 650 мм существенно возрастает эффект измельчения. Высокая степень измельчения в вибромельницах достигается за счет удара с истиранием, а постоянная вибрация позволяет вести процесс измельчения без сцепления тонкодисперсионных частиц [1].
Тенденция подвергать измельчаемый материал все более высоким напряжениям для достижения тонкого и ультратонкого помола неизбежно от шаровых мельниц приводит к планетарным мельницам [1]. Конструктивная особенность планетарной мельницы состоит в том, что она имеет три или четыре барабана, которые вращаются вокруг центральной и собственных осей одновременно. Траектории движения частиц материала и мелющих тел очень напоминают те, что мы наблюдаем в обычной шаровой мельнице.
В настоящее время совершенствование дробильно-измельчающих машин ведется в первую очередь в направлении снижения энергоемкости процесса измельчения. Это может быть достигнуто использованием таких механизмов разрушения, при которых в измельчаемом материале формируется сложное напряженное состояние с упругими деформациями сжатия, растяжения, изгиба и сдвига. Ниже рассматриваются некоторые особенности конструкций барабанных мельниц, их проектирования и опыт использования.
В работе [4] выполнен анализ механики мелющих тел в вибромельницах с различными режимами колебаний помольного барабана. Показано, что в зависимости от режимов характер мелющих тел качественно меняется. Это требует разработки адекватной модели механики мелющей среды в конкретной области режимных параметров.
Установлено, что для высокопроизводительных вибромельниц перспективны режимы с большой амплитудой колебаний помольного барабана, при которых наиболее приемлема модель динамической обработки мелющей среды. Предложенная динамическая расчетная схема вибрационной машины нелинейна и ее решение осуществлено с использованием обобщенных функций, обеспечивающих более высокую точность, особенно при прочностных расчетах. В работе [5] отмечается, что наиболее эффективной на начальном этапе измельчения является максимальная скорость нагружения. Соотношение между энергозатратами на процесс и полезной работой измельчения меняется в процессе измельчения. Поэтому высокие скорости нагружения становятся не эффективными, в соответствии с критерием, удельным энергозатратам на процесс. Если измельчение переходит в область частиц микронных размеров предпочтительнее оказывается ведение процесса в планетарно-центробежной мельнице, т.е. в агрегате с переменной структурой и переменным оптимальным управлением.
Полученные результаты хорошо согласуются с результатами работы [6], в которой теоретически показано, что оптимальная обработка сред в вибромельницах может происходить лишь при переменной частоте и амплитуде виброударного режима рабочего органа вибромашины. Исходя из этого, конструкция вибромашины должна допускать возможность изменения частоты и амплитуды вибрирующего органа в рабочем режиме - это два основных принципа конструирования вибромашин, которые необходимо закладывать при конструировании измельчителей ударного действия.
Тенденция подвергать измельчаемый материал все более высоким напряжениям для достижения тонкого и ультратонкого помола неизбежно от шаровых мельниц приводит к планетар-
ным мельницам. В работе [7] проведены теоретические выкладки, обосновывающие расчет планетарных мельниц с длинным водилом, исходя из подобия процессов, происходящих в шаровых мельницах и планетарных мельницах. Для планетарных мельниц с коротким водилом помимо теоретического анализа проведены экспериментальные исследования - с помощью фотосъемки определены траектории движения шаров при согласном и противоположном вращении мельницы и водила.
Доказано, что характер движения мелющей среды для планетарных мельниц с коротким водилом существенно отличается от имеющего место в шаровых мельницах. Исследованиями установлено, что при уменьшении длины водила до некоторого значения, планетарная мельница превращается в вибрационную мельницу.
В работе [8] описывается метод измерения числа ударов шаров с использованием микроэлектронных элементов, который позволил экспериментально изучить реальный характер движения шаров по сечению барабанов мельниц с гладкой и рифленой броней. Оценено влияние частоты вращения барабана и степени заполнения его сырьем на общее число контактов шаров и минимальную энергию их соударений. Составлен энергетический баланс и найдено распределение динамических напряжений сдвига и удара шаров в различных зонах сечения барабана. Полученные результаты рекомендуется использовать для проектных расчетов мельниц.
Для определения зависимости границ основных режимов загрузки в планетарно-центробеж-ной мельнице с вертикальными осями от коэффициента загрузки авторы [9] используют математическую модель водопадного режима движения загрузки, которая базируется на идеализированной расчетной схеме, аналогично предложенной В.Э. Девисом [10] для шаровых, барабанных мельниц. Предполагается , что движение частиц носит регулярный циклический характер и состоит из двух этапов: кругового движения совместно с барабаном по круговым траекториям и свободного движения после отрыва от массива.
Для расчета режима движения загрузки в барабанах планетарно-центробежной мельницы разработан алгоритм, на основе которого был произведен численный расчет на
ЭВМ с целью определения вида движения загрузки в многобарабанной планетарной мельнице. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований [11-13] (без учета коэффициента трения), что позволяет авторам рекомендовать их как исходный материал для проектирования планетарно-центробежной мельницы с вертикальными осями.
С целью создания методики расчета трубчатых вибромельниц на уровне проекта экспериментально изучена работа такой машины марки Palla 20U производства концерна КНД (ФРГ) [14]. Вибромельница имеет 2 горизонтальные, расположенные одна под другой трубы диаметром 200 мм, соединенные по концам ярмами с лапами, которые опираются на резиновые амортизаторы станины. Между трубами проходит вал эксцентрикового вибропобудителя, вращающийся с частотой 1000 или 1500 мин-1. Максимальный размах круговых колебаний труб R=20 мм, наибольшее линейное ускорение 167 м/с2. Трубы на 50-80 % заполняют стальными шарами диаметром 10-30 мм.
В опытах с помощью пьезодатчиков, соединенных с осциллографом, анализатором импульсов АЦП и ПЭВМ, записывали характеристики вертикальных и горизонтальных колебаний труб. В итоге статистической обработки результатов замеров зависимость R и ускорений от коэффициента заполнения объема труб шарами. Эти величины максимальны при ф = 0.8. Свойства измельчаемого материала слабо влияют на R.
В работе [15] сообщается, что на пяти обогатительных фабриках Ан-шаньского металлургического комбината работают 14 шаровых мельниц 0 3.6x4.0 м; 0 3.2x3.1 м; 0 2.7x3.6 м и 0 2.7x2.1 м. Ежегодно на мельницах обрабатывается 22 млн. т руды, расход электроэнергии составляет более чем 700 млн. кВт'ч. Рабочее состояние шаровой мельницы играет важную роль при повышении производительности и экономии электроэнергии, а число оборотов мельницы является решающим фактором для определения производительности, расхода энергии. других техникоэкономических показателей.
Результаты промышленного производства и анализа рабочего состояния шаровой мельницы0 2.7x3.6 м
показали, что при числах оборота 27 об/мин по сравнению с числом оборотов 21 об/мин производительность повышается на 3.28 % (1.7 т/ч), показатель зернистости снижается на 0.88 %, срок службы подкладки
уменьшается на 48.64 % (корпус) и 19.77 % (торцы подачи и выпуска руды), коэффициент рабочего времени из-за увеличения технического обслуживания снижается на 7.05 % расхода электроэнергии увеличивается на 5.8 %. В результате чего снижается объем порошков комбината на 700 т/год, увеличивается расход электроэнергии на 20 тыс. кВт'ч/год, повышается себестоимость. Делается вывод о необходимости применять число оборотов 21 об/мин.
На основе результатов ранее проведенных исследований по динамике малоподвижного ядра, находящегося в центре внутримельничной нагрузки [16-18], в работе [15] теоретически обоснованы новые технологические режимы измельчения, которые соответствуют повышенным угловым скоростям вращения барабана мельницы и пониженным значениям заполнения внутри мельницы. Эти режимы обладают существенными технологическими и экономическими достоинствами.
Анализ показал, что удельный расход электроэнергии на тонину измельченного материала можно снизить в 1.5-2.0 раза за счет передачи энергии от внутренней поверхности барабана мельницы рабочему органу -малоподвижному ядру через более тонкий слой сырья.
За счет интенсификации работы трения в зоне фрикционного состава, обусловленного увеличением угловой скорости вращения барабана, производительность по готовому классу в разгрузке мельницы должна существенно увеличиваться. При этом ставить промежуточный редуктор из-за возрастания угловой скорости барабана мельницы нет необходимости, возможно использовать для привода быстроходные двигатели.
В работе [19] посвященной планетарным мельницам рассматриваются их особенности, позволяющие достигать высокую эффективность процесса измельчения любых по твердости минеральных сред, и преимущества мельниц по сравнению с традиционными мельницами, главным из которых является способность производить особо тонкий продукт. Приводится описание деятель-
ности фирмы ТТД - Балтиец по разработке и серийному производству планетарных мельниц периодического и непрерывного действия как для сухого, так и для мокрого помола в режиме шарового и бесшарового измельчения. Даются технические характеристики выпускаемых фирмой мельниц. Отмечается, что фирма накопила значительный опыт по измельчению различных материалов в планетарных мельницах, которые позволяют сделать вывод о рациональных областях их применения.
Выше было рассмотрено несколько попыток исследователей получить реальную картину движения шаровой загрузки внутри помольной камеры. Однако, все приемы применявшиеся учеными для достижения поставленной цели, носили косвенный характер. Для того, чтобы исследовать и понять процессы, происходящие внутри мельницы, нужно определить параметры шаровой загрузки путем непосредственного измерения динамических параметров отдельных мелющих тел. Первая такая попытка была сделана в Московском государственном горном университете [22].
Для того чтобы замерить непосредственно ударный импульс, возникающий в момент соударения мелющих тел (шаров), нужно решить две задачи. Первая заключалась в том, чтобы для отражения реального процесса измельчения сохранить объем и форму соударяющихся тел. В связи с этим один из шаров был превращен в измерительное устройство. Шар был выполнен полым, а внутрь него был помещен акселерометр КБ - 35 Герман-
ской фирмы <^еЬ
Robo1ronmessrеlektromk>>. Следует отметить, что измерительная аппаратура, использованная на данной стадии эксперимента, была также произведена этой фирмой.
В корпусе измерительного шара было сделано отверстие для вывода провода, а сам шар помещен в выделенный в загрузке столбик шаров. При этом для того, чтобы не произошло быстрого перетирания провода, необходимо было устранить вращение шара, для чего на его поверхности были отфрезерованы параллельные грани, а сам столбик шаров был помещен в вертикальный канал с металлическими боковыми стенками. Таким образом, измерительное устройство имело возможность перемещаться только в вертикальном направлении, что естественно искажало реальный процесс, но позволило впервые измерить центральный прямой удар между шарами.
Сигнал с датчика вибраций КБ-35 через провод передавался на виброметр, который после обработки сигнала выдавал средние за величин времени измерения значения ударных ускорений и скоростей. Сигналы, поступающие от датчика вибраций после их обработки на виброметре записывались на самописец и анализатор спектра Таким образом, была сделана первая попытка измерения реальной
величины ударного импульса в помольной камере мельницы. Однако в силу вышеперечисленных причин точность эксперимента не удовлетворяла задачам, решаемым на современном этапе развития техники.
В связи с этим необходимо было решить следующую задачу, а именно разработать устройство для бесконтактной передачи информации (изме-рен-ного сигнала) от шарика на приемное устройство. На основе анализа существующих способов передачи информации было решено использо-
вать энергию радиоволн для передачи сигнала. Эта идея воплотилась в пьезоэлектрическом вибропреобразователе, показанном на рис. 1.
Корпусом для него служит стандартное мелющее тело - шар, внутри которого размещены элементы устройства [21]. Пьезоэлектрический вибропреобразователь состоит из корпуса 1, выполненного в виде полого шара, с крышкой 2, соединенной с корпусом посредством резьбы. Внутри корпуса расположен пьезоэлемент 3, выполненный в виде кварцевой пластины, установленной на двух электродах 4 и помещенной в кожух
5. Электроды соединены с усилителем
6, выполненными в виде микросхемы, который соединен с дополнительным усилителем 7. Все приборы размещены на плате 8. На внешней поверхности корпуса выполнена кольцевая канавка 9, в которую уложена антенна 10, исходный конец которой проходит через отверстие 11 в корпусе 1 и со-
теля, колебания пьезоэлемента 3 происходит с собственной частотой колебаний кварцевой пластины, которые усиливаются дополнительным усилителем 7 и поступают при помощи антенны в эфир. На торце помольной камеры закреплена приемная антенна, которая связана с селективным микровольтметром SMV-11А, в котором происходит обработка сигнала, поступающего с приемной антенны. Для регистрации сигнала микровольтметр связан с запоминающим ос-
графа при этом возникает сигнал, показанный на рис. 3. Ширина сигнала пропорциональна ускорению камеры, т.к. устройство неподвижно закреплено по помольной камере, то, зная амплитуду и частоту колебаний камеры, можно отта-рировать прибор, присвоив ширине сигнала, зафиксированного осциллографом, численное значение виброускорения камеры. Затем, поместив пьезоэлектрический вибропреобразователь в помольную камеру, получаем на экране осцил-
Рис. 1 Пьезоэлектрический вибропреобразователь
Рис. 2 Осциллограмма сигнала кварцевого резонатора, находящегося в статическом положении
Рис. 3 Осциллограмма ускорения помольной камеры
Рис. 4 Осциллограмма ускорения мелющего тела
единен с дополнительным усилителем
7. Питание устройства осуществляется автономно от элементов питания 12 типа СЦ-32, размещенных в полостях крышки и корпуса. Усилитель 6 выполнен в виде микросхемы типа К2ЖА242 с кварцевым резонатором, а выходной усилитель 7 представляет собой последовательно соединенную цепь из резистора типа С2-23, транзистора типа 2Т312Б и конденсатора типа КМ-5б.
Пьезоэлектрический вибропреобразователь работает следующим образом. Вначале подключают источник питания к усилителям 6 и 7, завинчивают крышку 2 и корпус 1 помещают в помольную камеру. При статическом положении помольной камеры, а, значит, и корпуса вибропреобразова-
циллографом С8-1. При статическом положении вибропреобразователя на экране осциллографа высвечивается изображение импульса, ширина которого пропорциональна интенсивности сигнала, создаваемого собственной частотой колебаний кварцевой пластины (рис. 2). При неподвижности креплений вибропреобразователя к помольной камере и включении мельницы под действием внешних нагрузок корпус устройства испытывает импульсное нагружение, в результате чего происходит наложение внешней (вынужденной) частоты колебаний корпуса на собственную частоту колебаний пьезоэлемента. Это изменение частоты усиливается дополнительным усилителем 7 и через антенну 10 передается в эфир. На экране осцилло-
лографа сигнал, ширина которого пропорциональна интенсивности воздействия шаров на вибропреобразователь (рис. 4). Отношение величин ширины сигналов определяет коэффициент изменения ускорения. Умножив величину ускорения камеры на этот коэффициент, получим истинное значение ускорения шара в любой точке шаровой загрузки.
В результате проведенных работ по исследованию и созданию пьезоэлектрического вибропреобразователя удалось значительно улучшить «чистоту» эксперимента и получить ряд выводов, которые в дальнейшем были использованы при проектировании машин для тонкого измельчения [20].
1. Еврейский А.В., Исаков В.С. Об эволюционном развитии средств измельчения. // Новочерк. техн. ун-т. - Новочеркасск, 1997. -6 с.: ил.-3 назв. - Деп. в ВИНИТИ 27.01.97. - № 232-13-97.
2. Gull G., Dombrowe H. 100 Jahre Kugelmuhle. 28. Diskussionstagung "Zerkleinern und Klassiren" // Aufbereit.-Techn. - 1991. - 32, № 12. - S. 707-710.
3. Fontanille D. Le brgyage du charbon. // Mines et carrieres. Suppl.: Techn. - 1990. - 72. № 14. - Pp. 23-26.
4. Черный Л.М. О механике мелющих тел в помольных барабанах вибромельниц. / Вибрационные эффекты в горных машинах и технологии. // АН УССР. Институт геотехнической механики. - Киев, 1992. - с. 29-36.
5. Франчук В.П. Основы динамического расчета дробильно-измель-чительных и классифицирующих вибрационных машин. Известия Днепропетровского горного института. - М.: Недра, 1990. -с. 156-163.
6. Schmidt P., Kurber R. Planetenmuhlen. // Aufbereitungs - Technik. - 1991. - 32. № 12. - S. 659-662, 664-669.
7. Jackel H.-G. Die Effektivitut der Beanspruchung im Mahlraum von Trommelmuhlen. // Aufbereitungs - Technik. - 1992. - 33. № 10. -S. 572-579.
8. Доброборский Г.А., Лянсберг ЛМ., Рабин А.Н. Определение основных режимов движения загрузки в барабанах многобарабанной планетарно-центробежной мельницы с вертикальными осями. // Изв. вузов. Горный журнал. 1993. - № 1. - с. 85-89.
9. Андреев С.Е., Перов В.А., Зверевич В.В. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. - М.: Недра, 1980. - с. 7478.
10. Бушуев Л.П. Многорежимная планетарная мельница. // Изв. вузов. Горный журнал. - 1965. - № 10. с. 148-154.
11. Глемб И.Л. Исследование эпициклических мельниц с целью установления оптимальных параметров измельчения горных пород.: Дис. ... канд. техн. наук. - М., 1975.
12. Жирнов Е.Н. Современные измельчающие аппараты, основанные на принципе планетарного движения. // Физико-химические иссле-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
дования механически активированных минеральных веществ. - Новосибирск, 1975. - с. 54.
13. Jeng J.-J., Gock E. Dimensionerung von Rohrschwingmuhlen mit Hilfe eines maschinen - dynamischen simulations modells. // Aufbe-reitungs - Technik. 1992. - 33. № 7. - S. 361-366, 368-373.
14. Pu Huiping // Цзиньшу Куаншань - Met. Min. 1991. - 20. № 8.
- с. 37-42.
15. Марюта А.Н., Ступак И.И. Внутренняя механика барабанных рудоразмольных мельниц. // Изв. вузов. Горный журнал, 1995. -№ 2. - с. 125-130.
16. Марюта А.Н. Практические расчеты по внутренней механике барабанных рудоразмольных мельниц. // Изв. вузов. Цветная металлургия, 1989. - № 3. - с. 17-26.
17. Марюта А.Н., Цыбулько И.В. Синхронизация фрикционных колебаний возбуждаемых параметрически, в узлах барабанных рудоразмольных мельниц. // Изв. вузов. Горный журнал, 1989. - № 5. -с. 98-107.
18. Марюта А.Н. Теория моделирования колебаний рабочих органов механизмов и ее приложения. - Днепропетровск.: Изд-во ДГУ, 1991. - 146 с.
19. Кочнев В.Г., Симанкин С.А. Планетарные мельницы для тонкого и сверхтонкого помола. // Изв. вузов. Горный журнал, 1997.
- № 3. - с. 47-48.
20. Дмитрак Ю.В. Обоснование параметров вибрационной мельницы для измельчения карбонатных пород с учетом динамики мелющих тел /Диссертация к.т.н. - М., МГИ,1991г. 166 с.
21. Дмитрак Ю.В. Исследование динамики мелющих тел для определения оптимальных режимов работы вибрационной мельницы. //Тез. доклада на 4-ой Всесоюзной конференции молодых ученых. - Свердловск, 1982г.
22. Дмитрак Ю.В. К вопросу об экспериментальном подтверждении теории разрушения материалов в вибрационной мельнице //Исследования физических процессов горного производства, сб. -М., 1989г. С. 54-56
У /
ІІ іі іі іі іі іі іі іі іі Дмитрак Юрий Витальевич — доцент, кандидат технических наук, кафедра «Теоретическая и прикладная механика», Московский государственный горный университет. у Вержанский Александр Петрович - доцент, кандидат технических наук, кафедра ■ «Теоретическая и прикладная механика», Московский государственный горный университет
