CC BY
11диапазоном их физико-химических свойств: мягких, твердых, средней твердости, термопластичных, пластичных губчатой структуры, кристаллических, аморфных и др.
Горлов А. С., канд. техн. наук, доц., Булгаков С. Б., канд. техн. наук, доц., Губарев А. В., доц., Рябцева С. В., ст. преп.
Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
УСЛОВИЯ ИЗНОСА РАБОЧЕЙ КАМЕРЫ ВИХРЕ-АКУСТИЧЕСКОГО
ДИСПЕРГАТОРА
artwo0248@mail.ru
Исследован процесс износа рабочей поверхности камеры измельчения в вихре-акустических дис-пергаторах для получения высокодисперсных материалов. Для исследования движения частиц измельчаемого материала применялось имитационное моделирование. Выбор материала, из которого изготовляется или футеруется помольная камера, во многом определяется твердостью измельчаемого продукта.
Ключевые слова: тонкое измельчение, вихре-акустический диспергатор, износ поверхности рабочей камеры, имитационное моделирование.
В связи с развитием новых технологий, значительно повысился интерес к проблеме тонкого измельчения. Высокодисперсные материалы используются в строительной, химической, фармацевтической, косметической и других отраслях промышленности. Для получения высокодисперсных материалов используют малотоннажные технологические комплексы, к которым предъявляются высокие требования. Они должны обеспечить высокую эффективность, компактность, незначительный удельный расход энергии, гарантированное качество продукции и
др. [1].
Более перспективным направлением представляется использование для получения высокодисперсных материалов вихревых мельниц, в которых измельчение исходного материала стимулируется путем создания зон звуковых и ультразвуковых колебаний, направленных поперечно к вращающемуся газодисперсному потоку [2].
В вихре-акустическом диспергаторе (WAD), схема которого приведена на рис. 1, создается комплекс возмущающих воздействий на поле течения, приводящих к возникновению и накоплению в частицах внутренних напряжений и дефектов структуры. На твердой границе области измельчения частицы подвергают квазистатическому (безударному) двухосному периодическому нагружению и разгружению в условиях высокочастотных вихревых, пульсацион-ных и акустических возмущений. Вследствие этого происходит саморазрушение частиц или облегчается их разрушение при взаимных столкновениях и контактах с рабочими поверхностями камер [3, 4].
Принцип разрушения, положенный в основу работы WAD, а также малая степень агрегации частиц в газовом потоке обеспечивают тонкодисперсный помол материалов с широким
1 И
У
Рис. 1. Вихре-акустический диспергатор: 1 - основная камера измельчения, 2 - загрузочное устройство, 3 - блок сепарации, 4 - камера домола, 5 - устройство пылеподавления, 6 - патрубок выгрузки готового продукта, 7 - цилиндрические резонаторы
Эксплуатационные характеристики измельчителя, а также качество продукции во многом зависят от характера и величины износа рабочей камеры агрегата, изучение которого представляет научный и практический интерес.
Износ рабочей поверхности камеры измельчения в вихре-акустических диспергаторах связан с удельной энергонапряженностью измельчителя и зависит от физико-механических свойств измельчаемых материалов. Выбор материала, из которого изготовляется или футеруется помольная камера, во многом определяется твердостью измельчаемого продукта [5].
При измельчении высокопрочных абразивных материалов в вихре-акустическом дисперга-
торе происходит неравномерный износ участков боковой поверхности камеры измельчения, обусловленный ударным воздействием зерен материала на стенку камеры измельчения. Это свидетельствует о том, что на указанных участках происходит динамическое воздействие абразива на поверхность камеры.
Характер износа зависит от аэродинамических характеристик двухфазного потока в камере измельчения. Максимальную скорость частицы материала приобретают, попав во входную струю энергоносителя камеры основного измельчения. Скорость входящего газового потока при различных режимах работы измельчителя достигает 300-350 м/с. Вследствие краевых эффектов максимальную скорость будут приобретать частицы материала, находящиеся на оси струи, которая лежит в горизонтальной плоско-
сти, проходящей через половину высоты камеры измельчения.
При последующем микроударном воздействии абразивных зерен измельчаемого материала на боковую поверхность камеры измельчения наблюдается явление перенаклепа, возникающее при отсутствии способности к упрочнению кристаллической решетки металла. При этом происходит разрыхление металла, появляются трещины, отслаивания и т. д. Перенаклеп -явление необратимое, поэтому его необходимо избегать, так как ухудшаются аэродинамические характеристики вихре-акустического дисперга-тора.
Поверхность камеры со стороны абразивных частиц измельченного материала подвергается воздействию нормальной сжимающей силы Ж0, силы трения Е и касательной силы N (рис.
2.)
Рис. 2. Схема воздействия частиц Между силами Ж0, N и силой, действующей на поверхность частицы при столкновении со стенкой камеры, существуют следующие зависимости:
Ыа = N г^х; Жа = /Ыпа; Nz = Реова, (1)
где Р - сила, действующая на поверхность частицы при столкновении со стенкой камеры.
Значение силы Р можно определить по формуле
2
на поверхность камеры измельчения
ние напряжения, возникающего на поверхности частицы
ти2
^ = , • (3)
Р =
ти
2Ы '
(2)
где т - масса частицы, кг; и - скорость частицы в момент удара, м/с; Д/ - величина деформации частицы, м.
Силы Ж0, и Е вызывают пластическую деформацию в поверхностном слое рабочего кольца камеры измельчения. Учитывая, что размеры площадки, по которой происходит деформация, пропорциональны величине частицы или квадрату линейного размера /2, получим значе-
2/ 2 А/
Значение
зависит от физико-
механических свойств материала камеры измельчения (модуля упругости Ек). Известно [5], что напряжение в точке удара частицы о стенку камеры измельчения равно
а2 = рс0и-е т , (4)
где р - плотность частицы, кг/м3; с0 - скорость
звука в материале, м/с; А - площадь поперечно-
2
го сечения частицы, м •
Следовательно, волна напряжения, распространяющаяся по материалу камеры в объеме, прилегающем к точке удара, характеризуется наличием скачка рис0, убывающего по экспоненте. При достаточно высоких значениях модуля упругости Ек максимальное значение ударных напряжений приходится на поверхностный
слой, вероятность разрушения которого будет наибольшей.
Следует обратить внимание на явно выраженную зависимость износа от формы частиц. Силовое воздействие частиц материала на поверхностный слой металла зависит от контактирующего профиля грани. Контакт абразивных частиц с профилем поверхности камеры измельчения может быть самым разнообразным. Не все частицы в одинаковой степени выполняют работу резания. Часть частиц, врезаясь в металл, а
снимает стружку, другая часть частиц, имеющая глубину врезания меньшую, чем радиус скруг-ления режущей кромки, "скоблит" поверхность без снятия стружки, а третья часть частиц давит на металлическую поверхность и деформирует поверхность металла. При измельчении железорудного концентрата в вихре-акустическом диспергаторе происходит неравномерный износ участков боковой поверхности камеры измельчения (рис. 3).
б
Рис. 3. Характер износа поверхностей камеры измельчения при четырех резонаторах:
а - крышки; б - рабочего кольца
Верхняя крышка камеры измельчения изнашивается по периферии в зоне вращения материала (рис. 3, а). В области входной струи газа наблюдается характерная продольная раковина (рис. 3, б), образующаяся вследствие того, что на этом участке происходит сильное воздействие измельчаемых частиц на поверхность камеры.
Для исследования и изучения износа поверхностей камеры измельчения вихре-акустического диспергатора использовалось имитационное моделирование движения частиц в ней. Имитационное моделирование движения частиц измельчаемого материала позволяет получать значения скоростей движения этих частиц при различных конструкторско-технологических параметрах камеры измельчения таких, как геометрические размеры камеры измельчения и входные параметры энергоносителя (воздуха). Эти расчеты позволяют определить энергонапряженные участки камеры измельчения, которые подвергаются износу.
Результат имитационного моделирования движения частиц в камере измельчения представлен на рис. 4.
1 322.887 258.309 193.732 129.155 64.5773
Рис. 4. Результат имитационного моделирования движения частиц в камере измельчения
Характер и величина износа определяются аэродинамическими режимами работы диспер-гатора, а также физико-механическими свойствами железо-оксидного порошка (см. табл.1).
Физико-механические характеристики железо-оксидного порошка
Таблица 1
Свойства Показатели (среднее значение)
1. Объемная масса, кг/м3 3430-3730
2. Плотность, кг/м3 3480-3750
3. Пористость, % 0,25-0,75
4. Водопоглощение, % 0,08-0,45
5. Удельная поверхность, м2/кг 520
6. Твердость по шкале Мооса 7-8
7. Истираемость, г/см3 0,08-0,19
При измельчении высокоабразивных материалов появляется необходимость футеровки рабочих участков поверхности камеры измельчения WAD более износостойкими материалами, например, керамическими элементами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Акунов В.И. Струйные мельницы. М.: Машиностроение, 1967. 264 с.
2. Пат. 2250138 Российская Федерация, МПК7 B 02 C 19/06. Вихре-акустический дис-пергатор / Гридчин А.М., Севостьянов В.С., Лесовик В.С., Горлов А.С., Перелыгин Д.Н., Федо-ренко Б.З.; заявитель и патентообладатель Бел-гор. гос. технол. ун-т. - № 2003123664/03; заявл. 25.07.2003; опубл. 20.04.2005, Бюл. № 11.
3. Вихре-акустические диспергаторы для малотоннажных технологий / В. С. Севостьянов, Д.Н. Перелыгин, А.С. Горлов, О.Б. Вольхин // Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века: сб. докл. II Меж-дунар. науч.-практ. конф., Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1999. С. 265-269.
4. Горлов А.С., Перелыгин Д.Н. Аэродинамические взаимодействия в плоской помольной камере // Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века: сб. докл. II Междунар. науч.-практ. конф., Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1999. С. 35-37.
5. Койфман М.И. Прочность минеральных частиц высокой стойкости / Доклады АН СССР, Т.29, №3, С. 477.
