CC BY
18Тел.: 8-905-670-16-44, (4722) 52-66-34 Солодовников Д.Н. ст. преп.
Ханин С.И., канд. техн. наук, доц., Воронов В.П., канд. физ.-мат.. наук, проф., Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА
В ТРУБНОЙ МЕЛЬНИЦЕ
Обоснована целесообразность совершенствования внутримельничных устройств трубной мельницы (ТМ). Разработана конструкция внутримельничного классифицирующего устройства (ВКУ), позволяющего повысить производительность ТМ на 8-10% и снизить удельный расход электроэнергии на 12-14%%. Предложена методика расчета, позволяющая с достаточной точностью определить производительность ВКУ.
Измельчение материалов является одним из энергоемких процессов при производстве цемента, на его долю приходится до 60% всех энергозатрат. Отечественный парк машин, осуществляющий тонкий помол материалов цементного производства, представлен преимущественно трубными мельницами (ТМ). Эти помольные агрегаты позволяют измельчать материалы с различными свойствами, обеспечивают необходимое распределение крупности частиц в готовом продукте, высокопроизводительны, просты в обслуживании и эксплуатации. Производительность отечественных ТМ при измельчении цементного клинкера достигает 100 т\ч и более с соблюдением требований технологического регламента к качеству помола цемента.
Одним из основных недостатков ТМ является повышенный удельный расход электроэнергии, который прежде всего обусловлен нерациональной организацией процесса измельчения материала в помольном агрегате [1]. В зависимости от свойств измельчаемого клинкера, мар-
ки производимого цемента удельный расход электроэнергии составляет 30-70 кВт-ч\т.
В первую камеру (грубого помола) ТМ поступает клинкер, размеры частиц которого могут превышать (40-45)х 10-3 м, поэтому в ней находится крупношаровая мелющая загрузка диаметром от 50х 10-3 м до 100х 10-3 м. Из приведенных в таблице 1 данных видно, что начиная с первых метров камеры грубого помола в измельчаемом клинкере образуется большое содержание мелкофракционного материала. Так, на расстоянии 1,25 м от загрузочного днища более 87 % клинкерных частиц имеют размер, меньший 5х10-3 м, в конце камеры, на расстоянии 5,25 м, их количество приближается к 100%. Количество кондиционных частиц (размер менее 8х 10-5м) соответственно составляет 14,7% и 45,5%.
В мельнице мелющие тела комплексно воздействуют на частицы материала. Основными видами их разрушения являются раздавливание, удар и истирание. Разрушение частиц ударным воздействием наиболее эф-
Таблица 1
Распределение частиц клинкера ио крупности в камере грубого помола ТМ 3,2х15 м ОАО «Катавский цемент»
Расстояние от загрузочного днища, м Полные остатки на сите № Rx,%
40 20 10 5 2,5 1,25 0,63 0,2 0,08
0,25 - 3,06 11,66 24,52 43,25 51,61 80,18 87,02 92,1
1,25 - 2,6 7,59 12,79 24,25 30,51 64,51 74,98 85,3
2,25 - - 1,33 2,46 5,92 10,92 46,25 59,69 74,5
3,25 - - 0,80 1,33 2,39 4,72 38,72 54,04 69,6
4,25 - - 0,69 0,96 1,59 2,12 30,92 49,91 67,2
5,25 - - 0,66 0,79 0,82 0,88 17,88 37,17 56,5
Исходный клинкер 5,25 13,0 37,0 65,56 85,25 89,81 93,0 94,56 98,0
фективно при их крупности, превышающей (3... 5)-10"3м. Использование в первой камере крупношарового ассортимента мелющих тел целесообразно в связи с необходимостью ударного разрушения крупных частиц материала. Наличие большого количества мелкой фракции материала демпфирует воздействие мелющих тел на крупные частицы, тем самым снижая эффективность процесса измельчения, поэтому мелкие частицы материала, находящиеся в процессе измельчения в камере грубого помола, целесообразно из нее удалять, по мере их образования, и направлять во вторую камеру на до-измельчение ассортиментом мелющих тел, соответствующим их крупности. Для повышения эффективности процесса измельчения материала разработана конструкция ТМ с внутримельничным классифицирующим устройством (ВКУ), которая позволяет совместить в первой камере процессы грубого помола материала и выделения из него частиц определенной крупности [2]. Внутримельничное классифицирующее устройство выполнено в виде цилиндрической футерованной перфорированной обечайки, расположенной в первой камере коаксиально корпусу мельницы (рис. 1). Между корпусом и перфорированной обечайкой расположена кольцевая камера с неподвижно закрепленным в ней винтовым конвейером. Кольцевая камера сообщается с элеваторной перегородкой, разделяющей первую и вторую камеры мельницы.
-■—'
1/ Я~1Г~
1111111(1111111111Б
: В | I
■¡ОТ ■ 1 " "¡П'
и ■ ■ ■■ ¡4 - II
II И II
и® ■ ■ ■ :
■ :
---—т!1——■-
7 3 4 52
Рис.1. Схема трубной мельницы с внутримельничным классифицирующим устройством.
1 - футерованная перфорированная обечайка, 2 - камера домола, 3 - кольцевая камера, 4 - винтовой конвейер, 5 - элеваторная перегородка, 6 - корпус мельницы
При попадании исходного материала в футерованную перфорированную обечайку происходит его измельчение крупношаровой загрузкой. Образующиеся в процессе измельчения мелкие частицы через отверстия в перфорированной обечайке поступают в кольцевую камеру и транспортируются расположенным в ней винтовым конвейером в элеваторную перегородку. Часть мелкофракционного материала поступает в элеваторную перегородку из камеры грубого помола через отверстия в ее кольцевом диске. Поступивший в элеваторную перегородку мелкофракционный материал направляется в следующую камеру на доизмельчение.
Своевременное удаление из футерованной перфо-
рированной обечайки мелкофракционного материала (по мере его образования) позволяет повысить эффективность процесса его измельчения.
Частицы материала, поступающие на классифицирующую поверхность ВКУ (например выполненную из колосников) условно разделим на «мелкие», которые свободно просыпаются в межколосниковое пространство и «крупные», размеры которых превышают ширину классифицирующих отверстий и которые разрушаются мелющими телами при их «забивании» в межколосниковое пространство.
В общем случае расход материала будет равен:
О = + в2 + О3, (1)
где - расход материала, который свободно просыпается, в2 - расход материала за счет ударного воздействия мелющих тел на частицы, находящиеся в межколосниковом пространстве (продавливание), - расход материала, измельчаемого мелющей средой.
Для каждого из случаев:
О = ум V, (2)
где у. - объемная плотность измельчаемого материала, у - соответствующие объемы материала для каждого из рассмотренных случаев.
Количество свободно просыпающегося материала:
VI = ^ , (3)
где % - относительное содержание мелких частиц в исходном материале; V- объем подаваемого на измельчение материала.
При определении объема материала, разрушаемого в результате продавливания мелющими телами предположим, что его частицы равномерно распределены в нижней части поверхности межколосникового пространства и заполняют весь его объем. Падающие с высокой скоростью и обладающие большой кинетической энергией мелющие тела вбивают «крупные» и проталкивают «мелкие» частицы материала в межколосниковое пространство. Согласно рис. 2. объем материала, вытесняемый мелющими телами через одно межколосниковое пространство равен:
У2 = уп ] , (4)
где У2 = ] - объем, занимаемый сектором одного шара в межколосниковом пространстве, j - количество мелющих тел, располагающихся по длине L межколосникового пространства.
{} (5)
^ ср
Объем материала, вытесняемый одним шаром:
о V
2л а /2
= | 8шё9 | г2 dф . (7)
0 0 0
Рис 2. Расчетная схема к определению вытесняемого объема материала
Выполнив интегрирование и упростив промежуточные выражения окончательно находим:
V,,, = Л3
Г d
Л*. -1 2h 3
Л
(7)
где б ср - средний диаметр мелющих тел, h - глубина внедрения шара, г - радиус элемента колосниковой решетки, ф - угол поворота барабана мельницы в единицу времени, 6, а - геометрические параметры устройства.
Средневзвешенный диаметр мелющих тел, загруженных в камеру мельницы, находится согласно известной методики [3]:
б ср =
ё1ш1 + ё2ш2 +... +
п
Еш,
(8)
где ё1 ,ё2 ...б ¡ - диаметр шаров, составляющих загрузку, ш1 ,ш2. ..ш; - масса шаров соответствующего диаметра,
Еш,
суммарная масса мелющих тел.
Высоту слоя материала, продавливаемую одним шаром, найдем согласно расчетной схеме (рис. 2):
ё ср
Ь = г + — - Н . (9)
Откуда, после преобразований:
Ь =
2Г + 6ср ср - а)(^Г + ёср + а) ,
2
где а - размер щели между элементами классифицирующей решетки.
Подставляя (5), (7) в (4), с учетом вращения барабана мельницы, окончательное выражение для определения объема материала, вытесняемого мелющими телами вдоль одного межколосникового пространства можно привести к виду:
V = Л3
(11)
где ю - угловая скорость вращения барабана мельницы.
Расход материала, измельчаемого мелющей средой определяем по общеизвестной формуле расчета производительности [4] с учетом длины ВКУ и размера частиц измельчаемого материала:
03 = V • 6.45
• д • к
уд ,
(12)
где D - диаметр камеры в свету, м; G - масса мелющих тел, т; V - полезный объем камеры ВКУ, м3; g - поправочный коэффициент на тонкость помола; куд - удельная производительность, т\кВт-ч.
С целью проверки адекватности полученных выражений для определения производительности ВКУ были проведены экспериментальные исследования работы трубной мельницы Бх Ь = 1х 0.6 м. В результате обработки экспериментальных данных было получено уравнение регрессии, адекватно описывающее производительность внутримельничного классифицирующего устройства, в зависимости от варьируемых факторов, которыми являются: ширина межколосникового пространства - а (х1), длина ВКУ - L (х2), коэффициент загрузки мелющих тел - ф (х^) и относительная частота вращения барабана мельницы - ф (х4):
0 = 0,1458 + 0,030ц + 0,0167 х2 + 0,0136 х3 + +0,0096х4 + 0,0087х? - 0,005x2 - 0,0034х32 --0,0042х42 + 0,0013х1 х2 + 0,0002х1х3 + 0,0017 х1х4 + +0,0016 х2 х3 + 0,0011х2 х4 + 0,0026х3 х4.
(12)
На основании теоретических и экспериментальных исследований были построены графические зависимости, представленные на рис. 3. При сравнении теоретических и экспериментальных результатов разница в значениях составляет не более 14%, что позволяет сделать вывод об адекватности полученных математических выражений.
Анализ полученных графических зависимостей показывает, что увеличение любого из варьируемых параметров в рассматриваемом диапазоне приводит к росту производительности внутримельничного классифицирующего устройства. Наибольшее влияние при этом оказывает ширина щели классифицирующей поверхности. Так при L = 0,267 м, ф = 0,28, ф = 0,76 и увеличении а с 2,6 до 5,4 мм производительность увеличивается на 64% с Q1 = 0,13 кг\с до Q2 = 0,185 кг\с. Несколько меньшее влияние на увеличение производительности оказывают такие факторы как: длина ВКУ L, коэффициент загрузки мелюших тел ф и относительная частота вращения барабана мельницы ф. Изменение указанных параметров приводит к изменению производительности на 25%-45%.
Использование полученных математических выражений позволяет с учетом требуемой производительности мельницы по готовому продукту и рекомендаций по крупности частиц материала, подаваемого во вторую камеру мельницы, рассчитать конструктивные параметры внут-римельничного классифицирующего устройства. Экспе-
а)
б)
0.075
0.219
0.233
0.267
0.301
0.315
■iy=0:65 расч.
"141=0,65 ЗЕ.СП.
:i}f=0:76 расч. ■iji=0:76 эксп. -Ж~Ч»=0=87 р1СЧ • \j/= 1J=S 7 эксп
L.M
0.075
• а=2,б ■ 10"3м р асч.
■ а=2:б-10"3м эксп.
А а=4-1расч.
)< а=4-10~3м эксп.
Ж а=5:4-10~3мрасч.
V а=5.4 ■ 10~3м эксп.
0.219
0.233
0.267
0.301
0.315
L.M
Рис. 3. а) Зависимость Q от L при а = 4 мм; ф = 0,28, б) Зависимость Q от L при ф = 0,28; у = 0,76.
риментальные исследования, проведенные на трубной мельнице D х L = 0,5 х 1,5 м непрерывного действия при измельчении цементного клинкера в открытом цикле показали эффективность применения внутримельничного классифицирующего устройства. При этом производительность ТМ увеличивается на 8-10%, удельный расход электроэнергии снижается на 12-14%.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пироцкий В. З. Современные системы измельчения для портландцементного клинкера и добавок. Схемы. Эффективность. Оптимизация / В. З. Пироцкий. - Спб.: Изд-во центра профессионального обновления «Информатизация образования», 1999. - 71 с.
2. Пат. 2236298 Российская Федерация, МПК ? В 02 С 17/06. Трубная мельница/ Ханин С.И., Кайдаш В.В., Чалов А.В., Солодовников Д.Н., Ханина О.С.; заявитель и патентообладатель Белгородская гос. акад. строит. материалов. - №
2003113249/03 ; заявл. 05.05. 03 ; опубл. 20.09.04, Бюл. № 26 (III ч.). - 3 с.
3. Дешко Ю. И. Измельчение материалов в цементной промышленности / Ю. И. Дешко, Г. С. Крыхтин, М. Б. Крей-мер. - М. : Стройиздат, 1964. - 277 с.
4. Банит Ф. Г. Механическое оборудование цементных заводов / Ф. Г. Банит, О. А. Несвижский. - М. : Машиностроение, 1980. - 399 с.
