автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Дезинтегратор с внутренним рециклом измельчаемых материалов

На правах

Качаев Александр Евгеньевич

ДЕЗИНТЕГРАТОР С ВНУТРЕННИМ РЕЦИКЛОМ ИЗМЕЛЬЧАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 МАР 2013

005051122

Белгород - 2013

005051122

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Севостьянов Владимир Семёнович.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Сиваченко Леонид Александрович -доктор технических наук, профессор, «Белорусско-российский университет», профессор кафедры «Строительные, дорожные, подъемно-транспортные машины и оборудование».

Воробьёв Николай Дмитриевич кандидат технических наук, доцент, «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», профессор кафедры «Теоретическая механика».

ФГБОУ ВПО «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс», г. Орёл.

Защита диссертации состоится «19» марта 2013 г. в 1022 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (308012, Россия, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242).

С диссертационной работой можно ознакомиться в научной библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Автореферат диссертации разослан «15» февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Уваров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Порошкообразные материалы широко используются при производстве различных строительных материалов и имеют разнообразную область применения. Полидисперсные материалы используются при выпуске порошковых красок и лакокрасочных покрытий, применяющихся в производстве керамики, стекла, отделочных материалов; микронаполнителей различных полимерных материалов, а также в огнеупорной, электротехнической, металлургической и других отраслях промышленности.

Проведенный анализ современных технологий и технических средств для производства высокодисперсных материалов различного назначения и изделий на их основе показал, что для осуществления наукоемких технологических процессов с использованием высокодисперсных материалов необходимо применение эффективного помольного оборудования комбинированного воздействия. При этом большими потенциальными возможностями обладают измельчители дезинтеграторного типа с реализацией внутренней классификации измельчаемых материалов.

Проблемам совершенствования техники и технологии ударного измельчения, разработке методик расчета конструктивно-технологических и энергосиловых параметров конструкций дезинтеграторных мельниц посвящены работы известных ученых: И.Р. Клейса, И. А. Хинта, A.A. Богородского, В.Н. Блиничева, И.А. Массалимова, В.Б. Лапшина, И.А. Семикопенко и др.

В связи с этим одним из направлений повышения эффективности процесса измельчения является разработка дезинтегратора со спиралевидным расположением рабочих элементов и возможностью внутреннего рецикла измельчаемых материалов для получения высокодисперсных материалов.

Оборудование такого типа широко востребовано в различных наукоемких технологиях для производства высокодисперсных материалов и изделий на их основе. Поэтому решение вышеуказанной научно-технической задачи является весьма актуальным.

Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предпринимательства в научно-технической сфере в рамках программы «У.М.Н.И.К.» по теме «Разработка дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов и торообразной камерой гомогенизации» (2011-2013 г.г).

Рабочая гипотеза - повышение эффективности процесса измельчения в дезинтеграторе достигается за счёт циклического изменения характера ударно-истирающего воздействия на измельчаемый материал при варьирования рабочего объема, ограниченного спиралевидно расположенными рабочими элементами; при увеличении количества соударений частиц и организации их классификации с помощью внутреннего рецикла воздушно-материальных потоков.

Цель работы - разработка и создание опытно-промышленного образца дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов, методик расчета его конструктивно-технологических и энергосиловых параметров.

Задачи исследований:

1. Провести анализ современного уровня развития технологий и помольного оборудования при производстве строительных материалов и изделий различного назначения. Проанализировать проблемные задачи в технологических процессах получения высокодисперсных порошков, а также перспективы развития помольного оборудования дезинтеграторно-го типа, возможные пути его совершенствования и расширения функциональных возможностей.

2. Разработать математические модели, описывающие движение воздушно-материального потока в помольной камере со спиралевидным расположением рабочих элементов и классификаторе дезинтегратора.

3. Разработать методику расчета конструктивно-технологических и энергосиловых характеристик агрегата с учетом различных режимов его работы.

4. Разработать патентно-защищенную конструкцию дезинтегратора с внутренним рециклом воздушно-материальных потоков, обеспечивающую возможность внутренней классификации измельчаемых материалов, а также обладающую дополнительными технологическими возможностями.

5. Провести комплекс экспериментальных исследований по изучению условий измельчения материалов с различными физико-механическими характеристиками в дезинтеграторе разработанной конструкции при различных режимах его работы; выявить факторы, влияющие на эффективность процесса измельчения и установить рациональные режимы работы агрегата.

6. Разработать эффективные технические решения по повышению эксплуатационной надежности и долговечности дезинтегратора разработанной конструкции.

7. Провести опытно-промышленные испытания дезинтегратора в технологической линии по производству огнезащитных красок и покрытий, установить технико-экономическую эффективность агрегата.

Научная новизна - представлена разработанными математическими моделями, описывающими движение воздушно-материальных потоков в помольной камере и классификаторе; методиками расчета основных конструктивно-технологических и энергосиловых параметров дезинтегратора разработанной конструкции; полученными математическими моделями в виде уравнений регрессии, адекватно отражающих процесс измельчения материала, и позволяющих установить рациональные режимы работы агрегата.

Автор защищает:

1. Аналитические выражения, описывающие движение воздушно-материального потока в помольной камере дезинтегратора разработанной конструкции.

2. Уравнения, описывающие движение частиц измельчаемого материала воздушного потока в классификаторе дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов.

3. Методику расчета конструктивно-технологических и энергосиловых параметров дезинтегратора разработанной конструкции, а также технические решения по повышению эксплуатационной надежности работы агрегата.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса измельчения материалов при различных режимах работы агрегата.

5. Патентно-защищенную конструкцию дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов, обеспечивающую снижение энергетических затрат на измельчение материалов с различными физико-механическими характеристиками и получение сепарированных высокодисперсных материалов.

6. Результаты регрессионного анализа процесса измельчения в дезинтеграторе с внутренним рециклом измельчаемых материалов при различных режимах его работы.

7. Результаты опытно-промышленных испытаний дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов в технологической линии по производству огнезащитных красок и покрытий.

Практическая ценность работы заключается в разработке патентно-защищенной конструкции дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов (патент РФ на изобретение № 2377070); методики расчета конструктивно-технологических и энергосиловых параметров дезинтегратора, а также выработке рекомендаций по обеспечению рациональных технологических режимов его работы.

Выполненные научно-технические разработки и их аппаратурное исполнение могут быть использованы в строительной, химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Внедрение результатои работы. С использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований был изготовлен и испытан дезинтегратор с внутренним рециклом измельчаемых материалов, проведена его опытно-промышленная апробация в технологической линии по производству огнезащитных материалов. Экономический эффект от использования разработок составил 300,2 тыс. руб. (ООО «Партнер», г. Воскресенск, Московская область).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на 66-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве

и архитектуре. Образование. Наука. Практика», г. Самара, 2009 г.; III, IV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы развития механики и совершенствования оборудования», г. Губкин, 2010, 2011г.г.; Международной научно-практической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ - 2010», г. Белгород, 2010 г.; VII Международной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов», г. Харьков, 2010 г.; IX Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза, 2011 г.; Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии», г. Белгород, 2011 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на изобретение № 2377070.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по результатам работы, списка литературы и приложений. Общий объем работы 210 страниц, в том числе: 49 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 179 наименований и 5 приложений на 36 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, указана рабочая гипотеза, научная новизна, практическая значимость и изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена комплексному анализу основных проблемных задач в технологических процессах производства высокодисперсных порошков для получения строительных материалов и изделий различного назначения, а также современного уровня развития помольного оборудования дезинтеграторного типа для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов с различными физико-механическими характеристиками.

Выявлены перспективные конструкции измельчителей дезинтеграторного типа, отражены их достоинства и недостатки. Определены основные конструктивно-технологические решения при совершенствовании дезинтеграторов, направленные на повышение производительности; обеспечение внутренней классификации измельчаемых материалов; снижение удельных энергозатрат; повышение эксплуатационной надежности; расширение технологических возможностей агрегата и др.

Проведен анализ методик расчета основных конструктивно-технологических и энергосиловых параметров работы существующих конструкций дезинтеграторов, определены направления их дальнейшего совершенствования.

По результатам проведенного анализа научно-технических разработок в диссертационной работе были поставлены цель и задачи исследований.

Во второй главе выполнены теоретические исследования по изучению движения воздушно-материальных потоков в помольной камере и классификаторе дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов. Получены аналитические выражения для определения производительности и потребляемой мощности дезинтегратора разработанной конструкции.

В начальный момент времени, когда частица под действием центробежной силы нормально соударяется с рабочим элементом на расстоянии (К - гэ) от оси вращения, она теряет свою радиальную составляющую начальной скорости по причине прямого удара (рис. 1), но сохраняет свою тангенциальную составляющую, которая позволяет частице продвигаться по поверхности рабочего элемента до момента схода с

3 Зона контакта рабочего элемента с потоком _частиц

Траектория движения частицы по поверхности рабочего элемента

Рис. 1. Силы, действующие на частицу при взаимодействии с рабочим элементом

него.

В этом случае величину абсолютной скорости движения частицы по поверхности рабочего элемента можно определить из выражения:

+ V

(О

где V и V - радиальная и тангенциальная скорости частицы, соответственно, м/с, определяемые по формулам:

V = —= ' Л

(Ко-СД-г.в тв)а>, е*

2^ + 1

£ - (Л - ГЭ зю в) (-/ - ТТ^Т) ГЭ ЗШ в) (-/ + ,/777) - & у*

(2)

2^7

+ 1

(3)

Для обеспечения рациональных траекторий и скоростей движения частиц измельчаемого материала в помольной камере дезинтегратора необходимо определить скорости движения частиц относительно скорости движения воздуха.

Система дифференциальных уравнений, описывающих поле скоростей двухфазного потока на первой стадии измельчения, будет иметь вид:

dvr l>„ 1, ч dr, r, r

do vrv 1 , \ --£ =

í»¡ Tj г4 '

Радиальная скорость схода воздуха при обтекании цилиндрической поверхности рабочих элементов определяется согласно выражению:

и=(оЛА2-

R2

(5)

Радиальная скорость отрыва воздушного потока с дисперсными частицами от поверхности рабочего элемента круглой формы равна:

a.Reos в

и =

(6)

1 + sin в

Решая каждое уравнение системы (4), получим, что: - тангенциальная скорость частицы при сходе с рабочего элемента круглой формы будет определяться выражением:_

(о.

2rln R

COS в ( COS0

l+sin0l l+sin#

2-^+2 1-2.12--^-

(7)

- тангенциальная скорость схода воздуха при обтекании поверхности рабочего элемента определяется из второго уравнения системы (4) равна:

СО,

ф

cos£_['_cos£_¡.. Л L ¿I (8)

2г1пЛ I l + sin^U + sin^ eos в

R

едг-

(1 -1пЛ) + 1

1 + зт0

На второй стадии измельчения материала в дезинтеграторе движение частиц с периферии к центральному разгрузочному отверстию помольной камеры осуществляется с помощью симметричных противоположно вращающихся вихрей, образованных роторами агрегата (рис. 2).

Это происходит под действием спирально расположенных рабочих элементов, установленных таким образом, чтобы способствовать эффективному продвижению частиц измельчаемого материала от первой стадии измельчения ко второй, а затем к разгрузочному отверстию.

Уравнение равновесия сил (9), действующих на частицу в вихревом потоке помольной камеры, позволило определить осредненные характеристики скоростей воздушного потока с частицами:

¿ир ои-ир) dUp (9)

—=-£—gradp + g + 2U ——.

Л т р

-радиальная: и =.

Рис. 2. Схема вихревого движения двухфазного потока в помольной камере.

■ окружная:

- осевая:

грр(\-Ь)

_ М>р1\ир-Хг м> =

)

г( 1-Х/)

Хи» + -

лА

(11)

(12)

(1-ХО

На рис. 3 представлены графические зависимости распределения радиальных и тангенциальных скоростей двухфазного потока по радиусу

помольной камеры.

Тангенциальная и радиальная составляющие скорости частиц материала в вихревом потоке при перемещении от периферии к центру (разгрузке) помольной камеры имеют максимальные значения: при К = (0,1-0,175) м соответствующие скорости движения частиц матери ала находятся в диапазоне от 113 до 133 м/с.

Процесс движения частиц в классификаторе дезинтегратора разработанной конструкции происходит следующим образом.

Твердые частицы, витающие в объеме первой полости конусного классификатора и движущиеся по его поверхности после их осаждения, под действием закручивающего их воздушного потока, образованного крыльчаткой внутреннего ротора, перемещаются в фонтанирующем потоке: по поверхности конусного классификатора; отрываются от неё и снова переходят в аэрорированное состояние. Процесс разделения частиц в классификаторе по массе показан на рис. 4.

В фонтанирующем воздушно-материальном потоке скорость вертикального перемещения частицы вдоль оси отверстия классификатора равна:

0.025 0.05 0.075 0.1 0.125 0.15 0.175 0.2 0.225 0.25 0.275 0.3

ф ф ф ф Радиальная скорость несущей фазы О 0 0 (> Радиальная скорость частицы измельчаемого материала О О 0 О Тангенциальная скорость частицы измельчаемого материала Тангенциальная скорость несушей фазы

Рис. 3. Графическая зависимость распределения скоростей двухфазного потока по радиусу помольной камеры.

Величина горизонтальной составляющей скорости определяется по формуле:

а(1

— ехр(2а(1 -

-Р)т,__

-0,05 щиЄРР)--

0-1

0,05лц<ХгкР , - 0,05тг/<„Р ч , ' А" ехр(2я(1- /?)—- ' 0 + 1

(14)

Таким образом, получены уравнения, описывающие движение частицы измельчаемых материалов в классификаторе дезинтегратора разработанной конструкции, которые зависят от физико-механических характеристик измельчаемых материалов и конструктивно-технологических параметров работы агрегата.

Производительность дезинтегратора является основным технологическим параметром, определяющим эффективность процесса измельчения и работы измельчителя в целом. Массовую производительность дезинтегратора можно представить в виде одного из уравнения, описывающего движение пористой упругопластической среды:

Рис. 4. Расчетная схема для определения скоростного режима движения воздушно-материального потока в классификаторе: 1 - ядро фонтанирующего потока; 2 - центральная часть фонтана; 3 - ниспадающая часть фонтана; 4 - зона насыпного кольцевого слоя.

(15)

1 V

На пропускную способность дезинтегратора влияют частоты вращения роторов и геометрические параметры помольной камеры. Выражение для определения производительности с учетом частот вращения роторов, внутреннего и наружного, соответственно, - п, и п2, - с ; радиуса кривизны спиралей, по которым расположены рабочие элементы внутреннего ряда - Лк, м; расстояния между рабочими элементами внутреннего ряда - а,, м; количества ударных элементов внутреннего ряда г, шт.; средневзвешенных размеров частиц материала до и после измельчения, соответственно,

мольной камере агрегата - КР, примет вид:

Пср и (1ср м; кратности внутренних циркуляции материала в по-

2 л-21 (К

е=

,+«2 +Кг

+ ^ Л'/УЛл/^ ■ (17)

3[(д+

Полученное выражение характеризует производительность дезинтегратора в зависимости от размеров исходного сырья и требований к готовому продукту и учитывает свойства материала и конструктивные особенности камеры помола. Увеличение частот вращения роторов также увеличивает выход готового продукта. Производительность дезинтегратора уменьшается либо при увеличении средневзвешенного размера

и

исходного сырья, либо при уменьшении средневзвешенного размера готового продукта.

Важнейшей энергетической характеристикой работы агрегата является его потребляемая мощность. Величина мощности, потребляемой дезинтегратором разработанной конструкции, определяется по формуле:

9тъ -а2 _

М'Ъ+Щ-Ъ)

2 2 Г -V

сж р

8(1-к-2) £ -Ё2 -л6 'г • р

Р р

Ч-Пш

л с Э

4

-(АР™ а 1+Фт-Оа)

(18)

20

1 + 5-^1. ЪгэИэ (Л2Ч + ♦ + )

л 3

й. 20

А А

а У

Первое слагаемое в выражении (18) определяет величину мощности, затрачиваемую на ударное разрушение частиц материала о рабочие элементы - Р^) второе слагаемое определяет составляющую мощности, расходуемую на преодоление сопротивления трения в подшипниковых опорах валов роторов Роп\ третье слагаемое - на транспортировку воздушно-материального потока РтраНс, четверное слагаемое - на преодоление сил трения между слоями материала в радиальных зазорах, образованных роторами - Р"тр; пятое слагаемое - на преодоление сил трения при движении рабочего элемента по слою материала - Р'тр; а также расходуется на потери в трансмиссии ц.

Анализ формулы (18) показывает, что на величину потребляемой мощности дезинтегратора влияют геометрические параметры камеры помола, частота вращения роторов, вес роторов, а также прочностные характеристики измельчаемого материала. Наибольшее влияние из вышеприведенных факторов на величину потребляемой мощности оказывает частота вращения роторов п. Для дезинтегратора разработанной конструкции частота вращения роторов варьируется от 1500 до 6000 мин'. Расхождение между расчетными и экспериментальными значениями потребляемой мощности в зависимости от частот вращения роторов не превышает 8%.

В третьей главе представлены методики экспериментальных исследований. Для проведения комплексных поисковых и экспериментальных исследований по изучению процессов измельчения и классификации

различных материалов в дезинтеграторе разработанной конструкции был изготовлен ряд модельных установок дезинтеграторов, испытания которых позволили разработать и изготовить экспериментальный дезинтегратор с внутренним рециклом измельчаемых материалов (рис. 5).

2 5 38 23 12 11 ± 3 8 9 6 7 А-А

Б-Б

Рис. 5. Дезинтегратор с внутренним рециклом измельчаемых материалов: 1 - вертикальный корпус; 2 - загрузочная воронка; 3 - верхний загрузочный конус; 4 - направляющее кольцо; 5 - средний конус; 6 - нижний конус; 7 - дугообразный конус; 8, 9- окна; 10-внутренний ротор; 11 - наружный ротор; 12-верхний пустотелый вал; 13- нижний пустотелый вал; /-/-верхний диск; 15-нижний диск; 16- цилиндр; 17-рабочая зона измельчения (помольная камера); 18 - средний диск; 19-вал внутреннего ротора; 20 - рабочие элементы, расположенные по концентрическим окружностям; 21 -рабочие

элементы, расположенные по спирали; 22 - крыльчатка вентилятора; 23. 24 - шкивы; 25 - -горообразная смесительная камера; 26 - загрузочная воронка; 27 - разгрузочный патрубок; 28 - вертикальная перегородка; 28- дугообразная трубка; 29 - вентилятор; 30 - эксцентричный корпус; 31 - диск; 32 - приемный стакан; 33 - тангенциальный патрубок; 34 - шиберная заслонка; 35 - дугообразный патрубок; 36 - патрубок; 37- трубопровод;

38 - полость.

Конструкция дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов защищена патентом РФ на изобретение №2377070.

Экспериментальная установка имеет следующие технические характеристики: диаметр роторов: наружного - £>вн1 = 300-10"3 м, внутреннего -Аш.2= 250-10"3 м; высота ротора: наружного - Н,= 250- i О"3 м, внутреннего -Н2 - 200-10*3 м\ общее количество рабочих элементов z = 150 шт. (90 и 60 шт., соответственно); производительность Q = 150 ^ 200 кг/ч\ частота вращения валов роторов: наружного - п, = 6000 мин1, внутреннего

- п2 = 6000 мин1-, количество рядов рабочих элементов роторов: наружного

- 4, внутреннего - 4; суммарная потребляемая мощность Р= 4,5 кВт (2,5 и 2,0 кВт, соответственно); габаритные (LxBxH)-10"3, м: 1450x850x1350; масса т = 250 кг.

Предлагаемая конструкция дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов позволяет обеспечить различные схемы организации процесса измельчения, классификации и гомогенизации измельчаемых материалов с различными добавками. Внутренний рецикл материальных потоков осуществляется за счет двухстадийного измельчения материалов с последующей их классификацией и возвращением крупки на до-мол в помольную камеру 17 (рис. 5).

При исследовании процессов, протекающих в дезинтеграторе, на стадии поисковых экспериментов использовались следующие материалы: мел, глина, известняк, стекольный и керамический бой, отходы целлюлозно-бумажной промышленности - лигнин, отходы перлитового производства. Твердость данных материалов 2-6 единиц по шкале Мооса, асж= 50-300 МПа, влажностью W= 3 - 5 %.

При проведении многофакторного планирования эксперимента использовался вспученный вермикулит Татарского месторождения, произведенный на ООО «Вермикулит» (г. Железногорск, Красноярский край) со следующими физико-механическими характеристиками: средняя плотность р = 150 кг/м3\ пористость - 0,4%; коэффициент теплопроводности Хт = 0,05 Вт/м°К; размер частиц исходного материала d0= (1-5)-10' м.

При многофакторном планировании эксперимента был использован центральный композиционный рототабельный план второго порядка (ЦКРП-2П) полнофакторного эксперимента (ПФЭ) (где п - число независимых переменных) и методика проведения экспериментальных исследований процесса измельчения для определения технологических и энергосиловых параметров дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований по изучению процесса измельчения вермикулита в дезинтеграторе. Для комплексного изучения влияния режимов работы агрегата на его выходные параметры осуществлялось математическое планирование многофакторного эксперимента. В качестве варьируемых факторов были приняты следующие конструктивно-технологические параметры: частоты вращения роторов пи = (1500 - 6000) мин'; радиус кривизны первого ряда рабочих элементов RK, = (50 - 90)-10"3 м; средневзвешенный размер исходного материала d0 = (1 - 5) -10"3 м; общее количество рабочих элементов z = (120 - 180) шт. В качестве выходных параметров (функций отклика) на воздействие факторов были приняты: приведенная производительность агрегата Qnwo-t, кг/ч; потребляемая мощность Р, кВт; удельная поверхность готового продукта Sy0, м2/кг.

После соответствующей математической обработки экспериментальных данных были получены регрессионные зависимости для определения приведенной производительности, потребляемой мощности и удельной поверхности в кодированных и натуральных величинах. В ходе обработки

результатов экспериментальных исследований установлено, что наибольшее влияние на величину удельной поверхности и потребляемой мощности оказывают: частоты вращения роторов, средневзвешенный размер исходного материала и количество рабочих элементов. Для приведенной производительности такими факторами являются: частоты вращения роторов; радиус кривизны первого ряда ударных элементов и средневзвешенный размер исходного материала.

Основные графические зависимости представлены на рис. 6-8.

1

id ..............|

г ................ |

4S 7г 60-м

...

............ ................

. -

ш о

Рис. 6. Графическая зависимость приведенной производительности от частоты вращения роторов и радиуса кривизны первого ряда рабочих элементов при: ¿о = 310"3 м; г = 150 шт.

Рис 7. Графическая зависимость потребляемой мощности от частоты вращения роторов и радиуса кривизны первого ряда рабочих элементов при: do = З10"3м; z = 150 шт.

Из анализа полученных зависимостей можно сделать вывод, что увеличение частот вращения роторов с 1500 мин'1 до 6000 мин"1 и радиуса кривизны первого ряда рабочих элементов приводит к увеличению приведенной производительности с <2шм-1= 101 кг/ч до <2шхн = 172 кг/ч (на 70%), а потребляемая мощность при этом возрастает с Р = 2,75 кВт до Р = 4,25 кВт (на 54%). Для этих параметров приведенной производительности и потребляемой мощности прирост удельной поверхности составит от 5^=280м2/кг до 5^=425 м2/кг (34%). При увеличении частоты вращения валов свыше пи = 6000 мин'1 и радиуса кривизны первого ряда рабочих элементов более Як/ = 0,07 м с одновременным ростом размера частиц исходного материала более й0 > 4 • 10'3 м существенно повышаются

Рис.8. Графическая зависимость удельной поверхности от частоты вращения роторов и радиуса кривизны первого ряда рабочих элементов при с/0 = 310'3м; г = 150 шт.

энергозатраты (на 25%) вследствие увеличения пропускной способности, времени пребывания материала в помольной камере, что, в свою очередь, приводит незначительному снижению удельной поверхности, т.к. активизируется процесс агрегации тонких частиц измельчаемого материала. Это также приводит к снижению приведенной производительности по готовому продукту на 10%. С учетом проведенных исследований установлен рациональных режим работы измельчителя: пи - 6000 мин ; Як1 = 70-10"3 м] й0 = 3-10'3л<; г= 150 шт.

С целью повышения эксплуатационной надежности дезинтегратора и увеличения срока службы наиболее изнашиваемых рабочих элементов роторов нами разработан состав композиционной смеси и изготовлены способом отливки специальные втулки из баддеилито-корунда. Использование данных втулок увеличивает межремонтный период в 1,6 раза и снижает износ поверхностей рабочих элементов на 52% (с 4,8 до 2,5 кг-10" /кг).

В пятой главе представлены по результаты экспериментально-технологических исследований, по результатам которых был разработан и

изготовлен экспериментальный дезинтегратор с внутренним рециклом измельчаемых материалов (рис. 9).

Агрегат имеет следующие технические характеристики: производительность по готовому продукту Ошни =0,15-0,2 т/ч, суммарная потребляемая мощность Р = 4,5 кВт\ удельные энергозатраты с/ = 22,5-30 к Вт-ч/т; частота вращения роторов п12 = 6000 мин .

Проведены опытно-промышленные испытания экспериментального дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов в технологической линии для производства огнезащитных материалов на основе тонкомолотого вермикулита (ООО «Партнер», г. Воскресенск, Московская обл.).

Применение дезинтегратора разработанной конструкции обеспечивает снижение удельных энергозатрат на 15-20%, повышение приведенной производительности на 40%. Годовой экономический эффект от использования дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов составляет 300,2 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Проведен анализ современного уровня развития технологий и помольного оборудования для производства высокодисперсных материалов различного назначения с последующей их классификацией, рассмотрены

Рис. 9. Экспериментальный образец дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов.

перспективы развития и направления совершенствования помольного оборудования дезинтеграторного типа.

2. Установлены аналитические зависимости, описывающие движение воздушно-материального потока в помольной камере дезинтегратора со спиралевидным расположением рабочих элементов.

3. Получены аналитические выражения, описывающие процесс сепарации частиц измельчаемого материала в классификаторе дезинтегратора разработанной конструкции.

4. Разработана методика расчета конструктивно-технологических и энергосиловых параметров агрегата с учетом различных режимов его работы.

5. На уровне изобретения разработана конструкцию дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов, обеспечивающая возможность внутренней классификации измельчаемых материалов и обладающую дополнительными технологическими возможностями (патент РФ №2377070 от 27.12.09).

6. Для повышения эксплуатационной надежности дезинтегратора и увеличения срока службы наиболее изнашиваемых рабочих элементов роторов разработан состав композиционной смеси и изготовлены способом отливки специальные втулки из бадделеито-корунда. Использование данных втулок снижает износ рабочих элементов на 52% (с 4,8 до 2,5 кг-10'3/кг) и увеличивает межремонтный период в 1,6 раза.

7. Установлены закономерности процесса измельчения в дезинтеграторе разработанной конструкции материалов с различными физико-механическими характеристиками (твердость данных материалов 2-6 единиц по шкале Мооса, асж = 50+300 МПа, влажность - V/ < 5%).

8. С использованием математического планирования эксперимента проведены исследования процесса измельчения вермикулита в дезинтеграторе. Установлены факторы, оказывающие наибольшее влияние на эффективность процесса измельчения и определены рациональные параметры работы агрегата: «;,2 = 6000лшн'';/гк/=70-10"3л<; ¿4=3 10 'г м\г= 150 шт.

9. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработан и изготовлен экспериментальный дезинтегратор с внутренним рециклом измельчаемых материалов {0.ят4 = 0,15 - 0,2 т/ч, Р = 4,5 кВт), обеспечивающий возможность организации процессов помола и последующей классификации измельчаемых материалов.

10. Установлено, что использование дезинтегратора разработанной конструкции в технологической линии по производству огнезащитных красок и покрытий (ООО «Партнер», Московская область) на основе тонкомолотого вермикулита (5^=400 м2/кг) обеспечивает (по сравнение с дезинтеграторами без классифицирующих устройств) снижение удельных энергозатрат на 15-20%, повышение приведенной производительности

в 1,4 раза. Годовой экономический эффект от использования разработок составляет 300,2 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Севастьянов, B.C. Роторный измельчитель дезинтеграторного типа для производства высокодисперсных композиционных материалов / B.C. Севостьянов, А.Е. Качаев, Ф.Е. Катаев, Т.Н. Орехова, И.Г. Королев// Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика.: сб. ст. 66-ой Всерос. научно-техн. конф. / СГАСУ. - Самара, 2009. - С. 207 - 209.

2. Севостьянов, В. С. Технологические модули и агрегаты для комплексной переработки природных и техногенных материалов / B.C. Севостьянов, А.Е. Качаев, Е.В. Синица, М.В. Севостьянов, A.B. Уральский // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика.: сб. ст. 66-ой Всерос. научно-техн. конф. / СГАСУ. - Самара,

2009.-С. 210-213.

3. Севостьянов, B.C. Дезинтегратор с внутренним рециклом загрузки для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов / B.C. Севостьянов, А.Е. Качаев, И.Г. Королев // Керамика и огнеупоры: перспективные решения и нанотехнологии.: сб. ст. II Семинара - совещания ученых, преподавателей, ведущих специалистов и молодых исследователей / БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. -С. 191-195.

4. Качаев, А.Е. Дезинтегратор с ударно-сдвиговым воздействием на измельчаемый материал / А.Е. Качаев, B.C. Севостьянов, И.Г. Королев // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2010. -№1. - С. 102 - 105.

5. Севостьянов, B.C. Агрегаты роторно-центробежного типа для комплексной переработки техногенных материалов/ B.C. Севостьянов,

A.Е. Качаев, И.Г. Королев // Сотрудничество для решения проблемы отходов: сб. ст. VII Междунар. конф./ НПУ «ХПИ». - Харьков, 2010. -С.9- 11.

6. Севостьянов, B.C. Моделирование процесса гомогенизации в смесительной камере дезинтегратора / B.C. Севостьянов, А.Е. Качаев,

B.Г. Панченко, Д.А. Бурчевский // Современные проблемы развития механики и совершенствования оборудования: сб. ст. III Междунар. научно-практической конф. молодых ученых, - Губкин: ИП Уваров В.М., 2010. -

C. 125 - 129.

7. Качаев, А.Е. Дезинтегратор со спиралевидным расположением ударных элементов и внутренней классификацией измельчаемых материалов / А.Е Качаев, B.C. Севостьянов, И.Г. Королев // Современные проблемы развития механики и совершенствования оборудования: сб. ст. III Междунар. научно-практ. конф. молодых ученых. - Губкин: ИП Уваров В.М.,

2010.-С. 36-39.

8. Севастьянов, B.C. Моделирование процесса смешения в камере помола дезинтегратора / B.C. Севостьянов, А.Е. Качаев, H.A. Лукьянов // Интерстроймех - 2010: сб. ст. Междунар. иаучно-практ. конф. / БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород, Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2010. - Т.З. -С. 83 - 87.

9. Севостьянов, B.C. Технологический модуль для производства сухих строительных смесей их техногенного сырья / B.C. Севостьянов, А.Е. Качаев // Материалы и технологии XXI века: сб. ст. IX Международной научно-технической конференции. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2011.-С. 146-148.

10 Качаев, А.Е. К определению времени удара и мощности дезинтегратора, расходуемой на измельчение при ударном воздействии / А.Е. Качаев// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2011. - №3. - С. 60 - 64.

11. Качаев, А.Е. О вероятности разрушения частиц в слое между вращающимися роторами дезинтегратора / А.Е. Качаев // Молодежь и научно-технический прогресс: сб. ст. Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Сост. Т.В. Абрамова, А.П. Гаевой, В.М. Уваров [и др.]. - Губкин: ООО «Айкъю», 2011. -Часть I. - С. 123 - 127.

12. Качаев, А.Е. Механоактивация анизотропных наполнителей для безобжиговых вяжущих с применением дезинтеграторных технологий /

A.Е. Качаев, Т.Н. Орехова, A.B. Уральский, B.C. Севостьянов //Инновационные материалы и технологии: сб. ст. Междунар. научно-практич. конф., 11-12 октября 2011 г./ БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011.- С. 71- 74.

13. Качаев, А.Е. Расчет траектории и скорости движения частицы измельчаемого материала по поверхности рабочего элемента/ А.Е. Качаев,

B.C. Севостьянов// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2012. - №2. -

C. 56 - 59.

14. Качаев, А.Е. Определение скоростей движения частиц в классификаторе дезинтегратора/ А.Е. Качаев, B.C. Севостья-нов//Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: межвуз. сб. ст./под ред. B.C. Богданова. - Белгород, 2012. - С. 196 - 201.

15. Качаев, А.Е. Расчёт поля скоростей двухфазного потока в дезинтеграторе/ А.Е. Качаев, Т.Н. Орехова, B.C. Севостья-нов//Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: межвуз. сб. ст./под ред. B.C. Богданова. - Белгород, 2012. - С. 202 - 205. 4

16. Пат. 2377070 Российская Федерация, МПК7 В 02 С 13/22. Дезинтегратор / A.M. Гридчин, B.C. Севостьянов, Е.С. Глаголев, А.Е. Качаев и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»,

ООО «ТК-РЕЦИКЛ». - №2008118079/03; заявл. 06.05. 08; опубл. 27.12.09, Бюл. №36.

Основные буквенные обозначения:

У0 - начальная скорость движения частицы до столкновения с рабочим элементом, м/с; г - текущий радиус перемещения частицы материала по поверхности рабочего элемента, м; Я - расстояние от оси вращения до центра крепления рабочего элемента, м; в - угол между векторами угловой скоростью вращения рабочего элемента и радиальной скоростью движения частицы материала, град; гэ - радиус рабочего элемента, м;

ф - угловая скорость рабочего элемента, с1; Г - время перемещения частицы материала в помольной камере и классификаторе, с;/- коэффициент трения частицы материала о поверхность рабочего элемента;

- характеристические уравне-

А, = [-/ + (/Л^) = ["/ -

ния; ип юг и щ, - радиальные и тангенциальные компоненты скорости, соответственно воздуха и частицы материала, м/с; г, - текущий радиус расположения частицы от оси вращения, м;т- время релаксации скорости поступательного движения частицы, с; Ц ир - абсолютная скорость несущей фазы и частицы в вихревом потоке, соответственно, м/с; р - давление несущей среды (воздуха) на частицу материала, Па; g - ускорение свободного падения, м/с; рр - плотность частицы материала, кг/м3; и, м>, и,

ор, м>р, ир - осредненные радиальная, окружная и осевая скорости движения частицы и несущей среды в вихре, образованном в помольной камере, соответственно, м/с; г - осредненный радиус нахождения частицы в помольной камере, м; X - коэффициент динамической вязкости потока, Па с; И2 - вертикальная координата положения частицы в вихре, м; у„ - скорость витания частицы, м/с; и " площадь межфазной границы на входе и выходе из полости классификатора, соответственно, м ; Ум" и У„к - объем материала в воздушном потоке на входе и выходе из полости классификатора, соответственно, м3; а - ускорение частицы в горизонтальной плоскости, м/с2; тр - масса частицы материала, кг; с!кр - критический диаметр частицы, м; Р - абсолютное статическое давление, Па; р- отношение плотности частицы к плотности потока воздуха; /л - коэффициент динамической вязкости запыленного газа, равный 1,8410 Па с;

- время нахождения материала в дезинтеграторе при измельчении и активации, с; £>ф и с1ср - средневзвешенный размер частиц материала до и после измельчения, соответственно, м; V - объем рабочего пространства помольной камеры, ограниченной внутренним рядом рабочих

элементов, м3; h3 - высота рабочего элемента, м; RK¡ и RK¡ - начальный и конечный радиусы витка спирали, по которой выступают ударные элементы внутреннего ряда, м; Rs - радиус вала внутреннего ротора, м; Но - коэффициент разрыхления материала, равный fi0 = 0,1 - 0,2; Ду - средняя окружная скорость движения крайних ударных элементов спирали, м/с, t„ - время прохождения частицей и-ого ряда ударных элементов, с; т3 - масса рабочего элемента, кг; Е - модуль упругости измельчаемого материала, МПа; асж - предел прочности измельчаемого материала на сжатие, МПа; vp - скорость разрушения частицы (куска) материала, м/с, к — коэффициент восстановления частицы материала при ударе; <5 — доля кинетической энергии от потерянных скоростей движения частицы и рабочего элемента роторов; гр - радиус частицы, м; n¡ и — частоты вращения роторов, внутреннего и наружного, соответственно, с1; z¡ и z2 - количество рабочих элементов роторов, внутреннего и наружного, соответственно, шт.; z„ - количество рабочих элементов «-ого ряда, шт.; f¡ - приведенные коэффициенты трения скольжения в подшипниковых узлах роторов; R„¡ 2 - радиус расположения тел качения в подшипнике роторов, м; Мр - масса ротора дезинтегратора, кг; RPu - радиус ротора дезинтегратора, м; H¡ 2 - высота слоя измельчаемого материала на роторе, равная, м; Qei,2 - производительность роторов мельницы по воздуху, м /с\ fi¡ - весовая концентрация дисперсной фазы в воздушной среде, кг/кг; Дpnk - избыточное давление в помольной камере дезинтегратора, создаваемое ротором от входа к выходу воздушно-материального потока, Па; г/в - гидравлический коэффициент полезного действия ротора как вентилятора; N - количество частиц в объеме радиального зазора между рабочими элементами роторов; Е0ти. - кинетическая энергия взаимных перемещений частиц в радиальном зазоре между рабочими элементами роторов, Дж; рф - плотность двухфазного потока, кг/м3; coi¡2 — угловая скорость вращения роторов, рад/с; D„ - внутренний диаметр наружного ротора, м; Н- высота помольной камеры, м; Db - диаметр диска внутреннего ротора, м; 5д - толщина диска внутреннего ротора, м; R„ — радиус окружности, на котором расположены рабочие элементы четного ряда, м; £ - коэффициент сопротивления, зависящий от условий обтекания ротора воздушно-материальным потоком; L„ - длина дуги спирали, на которой расположены рабочие элементы ротора нечетного ряда, м.

Подписано к печати /3.OJ.Í0(5 Формат 60x84/16

Усл. п. л. 1,25. Тираж 100 Заказ № 67

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В. Г. ШУХОВА».

На правах рукописи КАЧАЕВ АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ '

ДЕЗИНТЕГРАТОР С ВНУТРЕННИМ РЕЦИКЛОМ ИЗМЕЛЬЧАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.02.13 - «Машины, агрегаты и процессы» (строительство)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Владимир Семёнович Севостьянов

Белгород 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................5

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ И ПОМОЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ.......И

1.1 Современные технологии производства высокодисперсных материалов. ..11

1.2 Основные направления развития помольного оборудования

для производства высокодисперсных материалов................................19

1.3 Конструктивно-технологические особенности и перспективы

развития помольного оборудования ударного действия.........................22

1.3.1 Классификация помольного оборудования.................................23

1.3.2 Роторно-центробежные мельницы............................................27

1.3.3 Дезинтеграторные мельницы..................................................33

1.3.4 Роторно-центробежные мельницы с внутренней классификацией измельчаемых материалов.................................37

1.4 Методики расчета конструктивно-технологических и

энергосиловых параметров дезинтеграторов......................................40

1.4.1 Расчет теоретической производительности дезинтеграторов...........41

1.4.2 Расчет мощности, потребляемой дезинтегратором.......................42

1.5 Основные направления конструктивно-технологического совершенствования дезинтеграторов...............................................45

1.6 Цель и задачи исследований..........................................................47

1.7 Выводы....................................................................................48

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ДЕЗИНТЕГРАТОРЕ С ВНУТРЕННИМ РЕЦИКЛОМ ИЗМЕЛЬЧАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ..................................................49

2.1 Математическая модель движения двухфазного потока

в помольной камере дезинтегратора.................................................50

2.1.1 Определение скорости движения частицы измельчаемого материала по поверхности рабочего элемента..............................50

2.1.2 Расчет поля скоростей двухфазного потока

на первой стадии измельчения материала...................................53

2.1.3 Описание вихревого движения двухфазного потока

на второй стадии измельчения материала....................................56

і.

2.2 Определение скорости движения частиц измельчаемого материала

в классификаторе дезинтегратора...................................................62

2.2.1 Расчет скорости движения частиц в классификаторе......................62

2.2.2 Расчет степени сепарации частиц в классификаторе.....................67

2.3 Определение производительности дезинтегратора...............................69

2.4 Расчет потребляемой мощности дезинтегратора..................................73

2.4.1 Определение мощности, затрачиваемой роторами

дезинтегратора на ударное измельчение...................................74

2.4.2 Определение мощности, расходуемой на трение

в подшипниковых опорах......................................................78

2.4.3 Определение мощности, расходуемой на транспортировку воздушно-материального потока..............................................78

2.4.4 Определение мощности, затрачиваемой на преодоление

сил трения, при движении слоя материала по внешнему ротору.......80

2.4.5 Определение мощности, затрачиваемой на преодоление сил трения, при движении слоя материала по внутреннему

ротору...............................................................................85

2.4.6 Определение мощности, расходуемой роторами

на трение частиц в радиальном зазоре.........................................87

2.5 Выводы.....................................................................................91

3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЕЗИНТЕГАРТОРА С ВНУТРЕННИМ РЕЦИКЛОМ ИЗМЕЛЬЧАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................92

3.1 Основные положения методики экспериментальных исследований..........92

3.2 Разработка модельных установок дезинтегратора..................................92

3.3 Разработка экспериментальной установки дезинтегратора и моделирование технологических процессов.......................................94

3.4 Физико-механические характеристики исследуемых материалов...........102

3.5 Методика экспериментальных исследований.....................................104

3.6 Многофакторное планирование эксперимента и обработка

результатов при изучении режимов работы дезинтегратора.................106

3.7 Выводы...................................................................................109

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В ДЕЗИНТЕГРАТОРЕ С ВНУТРЕННИМ РЕЦИКЛОМ ИЗМЕЛЬЧАМЫХ МАТЕРИАЛОВ...............................110

4.1 Анализ регрессионных зависимостей..............................................110

4.2 Экспериментальные исследования парных взаимодействий варьируемых факторов на величину удельной поверхности, приведенной производительности и потребляемой мощности............117

4.3 Влияние частот вращения роторов на эффективность

процесса измельчения...............................................................132

4.4 Влияние радиуса кривизны первого ряда рабочих элементов

на эффективность процесса измельчения..........................................133

4.5 Влияние средневзвешенного размера исходного материала

на эффективность процесса измельчения.........................................135

4.6 Влияние общего количества рабочих элементов

на эффективность процесса измельчения........................................136

4.7 Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических исследований производительности и потребляемой мощности дезинтегратора..........................................................................138

4.8 Выводы.................................................................................140

5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДЕЗИНТЕГРАТОРА С ВНУТРЕННИМ РЕЦИКЛОМ ИЗМЕЛЬЧАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОИЗВОДСТВО....................141

5.1 Получение безобжиговых вяжущих из стекольного боя, модифицированных тонкомолотым вермикулитом............................141

5.2 Технология производства огнезащитных покрытий

на основе тонкомолотого вермикулита...........................................144

5.3. Исследования по повышению износостойкости рабочих элементов

дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов.......150

5.4 Технико-экономическая эффективность использования дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов......154

5.5 Выводы..................................................................................155

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................156

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................158

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................175

ВВЕДЕНИЕ

Современные социально-экономические условия в России позволяют интенсивно развивать малотоннажные и мелкосерийные производства, как основу малого и среднего предпринимательства. Главной особенностью таких производств является их гибкость: способность быстро перенастраиваться на выпуск того или иного вида продукции, пользующегося спросом у потребителя [156]. Использование инновационных технологий, основанных на требованиях энерго- и ресурсосбережения, возможность производства широкого спектра материалов и изделий делают актуальным развитие этого направления.

Строительная индустрия, включающая производство строительных материалов и изделий, играет одну из ведущих ролей в российской экономике. Состояние и развитие предприятий строительной отрасли служит одним из показателей экономического и инновационного развития государства, что обуславливает потребность в применении современных строительных материалов. При этом неизбежно возникает потребность в использовании новых технологий и оборудования для их производства [140].

Приобретение зарубежных аналогов строительных материалов является неоправданным и дорогостоящим, а отечественные образцы, зачастую, не удовлетворяют предъявляемым к ним высоким требованиям. Поэтому необходимо развитие современных наукоемких технологий производства строительных материалов различного назначения: в керамической, лакокрасочной, стекольной и других отраслях промышленности, основу которых составляют высокодисперсные порошки.

Все эти факторы способствуют активной разработке и внедрению в производство инновационных технологий и современного оборудования, что позволяет, в свою очередь, производить дешево, быстро и качественно, но при этом быть надежным, универсальным и простым в эксплуатации.

Существующие исследования в этой области являются актуальными, несмотря на повышенные требования к производству тонкодисперсных материалов. Высокодисперсные материалы широко применяются при производстве сухих строительных смесей, имеющих обширную область использования и определенный спектр номенклатуры; порошковых красок и покрытий, керамики и огнеупо-

ров, стекла, отделочных материалов; наполнителей различных полимерных композиций и др. [141].

Широкое использование материалов тонкого и сверхтонкого помола привело к созданию большого числа измельчителей различных видов (шаровые, вибрационные, планетарные, роторно-центробежные, струйные и др.). В каждом отдельном агрегате создаются определенные условия для измельчения, которые основаны на различных способах физического воздействия на материал. На сегодняшний день основным способом обработки материалов остается механическое разрушение, что определяет специфику использования современных агрегатов для переработки мелкокусковых материалов с различными физико-механическими характеристиками [65].

С целью соблюдения необходимых условий технологических процессов производства материалов и изделий с заданными свойствами, повышения эффективности процесса измельчения, снижения стоимости тонкоизмельченного продукта и удельных энергозатрат на его производство, металлоемкости оборудования, увеличения его долговечности и надежности необходимо разрабатывать новые конструкции агрегатов, сочетающих в себе комбинированные функции (например, помимо измельчения еще и классификацию готового продукта) и удовлетворяющие технологическим требованиям современных производств.

Проведенный анализ современных технологий и помольного оборудования для производства высокодисперсных и механоактивированных материалов различного назначения и изделий на их основе показал, что для осуществления наукоемких технологических процессов с использованием высокодисперсных компонентов необходимо применение эффективного помольного оборудования комбинированного воздействия. При этом предпочтение отдается измельчителям де-зинтеграторного (роторно-центробежного) типа, выгодно отличающихся от традиционных ударно-отражательных мельниц.

Отличительной особенностью дезинтеграторных мельниц является возможность комбинирования посредством двух роторов и специальной геометрии расположения рабочих элементов нескольких видов интенсивного механического воздействия (например, удар с истиранием, удар со сдвигом и др.). При этом разного рода дезинтеграторные мельницы работают как «по сухому» (дезинтеграторы и дисмембраторы), так и «по мокрому» способам (роторно-пульсационные ус-

тановки) и осуществляют наряду с помолом интенсивное перемешивание измельчаемого материала, например, с добавками.

В практических исследованиях было замечено, что при измельчении двух и более материалов механическим воздействием происходят сложные механохими-ческие преобразования, изменения кристаллической структуры поверхностных слоев частиц с расширением диапазона размеров частиц, что, в итоге, приводит к появлению технологических трудностей в получении однородной смеси данных дисперсных систем [83].

Поэтому одним из направлений повышения эффективности помольного оборудования является создание энергосберегающего дезинтеграторного измельчителя с внутренним рециклом измельчаемых материалов и возможностью дополнительной гомогенизации с дисперсными добавками.

Оборудование такого типа широко востребовано для производства различных материалов и изделий на основе высокодисперсных порошков. Поэтому на современном этапе развития наукоемких технологий решение поставленной задачи является весьма актуальным.

Целью данной работы является разработка и создание опытно-промышленного образца дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов, методик расчета его конструктивно-технологических и энергосиловых параметров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного уровня развития технологий и помольного оборудования при производстве строительных материалов и изделий различного назначения. Проанализировать проблемные задачи в технологических процессах получения высокодисперсных порошков, а также перспективы развития помольного оборудования дезинтеграторного типа, возможные пути его совершенствования и расширения функциональных возможностей.

2. Разработать математические модели, описывающие движение воздушно-материального потока в помольной камере со спиралевидным расположением рабочих элементов и классификаторе дезинтегратора.

3. Разработать методику расчета конструктивно-технологических и энергосиловых характеристик агрегата с учетом различных режимов его работы.

4. Разработать патентно-защищенную конструкцию дезинтегратора с внутренним рециклом воздушно-материальных потоков, обеспечивающую возможность внутренней классификации измельчаемых материалов, а также обладающую дополнительными технологическими возможностями.

5. Провести комплекс экспериментальных исследований по изучению условий измельчения материалов с различными физико-механическими характеристиками в дезинтеграторе разработанной конструкции при различных режимах его работы; выявить факторы, влияющие на эффективность процесса измельчения и установить рациональные режимы работы агрегата.

6. Разработать эффективные технические решения по повышению эксплуатационной надежности и долговечности дезинтегратора разработанной конструкции.

7. Провести опытно-промышленные испытания дезинтегратора в технологической линии по производству огнезащитных красок и покрытий, установить технико-экономическую эффективность агрегата.

Научная новизна представлена разработанными математическими моделями, описывающими движение воздушно-материальных потоков в помольной камере и классификаторе; методиками расчета основных конструктивно-технологических и энергосиловых параметров дезинтегратора разработанной конструкции; полученными математическими моделями в виде уравнений регрессии, адекватно отражающих процесс измельчения материала, и позволяющих установить рациональные режимы работы агрегата.

Рабочая гипотеза — повышение эффективности процесса измельчения в дезинтеграторе достигается за счёт циклического изменения характера ударно-истирающего воздействия на измельчаемый материал при варьирования рабочего объема, ограниченного спиралевидно расположенными рабочими элементами; при увеличении количества соударений частиц и организации их классификации с помощью внутреннего рецикла воздушно-материальных потоков.

Практическая ценность заключается в разработке патентно-защищенной конструкции дезинтегратора с внутренним рециклом измельчаемых материалов (патент РФ на изобретение № 2377070); методики расчета конструктивно-технологических и энергосиловых параметров дезинтегратора, а также выработке

рекомендаций по обеспечению рациональных технологических режимов его работы.

Выполненные научно-технические разработки и их аппаратурное исполнение могут быть использованы в строительной, химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Внедрение результатов работы. С использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований был изготовлен и испытан дезинтегратор с внутренним рециклом измельчаемых материалов, проведена его опытно-промышленная апробация в технологической линии по производству огнезащитных материалов. Экономический эффект от использования разработок составил 300,2 тыс. руб. (ООО «Партнер», г. Воскресенск, Московская область).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на 66-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика», г. Самара, 2009 г.; III, IV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы развития механики и совершенствования оборудования», г. Губкин, 2010, 2011 г.г.; Международной научно-практической конференции «ИНТЕРСТРОЙМЕХ - 2010», г. Белгород, 2010 г.; VII Международной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов», г. Харьков, 2010 г.; IX Международной научно-технической конф