автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Энергосберегающие агрегаты для измельчения материалов цементного производства с анизотропной текстурой

РОМАНОВИЧ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ АГРЕГАТЫ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ЦЕМЕНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА С АНИЗОТРОПНОЙ

ТЕКСТУРОЙ

Специальность: 05.02.13 - Мшшшы, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

Дщссертацп и анкши ученой степени доктора тсшчмш наук

Белгород-2014

Работа выполнена в ФГБУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» на кафедре механического оборудования

Богданов Василий Степанович

доктор технических наук, профессор

Сиваченко Леонид Александрович

доктор технических наук ГУВПО «Белорусско-Российский университет», профессор кафедры строительных, дорожных, подъемно-транспортных машин и оборудования Исаков Владимир Семенович доктор технических наук ФГБОУ ВПО «ЮжноРоссийский технический университет им. М.И. Платова» (НПИ), профессор, заведующий кафедрой строительно-дорожных и коммунальных машин

Бурьянов Александр Федорович

доктор технических наук ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (НИУ), профессор кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

архитектурно-строительный университет»

Защита диссертации состоится «24» декабря 2014 г. в 1000 на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242).

С диссертацией можно ознакомиться на сайте ИП^/доБаП.ЬзШ.ги/сИз и в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г, Шухова.

Автореферат разослан «_»_2014г.

Научный консультант-

Официальные оппоненты-

Ученый секретарь ( }

диссертационного совета^---И.А. Семикопенко

гос., -I

ЬИь; .1 : ¡.лЛ 3

20 14

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Россия обладает 10-й по величине экономикой мира с преобладанием тяжелой промышленности, в том числе и производства строительных материалов, занимает третье место в мире по масштабам энергопотребления. При этом тратит больше энергии на единицу внутреннего валового продукта, чем любая из стран, входящих в десятку крупнейших потребителей энергии.

На процессы измельчения, в том числе тонкого помола материалов, которые являются одними из основных операций, осуществляемых в большинстве существующих технологиях производства, на сегодня в мире затрачивается около 10% всей производимой энергии.

Энергоемкость производства цемента и клинкера в России на 25-35% выше аналогичного показателя развитых стран. В производстве цемента наилучшие мировые показатели по энергоемкости находятся в диапазоне 0,09-0,11 ГДж/т. Энергоемкость российских предприятий в этой отрасли не опускается ниже 0,2 ГДж/т. Одним из энергоемких процессов в производстве вяжущего является тонкое измельчение материалов, реализуемое главным образом в шаровых мельницах, в которых в среднем на помол одной тонны цемента расходуется около 35-40 кВт.ч электроэнергии.

Поиск технических решений, направленных на снижение энергозатрат на процесс помола в шаровых мельницах, является актуальной задачей.

Проведенный анализ материалов, применяемых в производстве цементов, позволил установить, что они отличаются своим происхождением, минеральным составом, структурой, текстурой и физико-механическими свойствами. Большие резервы по энергосбережению при их разрушении содержат в себе анизотропные материалы, которые имеют различный предел прочности в направлениях перпендикулярном и параллельном их сланцеватости.

Одним из направлений, позволяющих значительно уменьшить затраты электроэнергии на реализацию процессов измельчения является разработка нового и совершенствование существующего оборудования, реализующего деформирование анизотропных материалов с приложением усилия в направлении наименьшей их прочности на каждой стадии измельчения.

Анализ существующего помольного оборудования позволил установить, что сегодня как у нас в стране, так и за рубежом проектируемое и эксплуатируемое дробильно-помольное оборудование не учитывает текстуру измельчаемых материалов.

Применение при производстве цемента способа, включающего в себя стадию измельчения в пресс-валковом измельчителе (ПВИ), дезагломерацию и помол в шаровой мельнице (ШМ), позволяет повысить производительность помольной линии и уменьшить удельные энергозатраты.

Отсутствие эффективных конструкций агрегатов, позволяющих реализовать силовое воздействие в направлении наименьшей прочности материалов, и научно-обоснованных рекомендаций по расчету энергосиловых и конструктивно-технологических параметров помольных агрегатов тормозит их широкое внедрение в промышленность.

Работа выполнена в рамках реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016г. по научному направлению «Разработка научных основ расчета и проектирования энергосберегающих помольных комплексов для измельчения материалов с учетом текстуры исходного сырья».

Цель работы заключается в разработке научных основ расчета энергосберегающих агрегатов для измельчения материалов цементного производства с анизотропной текстурой, обеспечивающих снижение удельного расхода электроэнергии на 25-35 % и повышение производительности 20-30%, за счет эффективного разрушения материалов с приложением усилия в направлении наименьшей их прочности на каждой стадии измельчения в ПВИ и шаровой мельнице.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать механизм разрушения анизотропных материалов давлением и получить уравнение для определения рациональных усилий измельчения с учетом их физико-механических характеристик.

2. Создать математическую модель, позволяющую описать механизм разрушения анизотропных материалов в эксцентриковых валках ПВИ и получить уравнение для расчета усилия измельчения.

3. Теоретически исследовать процесс объемно-сдвигового деформирования изотропных материалов в конических валках и получить уравнение для расчета требуемых усилий их измельчения.

4. Аналитически исследовать процесс истечения материалов из бункера и разработать на уровне изобретений конструкцию валкового устройства для предуплотнения и направленной подачи материалов в пресс-валковый измельчитель.

5. Создать математическую модель, описывающую закономерность движения анизотропных материалов в валковом устройстве, и получить уравнение для расчета усилия предуплотнения, позволяющего равномерно распределить шихту по ширине валков ПВИ.

6. Аналитически исследовать модель движения частиц анизотропных материалов в валковом устройстве и доказать осуществление их направленной подачи к валкам ПВИ.

7. Получить аналитические зависимости по расчету конструктивных (угловых) параметров валков ПВИ, позволяющих реализовать эффектив-

ные условия измельчения материалов с учетом их физико-механических характеристик и текстуры.

8. Провести экспериментальные исследования по изучению процессов измельчения цементных материалов с различными физико-механическими характеристиками и текстурой в ПВИ и получить дискретные уравнения для определения их рациональных параметров.

9. На уровне изобретений разработать технические решения, позволяющие повысить долговечность рабочих органов измельчителя.

10. Аналитически исследовать условия футеровки валков ПВИ измельчаемым материалом и получить уравнение для расчета размеров ячейки футерующей сетки.

11. На основе анализа движения шаровой загрузки определить эффективные энергосберегающие внутримельничные устройства, создающие раздавливающее сдвиговое деформирование анизотропных материалов, схему их установки в барабане мельницы и получить аналитическое уравнение для расчета мощности, дополнительно потребляемой мельницами, оснащенными лопастными энергообменными устройствами.

12. Изучить влияние расположения энергообменных устройств и величины шаровой загрузки в камерах шаровой мельницы на выходные показатели агрегата при измельчении материалов с анизотропной текстурой.

13. Получить дискретные уравнения по определению рациональных технологических и конструктивных параметров энергосберегающих агрегатов при измельчении анизотропного материала с учетом их конструктивно-технологического совершенствования.

14. Осуществить внедрение в производство конструкций энергосберегающих агрегатов и провести их опытно-промышленные испытания, определить экономическую эффективность от внедрения.

Научная новизна работы заключается:

- в разработке, теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении полученных алгоритмов расчета и моделей, описывающих процессы разрушения истечения, предуплотнения, равномерной и направленной подачи в межвалковое пространство и осуществление эффективного силового воздействия, в зависимости от конструктивных особенностей рабочих органов энергосберегающих агрегатов, на измельчаемый материал с учетом его физико-механических характеристик;

- получении аналитических выражений, описывающих конструктивно-технологические параметры и энергетические показатели агрегатов, осуществляющие деформирование измельчаемых материалов в направлении их наименьшей прочности;

- анализе движения мелющей загрузки в шаровой мельнице, оснащенной энергообменными устройствами, позволяющими создать эффективные условия помола материалов с анизотропной текстурой и микродефектной структурой, и получении уравнение для определения её энергетических параметров;

- определении рациональных режимов измельчения сырьевых и цементных материалов с учетом их свойств в энергосберегающих ПВИ;

- обосновании схемы установки энергообменных устройств в шаровой мельнице и получении дискретных уравнений для определения рациональных режимов дезагломерации и помола материалов, имеющих анизотропную текстуру и микродефектную структуру;

- создании патентно-чистых конструкций пресс-валковых измельчителей и внутримельничных энергообменных устройств, новизна которых подтверждена патентами на изобретения и внедрении их в производство.

Практическаяценность и результаты работы. На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований:

разработана методика расчета основных, конструктивно-технологических и энергосиловых параметров пресс-валковых измельчителей и шаровой мельницы, оснащенной внутримельничными энергообменными устройствами;

- разработан алгоритм и соответствующее программное обеспечение для проведения расчета на ЭВМ основных и технологических параметров энергосберегающих агрегатов;

- определены рациональные параметры режимов измельчения материалов цементного производства с учетом их текстуры и свойств в энергосберегающих пресс-валковых агрегатах;

- обоснована схема установки энергообменных устройств в шаровой мельнице и получены дискретные уравнения для определения рациональных режимов дезагломерации и помола материалов, имеющих анизотропную текстуру и микродефектную структуру.

Полученные результаты работы использованы при расчете и создании внедренных в производство энергосберегающих конструкции пресс-валковых измельчителей и внутримельничных энергообменных устройств ШМ, новизна которых подтверждена патентами на изобретения.

Использование разработанных энергосберегающих агрегатов, позволило при измельчении материалов с анизотропной текстурой уменьшить удельные энергозатраты на 25-35% и повысить их производительность на 20-30%.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные положения:

Методология расчета и проектирования энергосберегающих агрегатов для помола материалов с анизотропной текстурой и различными физико-механическими характеристиками, включающая в себя:

- аналитические выражения для расчета рациональных усилий измельчения с учетом текстуры и физико-механических характеристик материалов;

- уравнение для расчета величины давления измельчения при разрушении анизотропных материалов в эксцентриковых валках;

- теоретические исследования по определению максимальных усилий измельчения при объемно-сдвиговом деформировании материалов в конических валках и получения спрессованных пластин с анизотропной текстурой;

- модель, описывающую закономерность равномерного и направленного движения анизотропных материалов в валковом устройстве;

- аналитические выражения по определению конструктивных и технологических параметров рабочих органов пресс-валковых измельчителей, позволяющих реализовать эффективные условия измельчения материалов с учетом их текстуры;

- уравнения для расчета основных параметров (потребляемой мощности приводом н производительности) пресс-валковых измельчителей с различной конструкцией их рабочих органов;

- теоретические исследования процесса футеровки рабочей поверхности валков измельчаемым материалом, позволяющий уменьшить её износ и уравнение для расчета размеров ячейки футерующей сетки;

- аналитическое выражение для расчета мощности, потребляемой шаровыми мельницами, оснащенными лопастными энергообменными устройствами.

Дискретные математические модели в виде эмпирических уравнений регрессии, позволяющие определить рациональные условия процессов измельчения в пресс-валковых измельчителях с различным профилем валков, эффективной дезагломерации и помола в ШМ, оснащенной лопастными энергообменными устройствами, материалов с анизотропной текстурой и различными физико-механическими характеристиками.

Практические результаты экспериментальных исследований, полученные на лабораторных установках и опытных энергосберегающих агрегатах, внедренные в действующее производство, позволяют определить их рациональные конструктивно-технологические параметры при измельчении материалов с различной текстурой и физико-механическими характеристиками.

Патентно-чистые конструкции пресс-валковых измельчителей и внутри-мельничных энергообменных устройств, обеспечивают снижение удельного расхода электроэнергии 25-35 % и повышение производительности на 20-30% за счет разрушения материалов в направлении их наименьшей прочности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и практические её результаты докладывались и получили одобрение: на Всесоюзных научных конференциях (БТИСМ) г. Белгород в 1989г, 1991г., XI Internationale Baustaff und Sibi Rattagynd. Ibasuil, Weimar, 1991г. (Германия); Меж-

дународных научно-практических конференциях (БТИСМ, БелГТАСМ и БГТУ им. В.Г.Шухова) в 1993г.,1995г., 1997г., 2000г.; Всероссийской научно-практической конференции 1988г. в г. Тольятти; Всесоюзной научной конференции 1989г., г. Ярославль; Международной научно-технической конференции 1999 г, в г. Старый Оскол; Седьмых академических чтениях РА-АСН, 2001г. (г. Белгород); Международной научно-практической конференции, 2006г. (г. Пенза); Научно-практической конференции «Нанотехнологии-производству» 2006г. и 2007г. (г. Фрязино); Международной научно-практической конференции, 2008г. (г. Могилев, республика Беларусь); Международной научно-практической конференции, 2009г. в г. Брянске; Международной научно-практической конференции, 2012, 2013 г. в г. Одесса (Украина), «Интерстроймех -2014», 2014 г. в Самаре.

Полученные результаты исследований применяются в учебном процессе при выполнении студентами БГТУ им. В.Г. Шухова расчетно-графических заданий, курсовых и дипломных проектов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 63 статьи в открытой печати, из них в изданиях, аннотированных ВАК, 18, в том числе без соавто-ров9, получено 22 изобретения, издано 4 монографии.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, общих выводов и рекомендаций по работе. Общий объём работы составляет 398 страниц, в том числе 326 страниц основного текста, 114 рисунков, 22 таблицы, список литературы из 325 наименований и семи приложений на 72 страницах включающих: акты внедрения и промышленных испытаний; программы для обработки экспериментов и расчетов силовых параметров агрегатов.

Диссертационная работа выполнена на кафедре механического оборудования Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены обоснования темы диссертационной работы, сформулирована цель и задачи исследований, указана научная новизна, практическая ценность работы и представлены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе произведен анализ особенности происхождения и текстуры природных материалов, используемых при производстве цемента, техники и технологии существующих и разрабатываемых процессов измельчения.

Установлено, что при производстве цементов используются материалы с различными физико-механическими характеристиками и текстурой, которые не учитываются при их измельчении в существующем дробильно-помольном оборудовании. Значительные резервы по энергосбережению при измельчении

содержат в себе материалы с анизотропной текстурой, которые имеют различный предел прочности в направлении перпендикулярном и параллельном сланцеватости, что требует научно-обоснованного подхода к реализации процесса их помола.

Рассмотрены современные помольные системы и применяемое оборудование, такие как: струйные, роторно-вихревые, валковые, дезннтеграторные, вибрационные мельницы н другие. Установлено, что они не только не учитывают свойства измельчаемых материалов, но и, ввиду своих специфических недостатков (низкой производительности, больших удельных энергозатрат, невысокой надежности в эксплуатации и др.), не смогут в ближайшие десятилетия заменить высокопроизводительные шаровые мельницы в крупнотоннажной цементной промышленности.

В результате сравнительного анализа помольных систем, применяемых в цементной промышленности, установлено, что одним из перспективных направлений, как у нас в стране, так и за рубежом, является разработка энергосберегающих агрегатов и технологии с вынесением стадии грубого помола материалов в пресс-валковые измельчители, которые позволяют повысить производительность линии и уменьшить удельные энергозатраты. У нас в стране эти помольные системы находятся в стадии разработки и единичного внедрения. Широкому их внедрению тормозит отсутствие научно-обоснованных рекомендаций по расчету энерго-силовых и конструктивно-технологических параметров помольных агрегатов.

Изучены результаты научных положений, теоретических и экспериментальных исследований различных ученых: М.Б. Генералова, Е.Г. Баранова, Д. Броек, С. Зиннера, В.Б. Клушанцева, J1.M. Качанова, В.З. Партона, Ю.М.Протасова, P.A. Родина, Ю.Н. Работнова, С.Г. Ходокова, P.A. Хечумова, Г.П. Черепанова, М. Сиратори, К. Шонерта, и других.

Проведенный анализ существующих научных исследований, текстуры измельчаемых материалов, устройства помольных агрегатов и опыта их эксплуатации, позволил выявить направления научного исследования и конструктивно-технологического совершенствования оборудования, которые отражены в цели и задачах диссертационной работы.

Установлено, что на сегодня как у нас в стране, так и за рубежом проектируемое, изготавливаемое и эксплуатируемое помольное оборудование не учитывает текстуру измельчаемых материалов, это приводит к повышению энергозатрат на их переработку.

Все это дает основание для положения в основу проведения исследований, следующую рабочую гипотезу - энергетическая эффективность работы агрегатов при измельчении материалов с анизотропной текстурой может быть повышена за счет приложения усилия разрушения в направлении их наименьшей прочности на каждой стадии их измельчения.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований по расчету усилий разрушения в ПВИ материалов с различными физико-механическими характеристиками и текстурой. Аналитически исследованы процессы равномерного распределения анизотропных материалов по ширине валков, их предуплотнения и направленной подачи в межвалковое пространство пресс-валковых измельчителей, которые обобщены в методику и представлены в виде алгоритма расчета.

Установлено, что условия силового воздействия при разрушении хрупких тел различной текстуры, во многом определяют показатели процесса измельчения. Поэтому выбор геометрической формы рабочих органов агрегата и направления приложения силовых нагрузок являются важным резервом как конструктионо-технологического совершенствования оборудования, так и формирования технологического процесса в целом. Особенно это важно при разрушении материалов с анизотропной текстурой.

В результате проведенных аналитических исследований по изучению сил, действующих на частицы в слое, при двухстороннем их прессовании получено выражение для определения необходимого удельного усилия измельчения хрупких тел с заданными физико-механическими характеристиками ("сяс>/г>/ >%) и Углом приложения усилия(а):

Руд = 0'71 А-ак*сж (1ег . /т )/е 5, 008«) (1)

* ан

где асж- предел прочности частиц при сжатии, МПа; к„„ - коэффициент анизотропии измельчаемого материала; у - средний угол нормального взаимодействия контакта частиц; коэффициент внутреннего трения; И - толщина слоя частиц, м; £ - коэффициент бокового давления; /• коэффициент внешнего трения; Ь- периметр спрессованной пластины, м; аК~ коэффициент относительного уплотнения; 5г-площадь спрессованной пластины, м.

Это аналитическое выражение позволяет учитывать совокупное влияние факторов на удельное усилие разрушения слоя хрупких анизотропных тел.

Однако процесс разрушения материалов между рабочими поверхностями валков более сложен. Рассмотрев условия разрушения элементарного слоя анизотропного материала в пресс-вапковом измельчителе с эксцентриковыми валками из рисунка!,имеем:

£=0,Ке\Я<*адеф СО!! адеф + Ке\Ч^а^еф / в'п <*деф ~ ах<Ь' = 0 ^ £ =0,<ТуНх-(бу + ¿6у 1ИХ + 11ЬХ)+Яе\д(1адеф$\\\адеф-} Ле^а^созоу^ =0, (2)

где Ле],Ле2 - радиусы валков, давление измельчение на поверхности валка, Н/м2; & - Угол деформации слоя шихты, град; - коэффициент трения

шихты о поверхность валка; <тх - нормальное напряжение, возникающее в слое деформируемого материала, Н/м2; Ат -текущая величина толщины слоя измельчаемого материала, м; Н0 - толщина слоя материала в момент его захвата валками, м; ДА -деформация слоя шихты при его разрушении, м.

Решив данные уравнения с учетом (1) получим, выражение для расчета необходимого усилия раздавливающе-сдвигового деформирования слоя анизотропных материалов в эксцентриковых валках:

ру* =

! + •

ОЛ Д

4Л1'

" /г)/«5'е"в )

деф

/

2ДЛ.

Н г,

('Я®

Оеф

ДЛ/ (/ + £«,

'8 а асф

(3)

Рисунок 1. Схема сил для определения усилия измельчения

Для определения усилия объемно-сдвигового деформирования материалов, возникающего между коническими валками согласно рисунка 2, считаем, что от некоторой величины угла у,, которому соответствует толщина слоя Н/, де<|юрмация измельчаемой шихты пропорциональна удельному давлению Р/.

Тогда текущему значению угла ут соответствует удельное давление/^ На основании вышеизложенного можно записать:

Y Н = у H „л„ Р Н = РН

т I I т г г 2 т

где Р2 давление на линии центров, МПа. Учитывая, что:

Рт 2 Rcp cos Yt ~ 2RcP cos Y\ P2 2R (1 - cos Yi)Y\ KYi ~ Yi)

Рисунок 2. Схема к определению усилия измельчения материалов

Произведем сокращения с учетом, что У2 на линии центров равно

.(5)

0°,тогда уравнение примет вид:

cos Yr ~ cos Y\ гт - 2 ;

1 - cos Y\

Проекция силы dP на ось «х» по всей ширине валка равна:

Р2 BR с

dPx =-— (cos у3- - cos Xi)cos a cos Yt^Yt ■

1 - cos y{

Решив дифференциальное уравнение и учетом (1) было установлено, что усилие Рх, необходимое для разрушения слоя хрупких тел в конических валках, зависит от их физико-механических характеристик.

В зоне максимальных давлений, ограниченной нейтральным углом у и

приняв Р2 . Fyd_ при ка„ = 1, уравнение для определения распорных усилий примет вид:

Рx = (0,71 • f -aK crCMC(tgr- fr)'eS'COSa ) ■ r„ ■ В ■ R ■ cos a. (7)

Анализ уравнения показывает, что величина усилия измельчения материала в пресс-валковых измельчителях с коническими валками зависит от: физико-механических характеристик материала а сж ,fr>f , геометрии валков

cos а , В, Rcp и степени деформации шихты.

Анализ графических зависимостей, построенных по расчетным и экспериментальным значениям в соответствии с рисунками 3 и 4, показал, что расхождение значений не превышает 15%.

Я Iff

Рисунок 3. Влияние величины угла двухстороннего среза пуансона на давление измельчение: о - получено теоретически, Д - получено экспериментальным путем__известиях органогенный, ---мергель

Использование профиля валков, создающего при измельчении материалов сдвиговое деформироваиие их частиц, позволяет при меньших усилиях получить ту же степень измельчённости, а, следовательно, снизить энергозатраты.

Для создания силового воздействия в направлении наименьшей прочности анизотропного материала, реализуемого в пресс-валковом измельчителе, необходимо осуществить равномерное распределение по ширине валков и направленную подачу его кусков в межвалковое пространство. Проведенные аналитические исследования процесса уплотнения, равномерного распределения и направленной подачи анизотропных материалов в пресс-валковом измельчителе с валковым устройством, выполненным на уровне изобретения, в

Рисунок 4. Влияние сдвиговых деформаций в валках на величину усилий измельчения: о-получено экспериментально; Л - получено аналитически; -клинкер,— мергель

соответствии с рисунком 5, позволили получить выражение для расчета требуемого усилия.

Д яп(уО 2 ;

где /.I — коэффициент, зависящий от характеристик уплотняемого материала, гранулометрического состава, формы и деформируемости частиц, Н/м';г - радиус валка, м; Ъ - ширина валка, м; Л - толщина уплотненного слоя,

м;д- удельное усилие уплотнения, Н/м2; Лупл - коэффициент уплотнения;

А р(<р)~ текущая величина усилия уплотнения материала, зависящая от угла Ч>-

Рисунок5. Схема к расчету усилия предуплотнения шихты в валковом

устройстве

В третьей главе представлены аналитические исследования по изучению кинематики движения материалов в пресс-валковых измельчителях с различным профилем валков. Установлено, что процесс измельчения хрупких материалов, реализуемый в ПВИ с различным профилем валков, можно условно разделить на три стадии, характеризующиеся в соответствии с рисунками 6 и 7 следующими углами: подачи материала/1ЮД, его деформации нейтральный^ и упругого расширения

В результате проведения аналитических исследований получены уравнения для расчета угловых параметров соответствующие каждой стадии деформирования материалов в ПВИ с различным профилем валков.

Рисунок 7. Схемы к расчету геометрии углов ПВИ с коническими валками

По величине максимальных усилий измельчения, возникающих в зоне нейтральных углов, осуществляют прочностной расчет конструкции измельчителя. Нами проведены исследования и получены уравнения для расчета их величины, которые равны:

-при измельчении анизотропных материалов в ПВИ с эксцентриковыми валками:

ан\ +ан2 ~

4/я.

агс!£

Лсо *адеф1^е 1?со$адефк

2/а -агар

Лео яадефц

Лео ¡адеф/Ге

2/а. -агс/£

Ксонадефк+е Лео Ждефк

Лео яхдефк-е

(9)

- при объемно-сдвиговом деформировании материалов пресс-валковом измельчителе с коническим профилем валков:

Г.,:

Y»¡ У>■г Уд, YLYai Y»! Yo, Y Ó] ^

1 '¿O

4p

/i- A

(10)

С учетом величины углов, ограничивающих сектор максимальных усилий измельчения, получено уравнение для расчета мощности привода ПВИ, затрачиваемой на выполнение технологических операций:

N +ЛГ +М

--О!)

где Ыр.л - мощность, затрачиваемая на предуплотнение шихты валковым устройством, Вт; Л^,„„ - мощность, затрачиваемая на измельчение материалов, Вт; Ищ,- мощность, затрачиваемая на преодоление трения в подшипниковых опорах валков, Вт;

Мощность привода, затрачиваемая валковым устройством на предуплотнение и направленную подачу анизотропных материалов, определяется по формуле:

1-

■<Wwnc^-B-f.-Цча (12)

Мощность, затрачиваемая валками на измельчение материалов N„n„ определяется крутящим моментом Мкр, необходимым для вращения валков при измельчении материалов и моментом трения Мтр возникающим в цапфах опорных валов.

Максимальный крутящий момент равен:

Л/, = РтB R^l-cosан sinа„. (13)

Момент трения Мт , возникающий в цапфах опорных валов, равен:

где р - результирующая сила от максимального усилия измельчения и силы тяжести валка о,, Н; /пр - приведенный к валу коэффициент трения качения; с/ч - диаметр цапфы валка, м.

Используя поправочный коэффициент на тонкость помола

Однако материал после обработки давлением в ПВИ не является готовым продуктом, он имеет анизотропную текстуру с максимальной прочностью в направлении приложения усилия и товарную форму в виде спрессованных пластин, что требует иных условий его дезагломерации и помола. Как показали исследования его целесообразно подвергать кратковременному ударно-истирающему воздействию для дезагрегации спрессованных пластин и раздав-ливающе-истирающему воздействию мелющих тел для окончательного помола. Такие условия измельчения материалов, согласно проведенным экспериментальным исследованиям, возможно получить в ШМ, оснащенной лопастными энергообменными устройствами (ЛЭУ): лопастью двухстороннего действия (ЛДД) и лопастным эллипстным сегментом (ЛЭС).

В четвертой главе теоретически доказано, что мощность, потребляемая мельницами, оснащенными лопастными энергообменными устройствами, превышает мощность, потребляемую аналогичными мельницами без ЛЭУ, на величину, необходимую для перемещения центра масс мелющей загрузки в продольном направлении, что свидетельствует о большей работе, совершаемой мелющими телами как в первой, так и во второй камере.

Представлена схема установки ЛЭУ в барабане мельницы (рисунок 8) и алгоритм расчета потребляемой мощности мельницы, оснащенной лопастными энергообменными устройствами.

Установлено, что интенсификация движения мелющих тел в мельницах с ЛЭУ позволяет, при прочих равных условиях, измельчать большее количество материала за один и тот же промежуток времени, чем в мельницах с вертикальными перегородками. Но для интенсификации движения мелющей загруз-

массовую производительность ПВИ можно определить по

формуле:

й, =0,7 В-8-о„- р„ ■ к,„ = 4,4 В -8 ■ Я,, • и • р„, 1е 10

V

ки ей необходимо передавать дополнительное количество энергии. Роль передатчика энергии выполняют ЛЭУ.

Рисунок 8. Схема установки ЛЭУ в барабане шаровой мельницы

Таким образом, при прочих равных условиях (размеры барабана мельницы, длины камер, частота вращения, коэффициент заполнения мелющими телами и др.) мельницы, оснащенные ЛЭУ, будут совершать большую работу, а, следовательно, потреблять большую мощность, чем мельницы, без ЛЭУ.

Уравнение для вычисления дополнительно потребляемой мощности будет иметь следующий вид:

" = «^^-(р,/, - +к, - об)

= ¥ /г Г(«>,/, к -У:\+<Рг'> к, - У:А

Анализ графических зависимостей (рисунок 9, 10), построенной по результатам эксперимента и расчетным путем, позволил установить влияние угла наклона эллипсного сегмента и длины первой камеры на величину потребляемой мощности мельницы, оснащенной ЛЭУ (где N1, N2, N - соответственно мощность, расходуемая на перемещение мелющих тел в первой, во второй камерах и суммарная мощность, полученная расчетным путем; V-мощность, полученная экспериментально).

Установлено, что с увеличением угла наклона ЛЭУ к вертикальной оси барабана потребляемая мощность снижается, так как уменьшается зона активного их влияния, а, следовательно, и работа, выполняемая мелющими телами.

Угол наклона град

Рисунок 9. Зависимость дополнительно потребляемой мощности от угла наклона ЛДД и ЛЭС к оси барабана мельницы

650 600 550 500 е 450 щ ЬОО 350 300 250 200 150 100 50 0

-а

«о О 3:

3 £

—

и

Vй' №

0,1*5 0,55 0,65 0.75 0.В5 Длина первой камеры, м

Рисунок 10. Зависимость дополнительно потребляемой мощности от длины первой

камеры

Проведенный сравнительный анализ результатов, полученных экспериментальным путем при помоле материалов с анизотропной текстурой в шаровой мельнице, оснащенной ЛЭУ, и расчетом показали, что разница между экспериментально полученными и расчетными данными не превышает 10%.

В пятой главе представлены программа и методики проведения экспериментальных исследований. Приведено описание конструкций лабораторных установок пресс-валковых измельчителей, имеющих различный профиль валков и шаровой мельницы, оснащенной лопастными энергообменными устройствами, которые использовались при проведении исследований.

Даны физико-механические характеристики исследуемых материалов, имеющие различную текстуру.

Для изучения влияния конструктивно-технологических параметров на выходные показатели процесса измельчения давлением материалов с анизотропной текстурой и различными физико-механическими характеристиками были разработаны и изготовлены лабораторные установки пресс-валковых измельчителей, конструкции которых представленные на рисунках 11 и 12.

Рисунок 11. Стендовая установка пресс-валкового измельчителя с эксцентриковыми валками и валковым устройством : а - ГШ И с валковым устройством; б - вид на бункер с валковым устройством

Основные технические характеристики экспериментальных установок приведены в таблице 1.

а б

Рисунок 12. ПВИ с коническими валками: а-общий вид; б-съемные конические бандажи

Таблица 1

Технические характеристики пресс-валковых измельчителей

п/п Наименование показателя ПВИ с эксцентриковыми валками ПВИ с коническими валками

1 Габаритные размеры валков Б х В, м 0,3 х 0,15 0,4 х 0,25

2 Величина конусности - 0,05 - 0,35

3 Эксцентриситет, м 0,01-0,06 -

4 Частота вращения валков, с"1 0,2 - 0,9 0,15-1,0

5 Максимальное усилие измельчения, Н 3,5 х 10й 5,0 х 10°

6 Мощность привода, Вт 14 х 103 18х 10'

С целью установления рациональных режимов дезагломерации и помола материалов с анизотропной текстурой и микродефектной структурой, полученной при измельчении давлением в ПВИ, была изготовлена стендовая модель шаровой мельницы (рисунок 13), конструкция которой предусматривала

установку в ней энергообменных устройств в виде лопасти двойного действия (ЛДД) и лопатного эллипсного сегмента.

Рисунок 13. Лабораторная установка шаровой мельницы с энергообменными устройствами: а - общий вид, б - вид на узел питания и привод

В шестой главе в результате проведения комплексных экспериментальных исследований получены математические модели в виде уравнений регрессии, которые характеризуют процесс измельчения давлением материалов с различной текстурой и физико-механическими характеристиками в пресс-валковых измельчителях.

В результате проведения анализа графических зависимостей, построенных по уравнениям регрессии (рисунок 14,15),изучено влияние величины зазора между валками и их окружной скорости вращения на выходные показатели процесса измельчения анизотропных материалов. Установлено, что валковое устройство позволяет распределить по ширине, предуплотнить и осуществить направленную подачу анизотропных материалов в межвалковое пространство ПВИ, а использование эксцентрично установленных валков создает раздавливающе-сдвиговое деформирование их кусков в направлении наименьшей прочности, это повышает эффективность процесса измельчения анизотропных материалов.

Получена рациональная величина давления измельчения исследуемых материалов с анизотропной текстурой, равная Р = 150 - 230 МПа. Однако при измельчении анизотропных материалов в ПВИ выходные показатели процесса зависят от величины зазора между валками, который является функцией давления. Изучение графической зависимости E,N,Q,q =/(8) в соответствии с рисунком 14 при скорости вращения валков Кср=0,5 м/с, коэффициенте сдвигового деформирования Я"сд=1,3, позволило установить, что рациональная

величина зазора между валками равна 8 =5 х10"3 м. При этом были получены следующие результаты для мергеля и известняка органогенного удельный расход энергии составил д = 2,7 Вт.ч/кг и д = 4,2 Вт.ч/кг, степень измельченно-сти, соответственно, равна -65 и 60%.

РисунокН. Экспериментальная зависимость£, <7 -/( - известняк органогенный; - - - мергель;

Исследование графической зависимости £,.№,£),<у—/(и) в соответствии с рисунком 15 позволило установить, что увеличение окружной скорости вращения валков, а, следовательно, и скорости деформирования исследуемых

материалов в диапазоне оти = 0,3м/с до и = 0,9м/с влечет за собой повышение степени измельченности для известняка органогенного с£ш= 77,5% до £„,„=82,5%, на 6,5% и мергеля с £изм = 70,8% до £,„„ = 78,2%, на 10,4%. Потребляемая мощность привода при этом растет пропорционально увеличению окружной скорости вращения валков. Так, например, при увеличении и = (0,3...0,9) м/с потребляемая мощность для известняка органогенного возрастает с Nn= 2,1 х 103 Вт до 5,04* 103Вт. Увеличение окружной скорости вращения валков в пределах от и = 0,3м/с до и = 0,8м/с влечет за собой так же пропорциональный прирост приведенной производительности с 0„р- 700 кг/ч до Qщг 1450 кг/ч. Дальнейшее увеличение скорости вращения валков приводит к снижению прироста производительности, что указывает на увеличение проскальзывания измельчаемых материалов относительно рабочей поверхности

валков и тем самым сказывается на росте удельных энергозатрат. Таким образом, рациональная величина скорости вращения валков при измельчении анизотропных материалов находится в пределах 0,8 м/с.

Рисунок 15. Экспериментальная зависимость Е.Л^, -известняк органогенный; — мергель

Клинкер и известняк после обработки их давлением в ПВИ приобретают форму спрессованных пластин и анизотропную текстуру с максимальной прочностью в направлении приложения усилия, которое во многом определяет величину энергозатрат при дезагломерации и помоле их в шаровой мельнице. Прочность пластин зависит от усилия измельчения в ПВИ, которо ево многом определяется величиной зазора между валками. Изучение зависимости £,N,0,(7 = /(5) (рисунок16) позволило установить, что наиболее рационально процесс измельчения материалов осуществляется при величине зазора между валками равном <5=5 х 10° м, на что указывает минимальный расход удельных энергозатрат, который определяет экстремум функции и равен <7„зв= 2,56 кВт.ч/кг для известняка и ^„=3,98 кВт.ч/кг для клинкера. Производительность ПВИ, приведенная к степени измельченности 50%, соответственно, равна для известняка и клинкера 0Ии=94О,4 кг/ч, 0СЛ=855,7 кг/ч. При уменьшении зазора от 5= 5* 10° м до 6= 3,6* 10"3 м приведенная производительность возрастает с биз¡г 940,4 кг/ч до £>нз„=1067,8 кг/ч для известняка и с (¿^ 855,7 кг/ч до ()к= 971,0 кг/ч для клинкера, то есть на 13,5% и 13,0% соответственно. Потребляемая мощность привода, при этом возрастает, соответственно, для известняка с

Мю= 2,39* 103Вт до Д^И311= 2,96x103 Вт, т.е. на 23,8% и для клинкера с ЛГ„= 4,1*103Вт до Л'кл= 4,96x103 Вт, ч/кг - на 20,9%, что приводит к увеличению удельных энергозатрат.

г "

£ . 'О

60-

5?; -

40 -

зо ■

л?--

Рисунок 16. Влияние величины зазора между валками на Е&Мд: - клинкер; —известняк

При увеличении конусности валков с К= 0,06 до К = 0,29, а, следовательно, усиления объемно-сдвигового деформирования измельчаемых материалов (рисунок 17) степень измельченности для известняка возрастает с £„, =43,52% До Е„„ = 63,73% т.е. на (46,4%), а для клинкера - с Е= 39,95% до Е = 58,1% на 45,4%. Потребляемая мощность привода, при этом растет незначительно Штв= (2,39...2,72)х103 Вт; (4,1 ...4,57)х105 Вт). Это обусловлено наличием в конических валках касательных напряжений, вызванных их геометрическим профилем, что снижает порог предела прочности измельчаемых материалов и создает благоприятные условия для их разрушения, а это сказывается на росте значений Ее повышением конусности валков.

Прирост значений N с увеличением конусности валков обусловлен некоторым повышением длины зоны деформации материалов ¿в=Д/сага (где а -угол уклона образующей поверхности валков), а также лучшими условиями захвата шихты рабочей поверхностью конических валков и повышенной подвижностью при измельчении частиц материала относительно друг друга в слое. Это подтверждает теоретические выводы о целесообразности объемно-сдвигового деформирования (ОСД) частиц при измельчении изотропных мате-

5. кг/ч

N. хЮ 8т <?.

й®1

кг

■■ 6 -5

■ 3

■2

риалов давлением, а также указывает на наличие процесса «самоизмельчения», имеющего место в слое материала (в том числе за счет различной прочности зерен).

Приведенная производительность, при изменении конусности валков в вышеуказанном пределе, увеличивается для известняка с £>ша= 940,4 кг/ч до 065,4 кг/ч на 13,3% и для клинкера с 0^=855,7 кг/ч до 0„,=956,8 кг/ч на 10,6%.

£. %

60 -50 ■

toll -20 -

Рисунок 17.Влияние величины конусности валков К на E,Q,N,q: _клинкер;----известняк

Прирост приведенной производительности (при 5 = const) объясняется повышением степени пзмельченности материалов Е за счет объемно-сдвигового деформирования частиц шихт. Увеличение конусности валков практически не влечет за собой повышения удельных затрат электроэнергии, которые равны: для известняка qmB= (2,56...2,60) Вт.ч/кг, и для клинкера ^кл=(3,98...3,99) Вт.ч/кг. Это указывает на целесообразность применения конусного профиля валков в промышленных условиях для измельчения хрупких материалов цементного производства.

Глава седьмая. Материал после обработки его давлением между валками ПВИ значительно отличается от исходного сырья в соответствии с рисунком 18, он имеет анизотропную текстуру и товарную форму в виде спрессо-

0. кг/ч

N.xt33M ц.^

U 12 1

Q6 Q6

N у

Ч — с!

—^ у г- —А

s=rj

* ч ---- -1 \ N

"И

кг

•6

•5

-i

К

ванных пластин, а его частицы - микродефектную структуру, что требует особых условий для его эффективного помола в ШМ.

Рисунок 18. Материалы: клинкер: а- исходный; б - предварительно деформированный в ПВИ и имеющий анизотропную текстуру; мергель: в - исходный; г - предварительно деформированный в ПВИ с анизотропной текстурой

Как показали проведенные экспериментальные исследования, предварительно измельчаемый в ПВИ материал приобретает в процессе измельчения анизотропную текстуру и его целесообразно подвергать кратковременному ударно-истирающему воздействию мелющих тел в первой камере шаровой мельницы для дезагломерации спрессованных пластин и раздавливающе-истирающему воздействию во второй камере для окончательного его помола.

Такие условия измельчения материалов с анизотропной текстурой возможно получить в ШМ, оснащенной лопастными энергообменными устройствами (ЛЭУ), схема которой представлена на рисунке 19.

Однако в зависимости от схемы установки в барабане энергообменных устройств изменяется и режим динамического воздействия мелющих тел на измельчаемый материал.

Рисунок 19. Пресс-валковый измельчитель и шаровая мельница, оснашенная энергообменными устройствами: I - ПВИ; 2- барабан;3-лопость двойного действия;

4- лопастнойэллппсный сегмент

В этой связи были проведены исследования по изучению влияния взаимного расположения ЛЭУ и режимов работы и величины мелющих тел на выходные показатели процесса дезагломерации и помола материалов с анизотропной текстурой. В результате проведенных исследований установлено, что процесс помола в ШМ предварительно измельченных материалов в ПВИ и имеющих анизотропную текстуру, наиболее эффективно осуществляется при установке в барабане мельницы лопастного эллипсного сегмента наклоненным от разгрузочного днища под углом а = 30° к вертикальной его оси. Рабочие поверхности ЛЭС и ЛДД при этом параллельны между собой, что обеспечивает интенсивное раздавливающе-истирающее воздействие на измельчаемый материал с анизотропной текстурой. Анализ графических зависимостей представленных на рисунках 20-22 построенных по полученным уравнениям регрессии позволил установить, что рациональные показатели работы ШМ осуществляются при коэффициентах загрузки её камер мельницы ^/=0,18, <р2=0,3, длине первой камеры Ь, равной 0,65 метра, что составило 1/3 от полной длины барабана.

а

а

г5эп

±1

Рисунок 20. Влияние угла смещения ЛЭС на <7; (материал клинкер с анизотропной текстурой, полученной в ПВИ при <р\ = 0,18; а = - 30°; 1\ = 0,65м)

Рисунок 21. Влияние длины первой камеры на (^=0,18; £=0°; ^=0,3).

При этом были получены следующие выходные показатели работы шаровой мельницы: 0пр= 177,кг/ч, Мптр= 4,07 х 103 Вт, д = 22,9 Вт.ч/кг.

152 0.32

Рисунок 22. Влияние угла наклона ЛЭС на величину удельных энергозатрат ц при различной величине загрузки мелющими телами второй камеры: (материал клинкер с анизотропной текстурой, полученной в ПВИ (¡»| = 0,16; £=0°; Л = 0,6)

Проведенные сравнительные испытания цементов, полученных в энергосберегающих агрегатах (ПВИ + ШМ с ЛЭУ) позволили установить, что балочная прочность образцов на сжатие и изгиб выше на 15-20%, чем традиционным способом. Это обусловлено тем, что активированный образец (рисунок 23, а) имеет более плотную однородную структуру с хорошей адгезией цементного камня к заполнителю по сравнению с эталонным (рисунок 23,6). При увеличении в 18 тысяч раз отчетливо просматривается неоднородная структура образца, полученного из традиционного цемента (рис. 23,6), видны крупные поры, зарастающие кристаллами гидросиликата кальция различной основанности. Исследования образца (рисунок 23, а) подтверждают наличие плотной более однородной структуры цементного камня. Имеющиеся немногочисленные дефекты структуры покрыты плотной сеткой гидросиликатов кальция. Данные исследования микроструктуры цементного камня наглядно объясняют повышение прочностных характеристик образца, полученного из цемента измельченного в энергосберегающих агрегатах. Это связано с различием физики разрушения исходного материала, реализуемом в (ПВИ + ШМ с ЛЭУ), который на первоначальном этапе деформируется между валками

пресс-валкового измельчителя под высоким давлением, в результате чего получается более развитая, активированная структура частиц. а б

Рисунок 23. Структура цементного камня образцов: а - из цемента, полученного в энергосберегающих агрегатах (ПВИ + ШМ с ЛЭУ); б - в шаровой мельнице

В главе восьмой представлены результаты промышленных испытаний энергосберегающих агрегатов, разработанных в диссертационной, работе и внедренных в производство при измельчении материалов цементного производства с анизотропной текстурой и различными физико-механическими характеристиками, а также технические решения по повышению их эксплуатационной надежности.

С целью повышения долговечности рабочей поверхности валков ПВИ на уровне изобретения были разработаны конструкции валков, позволяющие уменьшить их износ за счет применения съемных предварительно напряженных сегментов, наплавки рабочей поверхности валков и другие.

В результате рассмотрения условий выхода или заклинивания шихты в ячейках, наплавленных на рабочей поверхности валков (рисунок 24) по схеме, разработанной на уровне изобретений, получено уравнение для расчета её размеров, с учетом характеристик измельчаемого материала.

Из рисунка 24 следует, что суммарная сила, которая обеспечивает выход спрессованной шихты из ячейки, равна:

= +ЪРсфг+Рн, 07)

— 2 9 О

или (п + т)Р -япа+ лт Р + ^ • тп г .

пг

1 Г \

I г

!.. ...... / ' )

V 1

г—V 1

* / !

ш

Г

ПГ I

Рисунок 24. Схема к определению формы и размеров ячейки футерующей сетки

для валков ПВИ

Суммарная сила, удерживающая спрессованную шихту в ячейках, равна:

£ Ртр ~ X Рщр .6 + 2

тр .сор.

(18)

2 2 или ^Ртр =/(2 г (п + т)Р соэа + /гс(п+ т) ■ Р +/лг F

Отсюда уравнение для определения высоты боковой поверхности ячейки, при которой будет осуществляться футеровка ячейки материалом, имеет вид:

> 2/-(зт а (/I + т) + 0,5ит - / соэ а (т + т)) /(п + т)

(19)

где/- коэффициент трения измельчаемого материала о боковые поверхности стенок ячейки; г- радиус скругления ячеек, мм; п, к, - числа кратные значению радиуса скругления, соответственно, по длине и ширине ячейки; с - высота боковой поверхности ячейки, мм.

Проведенные сравнительные исследования по изучению эффективности процесса измельчения осуществляемого в ПВИ с наплавленной футерующей сеткой и без нее в соответствии с рисунками 25 и 26 подтвердили предположения о том, что использование такой схемы наплавки позволяет защитить поверхность валков от интенсивного износа, при этом незначительно сказывается на качестве измельчения материалов.

Рисунок 25. Валки ПВИ с наплавленной футерующей сеткой на их рабочей поверхности: а-до осуществления процесса измельчения; б - после измельчения

Как видно из графика расхождения по полученным значениям невелики, при этом срок службы валков, как показали промышленные испытания, проведенные в условиях реального производства на Ирпеньском комбинате «Пе-ремога» при измельчении абразивных материалов повысился в 1,5 раза.

О 75 100 125 150

Давление измельчения, Р, МПа

Рисунок 26. Г рафик зависимости степени измельченное™ от усилий измельчения материалов в ПВИ : а- в не офутерованных валках; 6 - офутерованных валках; I-известняк органогенный; 2- клинкер;

По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований изготовлены и внедрены в производство, как у нас в стране, так и ближнем зарубежье, и проведены промышленные испытания пресс-валковых измельчителей со следующими размерами валков, имеющих различный профиль: Оср*В = 1,65x1,1 м (0 = 100 т/ч) на Карачаево-Чересском цементном заводе; ЭсрхВ = 0,7x0,3 м (0 = 10 т/ч) на Старооскольском заводе стеновых строительных материалов; Оср*В = 0,5Х0,3 м (0 = 8-10 т/ч) с валковым устройством на ОАО «Стройматериалы» и ООО «Композит» (рисунок 27); Ц-рхВ = 0,48x0,25 м ^ = 2,5т/ч) на Ирпеньском комбинате «Перемога» (Украина); Оср*В = 0,3x0,25 м (б =1,5т/ч) на ООО «СпецСтрой-5».

Рисунок 27.Пресс-валковый измельчитель, установленный в технологической линии получения композиционных вяжущих на ООО «Композит»

Промышленное внедрение результатов работы и проведенные испытания на Здолбуновском цементно-шиферном комбинате подтвердили эффективность от использования для измельчения материалов цементного производст-вав барабане шаровой мельницы размером 3,2x15 лопастных энергообменных устройств, представленных на рисунке 19, а также целесообразность вынесения стадии грубого помола в ПВИ.

В качестве энергообменных устройств в барабане шаровой мельницы были установлены, набранные из стержней, лопасть двойного действия и лопастной эллипсный сегмент, представленные на рисунках 28 и 29. Угол накло-

на энергообменных устройств составил 30° от вертикальной оси во внутрь барабана. Крепление стержней осуществлялось с помощью бронеплит.

Рисунок 28. Лопасть двойного действия, установленная в барабане шаровой мельницы 3,2 х15 м

Рисунок 29. Лопастной эллипсный сегмент, установленный в барабане шаровой мельницы 3,2 х15 м

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведенный анализ современного состояния и перспектив развития помольного оборудования как у нас в стране, так и за рубежом позволил определить основные направления совершенствования энергосберегающей тех-

техники и технологии переработки материалов. Установлено, что, несмотря на развитие в последние годы таких помольных систем как струйные, валковые, импульсные и другие, совершенствование помола материалов, осуществляемого в шаровых мельницах с выносом стадии грубого помола в пресс-валковый измельчитель для крупнотоннажной цементной отрасти будет являться перспективным направлением и в ближайшие десятилетия.

2. Анализ свойств и текстуры анизотропных материалов позволил определить скрытые резервы для создания энергосберегающей технологии их переработки и агрегатов, в основу работы которых положен принцип сдвигового деформирования материалов на каждой стадии измельчения с максимальным приложением усилий в направлении наименьшей прочности их кусков.

3. Разработана математическая модель деформирования анизотропных тел, аналитически исследован механизм их разрушения и получено уравнение для определения рациональных усилий измельчения давлением материалов с различными физико-механическими характеристиками.

4. Теоретически исследован механизм разрушения хрупких тел в ПВИ с различным рабочим профилем валков и получены уравнения для расчета усилий измельчения в зависимости от их текстуры и физико-механических характеристик.

5. Аналитически исследована кинематика движения шихты в пресс-валковых измельчителях с различным профилем валков и получены уравнения для расчета конструктивных и технологических параметров их рабочих органов, позволяющих реализовать эффективные условия измельчения материалов с учетом их текстуры.

6. С учетом механики движения анизотропных материалов разработана математическая модель, описывающая закономерность равномерной и направленной их подачи валковым устройством к валкам ПВИ, получено уравнение для расчета усилия их предуплотнения, с учетом их текстуры.

7. Получены аналитические зависимости по расчету производительности и потребляемой мощности привода пресс-валковых измельчителей, позволяющие реализовать эффективные условия измельчения материалов с учетом их текстуры.

8. Установлены общие закономерности процесса измельчения материалов с различными физико-механическими характеристиками. Доказано, что при разрушении материалов с анизотропной текстурой с приложением максимального усилия в направлении наименьшей их прочности достигается существенная экономия энегозатрат. Получены рациональные условия процесса их измельчения в ПВИ с эксцентриковыми валками, которые осуществляются, при следующих параметрах: при давлении измельчения Р = 75 - 150 МПа, скорости V = 0,8 м/с степень измельченности мергеля составляет: Е = 65% , а для известняка органогенного - Е = 58%, удельный расход электроэнергии

при этом составил, соответственно,д = 2,7 Втч/кг и <7 = 4,2 Вт-ч/кг. С увеличением раэдавливающе-сдвигового деформирования материалов {КфР=1,1 1,35; е= 0 30 ■ 10"%<) эффективность процесса измельчения возрастает:

- для мергеля - с £,„,,= 65% до £„„,= 78% с ()„,,= 1,4-103 кг/ч до <2„р= 1,5 103 кг/ч; для известняка органогенного - с £„*„= 60% до £м„= 83% с £}Пр= 1,ЗЮ3кг/ч до Qnp ~ 1,4103кг/ч. Удельные энергозатраты при этом существенно не изменяются и составляют, соответственно, = (2,7-2,8) Втч/кг и д = (4,3-4,4) Втч/кг.

9. Применение ПВИ с коническими валками позволяет реализовать принцип объемно-сдвигового деформирования измельчаемых материалов, при этом достигается достаточно высокая их степень измельченности: для известняка Е = 68% для клинкера Е = 57% при удельном расходе электроэнергии: для известняка ^ = 2,8 Втч/кг и для клинкера ц = 4,2 Вт ч/кг. Наиболее интенсивно процесс измельчения материалов давлением осуществляется в диапазоне для известняка/",,,^ 100...150 МПа, для клинкераЯк,= 150...230 МПа;

Повышение конусности валков с К = 0,06 до К = 0,29 (при <5 =10~3м, о = 0,8 м/с, К/^г 1) обеспечивает рост степени измельченности для известняка на 46,4% и для клинкера 45,4% при незначительном повышении значений N (Ли= (2,39.. .2,72)-10"3 Вт и (4,1.. .4,57)-103 Вт);

Увеличение окружной скорости вращения валков в пределах и = (0,32...0,88) м/с, обеспечивает прирост степени измельченности для известняка на 31,5% и для клинкера на 29,5%, потребляемая мощность при этом растет пропорционально окружной скорости.

10. Получено аналитическое уравнение для расчета дополнительной мощности, потребляемой мельницами, оснащенными лопастными энергообменными устройствами: лопастью двойного действия и лопастным эллипсным сегментом, которое учитывает работу, совершаемую мелющими телами при перемещении центра масс мелющей загрузки в продольном направлении, как в первой, так и во второй камере.

11. Проведенные экспериментальные исследования по изучению процесса дезагломерации и помола предварительно измельченных в ПВИ материалов, имеющих товарную форму в виде спрессованных пластин и анизотропную текстуру, в ШМ, оснащенной ЛЭУ, подтвердили теоретические результаты и свидетельствуют о целесообразности реализации ударно-сдвигового воздействия мелющих тел в первой камере мельницы, для дезагрегации спрессованных в ПВИ пластин, и раздавливающе-сдвигового воздействия во второй камере для окончательного их помола.

12. Анализ графических зависимостей, построенных по полученным уравнениям регрессии, позволил установить, что в шаровой мельнице, оснащенной ЛЭУ, высокая эффективность процесса измельчения материалов достигается при установке ЛЭС наклоненным от разгрузочного днища под углом

30° от вертикальной оси, <pi = 0,18, <р2 = 0,3, I) = 0,33L, удельный расход энергии при этом снижется с q = 40 Втч/кг до q = 22,7 Втч/кг, потребляемая мощность привода составляет N= 4,07 103Вт, а производительность Q = 177,6 кг/ч.

13. Проведенные промышленные испытания помольных агрегатов ПВИ и ШМ с ЛЭУ подтвердили теоретические и экспериментально полученные результаты и свидетельствуют о целесообразности реализации сдвигового деформирования измельчаемых материалов с максимальным приложением усилия в направлении наименьшей прочности на всех стадиях измельчения.

14. На уровне изобретений разработаны технические решения на конструкции ПВИ обеспечивающие:

- равномерное распределение анизотропных материалов по ширине валков и направленную их подачу в межвалковое пространство;

- эффективные условия разрушение материалов с различной текстурой;

- снижение интенсивности износа рабочей поверхности валков, за счет использования различных технических решений;

15. Аналитически исследованы условия футеровки рабочей поверхности валков и получено уравнение для расчета размеров ячейки футерующей сетки, предохраняющей их от интенсивного износа.

16. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований изготовлены, внедрены в производство, как у нас в стране, так и ближнем зарубежье и проведены промышленные испытания пресс-валковых измельчителей, имеющих различный профиль валков со следующими размерами: Dcp*B = 1,65*1,1м (Q = 100 т/ч) на Карачаево-Чересском цементном заводе; Dcp*B = 0,7x0,3 м (Q = 10 т/ч) на Старооскольском заводе стеновых строительных материалов; Dcp*B = 0,5*0,3 м (Q = 8-10 т/ч) с валковым устройством на ОАО «Стройматериалы» и ООО «Композит»; Dq,*B = 0,48*0,25 м

(Q = 2,5 т/ч) на Ирпеньском комбинате «Перемога» (Украина); Dcp*B -0,3*0,25 м (ß= 1,5 т/ч) на ООО «СпецСтрой-5».

17. Использование энергосберегающих агрегатов (ПВИ с валковым устройством и ШМ с ЛЭУ) позволяет осуществить при измельчении материалов с анизотропной текстурой силовое воздействие в направлении наименьшей прочности, что приводит к снижению удельных энергозатрат на 25-35 % и повышению производительности помольного агрегата на 20-30 %. Экономический эффект от внедрения разработок составил около 10 миллионов рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих научных

работах:

Монографии

1. Романович A.A. Энергосберегающий помольный комплекс для переработки природных и техногенных материалов // - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2006,- 186 с.

2. Романович A.A. Основы расчета и проектирования пресс-валковых агрегатов для измельчения анизотропных материалов: монография / A.A. Романович, A.B. Колесников //-Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011. -164 с.

3. Романович A.A. Геолого-литологические основы расчета и проектирования оборудования для измельчения горных пород / A.A. Романович, A.M. Гридчин, B.C. Лесовик // - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. - 350 с.

4. Романович A.A. Энергосберегающий помольный комплекс для измельчения анизотропных материалов // LAP LAMBERT Academic Publishing. Германия. 2013. - 234c.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

5. Севостьянов B.C. Совершенствование помольных агрегатов с использованием предизмельчителя / B.C. Севостьянов, B.C. Богданов, B.C. Платонов, В.З. Пироцкий, O.A. Лебедев, A.A. Романович // Цемент. -1990.-№2.-С.9-12.

6. Севостьянов B.C. Энергосберегающие комплексы с пресс-валковыми измельчителями / B.C. Севостьянов, B.C. Богданов, B.C. Платонов, A.A. Романович И Цемент, 1992 г. №1. - С. 77-85.

7. Севостьянов B.C. Энергосберегающие помольные агрегаты с внутренним рециклом измельчаемых материалов / B.C. Севостьянов, А.А.Романовнч, И.И. Таргонский, A.A. Гончаров // Стекло и керамика. 1993. - № 4. - С. 28-30.

8. Романович A.A. Критический анализ помольных агрегатов и возможности их совершенствования / A.A. Романович, A.M. Шестаков // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2000. - № 10. - С. 108-110.

9. Гридчин A.M. Энерго-ресурсосберегающие комплексы тонкого и сверхтонкого измельчения материалов / A.M. Гридчин, B.C. Севостьянов, B.C. Лесовик, A.C. Горлов, Д.Н. Перелыгин, A.A. Романович, A.B. Колесников // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2006. - №11-12. - С. 60-68.

10. Гридчин A.M. Исследование процесса измельчения анизотропных материалов в пресс-валковых агрегатах / A.M. Гридчин, B.C. Севостьянов, B.C. Лесовик, Г.М. Редькин, A.A. Романович, A.B. Колесников // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. - №9. - С. 71-78.

11. Романович A.A. Особенности процесса постадийного измельчения материалов с использованием пресс-валкового агрегата // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. - №9. - С. 88-91.

12. Колесников A.B. Определение усилия измельчения анизотропных материалов в пресс-валковом измельчителе / A.B. Колесников, A.A. Романович // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2009. - № 2. - С. 94-97.

П.Романович A.A. Направление совершенствования техники и технологии измельчения материалов с анизотропной текстурой / A.A. Романович, П.В. Алехин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2009. - № 2. - С. 104-106.

14. Романович A.A. Определение усилия измельчения анизотропных материалов в пресс-валковом измельчителе /A.A. Романович, П.В. Алехин, С.А. Мещеряков // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2010. №3- С. 79-82.

15. Романович A.A. Исследование процесса предуплотнения анизотропных материалов в пресс-валковом измельчителе // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. - №1. - С. 56-60.

16. Романович A.A. Энергосбережение при производстве строительных изделий // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. - №3. - С. 69-71.

17. Романович A.A. Исследование влияния скорости вращения валков на выходные показатели процесса измельчения и разработка рекомендаций по повышению износостойкости их рабочих поверхностей // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2011. - №4. - С. 71-73.

18. Романович A.A. Устройство для подачи анизотропных материалов в пресс-валковый измельчитель // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2012. - №7/8.-С.110-116.

19. Романович A.A. Исследование направленной подачи анизотропных материалов в ПВИ с валковым устройством // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2013. - № 6. - С. 125-129.

20. Романович A.A. К вопросу расчета мощности, потребляемой мельницей // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. -№4. - С. 74-77.

21. Романович A.A. Определение центра масс шаровой загрузки первой камеры мельницы, оснащенной лопастными энергообменными устройствами // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2013.-№2(51).-С. 166-171.

22. Романович A.A. Пресс-валковый измельчитель с устройством для дезагломерации материалов/ A.A. Романович, С.А. Мещеряков // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. - № 5. - С. 79-82.

23. Романович A.A. Методика расчета дополнительно потребляемой мощности мельницы, оснащенной ЛЭУ// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2014.-№1,-С. 60-64.

Статьи в журналах, сборниках научных трудов и конференций

24. Sevostianow W. Energiesparende Mahlanggregate mit niedriegen zerk-lenernngs-zykleen / W. Sevostianow,W. Bogdanow, A.Romanovith // XI Internationale Baustff-und Silikattagyng. Ibausil. Weimar, 1991г. -P.233-236.

26. Романович A.A. Некоторые вопросы измельчения материалов в пресс-валковом измельчителе // Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы седьмых академических чтений РААСН / Белго-род.гос. техн. акад. строит, мат. -Белгород. 2001. -Ч. 2. - С. 260-262.

27. Романович A.A. Возможность получения наноматериалов с использованием традиционного помольного оборудования / A.A. Романович, П.В. Алехин, A.B. Колесников, Е.А. Картамышев // «Нанотехнологии - произвол-

ству - 2007». Труды международной нучно-практич.конфе — Москва: Концерн «Наноиндустрия», «Янус-К», 2007. - С. 160-164.

28. Романович А.А. Аналитические исследования процесса предуплот-нения шихты в пресс-валковых агрегатах / А.А. Романович, А.В. Колесников, П.В. Алехин // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии: Сб.докл. Междунар. науч.-практич. конф. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. - Ч. 7. - С. 127-130.

29. Романович А.А. Энергосберегающий помольный комплекс для измельчения анизотропных материалов // Материалы оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы междунар.научн.-техн. конф. М-во образования Респ. Беларусь. Белрус.-Рос. ун-т. -Могилев, 2011- Ч. 2. - С.141-14 Romanovich А.А. The technology of nano-materials obtaining with using of traditional milling equiprnent // International Conférence on European Science and Technology 30-31 Oktober / Munih, Germany, 2012 r. -P. 233-236.

30. Романович А.А. Технологический комплекс для получения тонкодисперсных материалов // Сборник научных трудов SWorld. Материалы междунар. науч.-практич. конф. «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2012». Выпуск 4. Том 6.-Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. - С. 48-52.

31. Романович А.А. Повышения эффективности процесса измельчения материалов с анизотропной текстурой // Сб. научн. тр. SWorld. Материалы междунар. науч.-практич. конф. «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2012». Выпуск 4. Том ll.-Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. -С. 106-113.

32. Романович А.А. Тенденции развития и направления совершенствования помольного оборудования цементных заводов / А.А. Романович, С.А. Мещеряков II Сб. научн. тр. SWorld. Материалы междунар. науч.-практич. конф. «Современное состояние и пути развития 2012». Выпуск 3. Том 30-Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. -С. 63-67.

33. Романович А.А. Определение режима работы измельчителя с устройством для дезагрегации агрессивных материалов // Сборник научных трудов SWorld. -Выпуск 2. Том 7. Одесса: КУПРИЕНКО, 2013. - С. 92-99.

34.Bogdanov V. Définition of Rational Conditions of Materials Grinding in Energy-Saving Milling Complex / V. Bogdanov, A. Romanovich, N.Vorobyov // World Applied Sciences Journal 25(2): 214-221, 2013. -p. 214-221.

35. Романович А.А. Расчет мощности мельницы, оснащенной энергообменными устройствами // Сборник научных трудов SWorld. -Выпуск 3. Том 8. Одесса: КУПРИЕНКО, 2013. - С. 88-95.

36. Романович А.А. Энергосберегающая технология и оборудование для производства композиционных вяжущих материалов и сухих строительных

смесей / A.A. Романович, Е.С. Глаголев, А.Н. Бабаевский // Сборник научных трудов SWorld. -Выпуск 4. Том 15. Одесса: КУПРИЕНКО, 2013. - С. 26-31.

Патентах

37. Патент SU № 1838919 A3 В02С 4/30. Пресс-валковый измельчитель / B.C. Севостьянов, A.A. Романович, Н.П. Несмеянов, H.A. Лазько, О.Т. Зелинский, В.П. Нескромнюк //ДСП №000069 от 13.10.1992 г.

38. Патент SU № 2010603 A3 В02С 4/02. Способ измельчения хрупких материалов / B.C. Севостьянов, A.A. Романович, B.C. Богданов, С.И. Ханин, Н.С. Богданов, B.C. Платонов, Ю.Г. Редько, Н.И. Шевченко // от 15.04.1994 г.

39. Патент SU № 2036006 CI В02С 4/26. Пресс-валковый измельчитель / B.C. Севостьянов, A.A. Романович, Н.П. Несмеянов, Р.Х. Мааев, Р.Х. Наурбн-ев // от 27.05.1995 г.

40. Патент SU № 2030213 CI В02С 4/100. Пресс-валковый измельчитель / B.C. Севостьянов, A.A. Романович, B.C. Платонов, В.П. Козка// от 10.03.1995 г.

41.Патент SU № 2085287 CI В02С 4/100. Пресс-валковый измельчитель / B.C. Севостьянов, А.Г. Минасян, A.C. Литвинов, А.Т. Калашников, A.A. Романович // от 27.06.1997 г.

42.Патент SU № 1823222 CI В02С 4/28. Валковый измельчитель / B.C. Севостьянов, A.A. Романович, B.C. Богданов, В.А. Дубов, A.C. Князев // от 21.02. 2007 г.

43.Патент РФ № 2340398 CI В02С 4/00. Пресс-валковый агрегат / A.M. Гридчин, B.C. Севостьянов, B.C. Лесовик, A.A. Романович, Г.М. Редькин, A.B. Колесников // от 10.12.2008 г..

44. Патент SU № 2412763 CI В02 с 4/00 Пресс-валковый агрегат / A.A. Романович, П.А. Алехин, А.И. Исаев, A.A. Лейба // от27.02.2011 г.

45. Патент SU № 2420355 CI В02 с 4/02. Пресс-валковый агрегат с устройством для подачи анизотропных материалов / B.C. Лесовик, A.A. Романович, П.А. Алехин, Л.Г.Романович// от 10.06.2011г.

46. Свидетельство о регистрации ноу-хау №20130017. Пресс-валковый агрегат с устройством для дезагломерации спрессованных материалов / A.A. Романович, С.А. Мещеряков // от 1.06.2013.

48. Патент SU № 2522799 CI В02С 4/02. Пресс-валковый / A.A. Романович, С.А. Мещеряков, Л.Г.Романович, Н.В. Черкашин, М.А. Романович// от 09.01.2014г.

Научное издание

Романович Алексей Алексеевич

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ АГРЕГАТЫ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ЦЕМЕНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА С АНИЗОТРОПНОЙ

ТЕКСТУРОЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 23.09.2014. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 2,4. Тираж ISO экз. Заказ № 2S2.

Отпечатано в БГТУ им В Г Шухова, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

-12212

2014157119