автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование рабочего процесса мельницы с деформируемой помольной камерой

Министерство образования и культуры Республики Казахстан

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛОЗОВАЯ Светлана Юрьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА МЕЛЬНИЦЫ С ДЕФОРМИРУЕМОЙ ПОМОЛЬНОЙ КАМЕРОЙ

О 5. 02. 13 - Машины и агрегаты (промышленность строительных материалов и изделий)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель канд. техн. наук,

^ профессор А. К. Гельцер

Усть-Каменогорск 1997 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................. 3

1 Анализ способов, конструкций и методов расчета машин для тонкого измельчения материалов........... 5

1.1 Теоретические основы процесса сверхтонкого измельчения материалов................................5

1.2 Способы и средства измельчения, конструкции мельниц и пути

их совершенствования............ . 14

Выводы по главе................ 37

2 Кинематика, силовые, энергетические параметры и прочность мельницы с деформируемой помольной камерой....... 39

2.1 Анализ процесса движения и измельчения материала в мельнице

с деформируемой помольной камерой ........ 39

2.1.1 Анализ кинематики движения шаровой загрузки ... 39

2.1.2 Определение сил сопротивления при измельчении ... 40

2.1.3 Расчет потребляемой мощности........ 46

2.2 Прочностной расчет деформируемого корпуса..... 49

2.2.1 Расчет на прочность при кручении приопорных участков корпуса с учетом эллипсоидальности его поперечного сечения

от сжатия обкатывающими роликами ........ 49

2.2.2 Проверка прочности и оценка максимальной деформируемости корпуса в отсутствие роликов, когда поперечное сечение представляет собой круг, радиусом Я . . 53

2.2.3 Экспериментально-теоретическое определение модуля упругости материала корпуса.......... 62

2.3 Алгоритм расчета параметров мельницы с деформируемой помольной камерой............... 63

Выводы по главе........ ....... 68

3 Экспериментальные исследования процесса помола в мельнице с деформируемой помольной камерой и результаты внедрения ... 70

3.1 Исследование процесса движения шаровой загрузки в мельнице

с деформируемой помольной камерой......... 70

3.2 Методика натурных экспериментальных исследований ... 73

3.3 Экспериментальная проверка основных параметров мельницы с деформируемой помольной камерой......... 95

103

3.4 Рекомендации по конструированию деформируемого корпуса . ^

3.5 Внедрение мельницы с деформируемой помольной камерой на

АО "КЕРАМИКА" г. Усть-Каменогорска..........104

Выводы по главе................ . юз

Основные результаты, выводы и направление дальнейших исследований................. 106

Литература.................108

Приложение А................118

Приложение Б..................128

Приложение В.................. 132

ВВЕДЕНИЕ

В Основных направлениях экономического и социального развития Республики Казахстан до 2000 года [1] Высшим консультативным советом, согласно Указу Президента Республики Казахстан от 6 декабря 1994 г. и в соответствии с законом "О науке и научно-технической политике", произведен анализ и выбор приоритетов развития собственных научно исследовательских разработок, к одним из которых отнесено комплексное использование минерального сырья на основе ресурсосберегающих высокоэффективных технологий горно-металлургического комплекса.

Намечено расширить исследования, результаты которых позволят создать принципиально новые виды техники и технологии, повысить производительность труда, поднять эффективность использования ресурсов и снизить энерго- и материалоемкость производства.

Совершенствование энергоемких процессов тонкого измельчения материалов является важнейшей проблемой. В настоящее время в промышленности подвергается помолу более миллиарда тонн порошков. При этом энергозатраты на их производство составляет около 20 процентов общего потребления электроэнергии, а в результате износа рабочих органов помольных машин ежегодно теряется несколько миллионов тонн высококачественных сталей [2].

Качество продукции ряда отраслей промышленности, прежде всего строительной, промышленности строительных материалов, дорожного строительства, горной, химической и др. во многом зависит от качества исходного сырья, в особенности от его крупности. Это связано с тем, что скорость процессов с участием веществ в твердом состоянии пропорциональна величине площади поверхности частиц и поэтому резко возрастает с повышением дисперсности порошков. Тонкое измельчение ведет к повышению однородности порошкообразных смесей, что позволяет получать более высококачественные материалы: бетоны, растворы, наполнители, пигменты, красители, керамические, металлокерамические и др. [3-6]. Значение процесса тонкого помола материалов возрастает также в связи с проблемой переработки и утилизации промышленных отходов и создании безотходных производств. [7,8].

С увеличением дисперсности конечных продуктов производительность процесса тонкого помола материалов резко снижается при одновременно повышении энергозатрат, а начиная с некоторой предельной для данного материала дисперсности дальнейшее измельчение становится невозможным [9, 10]. Применяемые в настоящее время в промышленности мельницы для тонкого помола имеют ряд недостатков. Основные из них - большая энергоемкость процесса помола, низкая удельная производительность, быстрый износ мелющих тел, засорение продукта материалами футеровок и измельчающих тел и др. [11, 12]

В связи с выше изложенным, совершенствование помольного оборудования, применение более эффективных и экономичных способов измельчения является актуальной задачей.

Как показал проведенный обзор и анализ известных решений, одним из наиболее перспективных направлений решения поставленной задачи по снижению энергоемкости процесса тонкого помола материалов повышения его эффективности является применение высокочастотных раздавливающе-истирающих воздействий на частицы измельчаемого материала в мельнице с деформируемой помольной камерой.

Научная новизна работы представлена: конструкцией мельницы с деформируемой помольной камерой; моделью процесса движения идеализированной шаровой загрузки в мельнице с деформируемой помольной камерой; аналитическими зависимостями расчета кинематических параметров движения шаровой загрузки в мельнице; выражением для расчета потребляемой при измельчении мощности; уравнениями, позволяющими оценить напряженное состояние материала корпуса при кручении; зависимостями, устанавливающими связь между напряжением и деформацией корпуса мельницы; регрессионными моделями, определяющими влияние основных факторов (частота вращения роликов, размер мелющих тел, степень заполнения материалом корпуса) на процесс измельчения в мельнице с деформируемой помольной камерой.

Практическая ценность работы заключается в разработке мельницы с деформируемой помольной камерой; разработке рекомендаций по методике расчета рациональных конструктивных и технологических параметров и режимов работы мельниц с деформируемой помольной камерой.

На защиту выносятся: принципиальная конструкция мельницы с деформируемой помольной камерой; модель процесса движения идеализированной шаровой загрузки в мельнице с деформируемой помольной камерой; методика для расчета потребляемой при измельчении мощности; уравнения, позволяющие оценить напряженное состояние материала корпуса при кручении; зависимости, устанавливающие связь между напряжением и деформацией корпуса мельницы; регрессионные модели, определяющие влияние основных факторов (частота вращения роликов, размер мелющих тел, степень заполнения материалом корпуса) на эффективность процесса помола; методика расчета рациональных параметров и режимов работы шаровых мельниц с деформируемой помольной камерой.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре "Строительные, дорожные и подъемно-транспортные машины" Восточно-Казахстанского Технического Университета под научным руководством к.т.н., профессора А.К. Гельцера.

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА МАШИН ДЛЯ

ТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Теоретические основы процесса сверхтонкого измельчения

материалов

В настоящее время научная теория не позволяет с достаточной точностью определить характеристики промышленных мельниц для тонкого помола, способных измельчить исходный продукт до частиц требуемой дисперсности. Создание каждого нового типа измельчителя требует повторения всего пути от модели до промышленного образца.

Большой вклад в разработку теории разрушения материалов и создание отечественной помольной техники внесли ученые и конструкторы: П.А. Ребиндер, В.В. Кафаров, С.Е. Андреев, В.А. Бауман, И.И. Блехман, В.И. Блиничев, B.C. Богданов, И.Ф. Гончаревич, Н.Г. Картавый, Л.Б. Левенсон, А.Д. Лесин, Л.М. Моргулис, A.M. Механиков, В.М. Осецкий, В.Л. Петров, В.В. Товаров, Г.С. Ходаков, С.Ф. Шинкоренко, В.И. Акунов, Л.П. Бушуев, Л.П. Зарогатский, В.У. Климович и др. Из зарубежных исследований наиболее известны работы Ф. Бонда, Р. Гийо, А. Линча, Е. Раммлера, Г. Румпфа, Г. Роуза, И. Рича, П. Розина, М. Пападакиса, У. Чарльза, Г. Уайта и др.

Процесс измельчения заключается в разрушении твердых тел последовательной серией механических воздействий [13]. При этом на процесс влияют различные факторы, связанные со свойствами разрушаемого материала, параметрами применяемого измельчителя и др. Конечный результат измельчения зависит, главным образом, от затраченой энергии [1416]. Выражение, характеризующее взаимосвязь между дисперсностью измельченного твердого тела и затратами энергии на процесс измельчения, принято называть законом измельчения [16-18].

Существующие работы в области изучения процессов измельчения можно условно разделить на три основные группы:

1 Исследования по изучению закономерностей изменения гранулометрического состава измельчаемого материала.

2 Исследования по установлению зависимости между дисперсностью твердых тел и затратами энергии на их измельчение.

3 Исследования в области механики измельчителей, связанные с оптимизацией существующих и созданием новых методов измельчения и конструкций измельчителей.

В настоящее время, несмотря на определенные успехи, достигнутые в понимании механизма разрушения твердых тел, еще не разработана теория, которая бы объясняла процесс измельчения в полном объеме и основывалась бы на достаточно точных математических зависимостях для расчета энергии,

потребной на измельчение. В работах [11-54] приведен обзор и сделан подробный анализ существующих гипотез, с помощью которых пытаются объяснить процесс измельчения.

К первой группе работ относятся следующие теории[13]:

В 1926 году Годен предложил формулу для определения гранулометрического состава Ск, но она применима только для малых и средних значений Ск и непригодна для крупных фракций.

<|л>

где К - размер частицы;

Ко - общий вес той фракции продукта измельчения, размер частиц которой меньше или равен К;

п - параметр.

А формула Розена-Раммлера применима практически для всех измельчителей.

Ск = 1-е^ . (1.2)

Формулы Годена и Розена - Раммлера не являются универсальными, однако применимы в большинстве случаев, поэтому получили развитие в дальнейших исследованиях (Нагакава, Бреннер и Видмайер и др.).

Нельзя определить гранулометрический состав на всех стадиях измельчения с помощью простой формулы, т.к. приходится прибегать к очень сложным математическим зависимостям для выражения всей совокупности законов и особенностей процесса измельчения.

По Бреннеру и Видмайеру, гранулометрическая зависимость Розена -Раммлера представляет равновесное состояние измельченного материала, к которому приближается действительное распределение материала по крупности.

Седлачек и Басс считают, что формула Розена - Раммлера имеет два недостатка:

1 В уравнение не входит фактор времени, поэтому ее константы должны определяться для каждой продолжительности измельчения;

2 Уравнение не учитывает возрастающего изменения крупности исходного материала и не может быть приложено в какой-то определенный момент времени после начала измельчения. Поэтому они попытались разрешить проблему с помощью теории, основанной на вероятности встречи измельчаемых частиц и мелющих тел. В этой теории находит свое математическое выражение процесс измельчения в зависимости от времени, в

нее введены два вида параметров, относящихся соответственно к воздействиям сил измельчения и к способу измельчения частиц.

Свенсен считал (1955) формулы Годена и Розена - Раммлера имеющими ограниченное применение и являющимися частными случаями более общей формулы гранулометрического состава:

Ск=т£.

(1.3)

где

ЩХ) =

\е'У"с1х

_о_

Г

е 'йх

1 (1.4)

При р = О первое уравнение превращается в формулу Годена, а при р = 1 это уравнение превращается в формулу Розена - Раммлера.

Формула Свенсена была проверена экспериментами, которые показали возможность ее применения к очень большому числу гранулометрических составов. Для материалов неплотной структуры, которые раскалываются легче вдоль границ частиц, чем поперек них, получают типично аномальные кривые. То же самое происходит при прохождении продукта через узкое отверстие. Это может быть выражено математически сочетанием двух нормальных составов (новую формулу можно рассматривать как удовлетворительный синтез существующих сведений о гранулометрическом распределении продукта) [22].

Г V л

К

щ

Г Тг \

+ 12ЕР2

К

V К02;

и2

(1.5)

А.Линч в своей работе [25] приводит график (рис. 1.1), отражающий соотношение между потреблением энергии и крупностью частиц в различных измельчительных процессах (вторая группа теорий). Из него следует , что получение продукта крупностью менее 15-20 мкм вызывает повышенные трудности как по энергетическим соображениям, так и по самой возможности достижения такой дисперсности в существующих измельчителях.

При сверхтонком помоле нарушается прямая пропорциональная зависимость между увеличением удельной поверхности размалываемого материала и удельной энергией, затрачиваемой на измельчение, которая вытекает из закона Риттингера [22]. На определенной стадии помола прекращается увеличение удельной поверхности, а в некоторых случаях наблюдается даже ее уменьшение. Это явление объясняется возникновением агрегирования (агломерации). Первым исследователем, попытавшимся изучить это явление с количественной стороны, был Пападакис [51]. Он

установил, что в определенный момент времени измельчения наибольшая часть полезной работы мельницы затрачивается на образование и разрушение агломератов, т.е.

о !л 4\ К Р тлъ( п В^ ^ В\¥ ,,

$ = (1-А)—— —т-г--7-г, (1.6)

^ ЗРвп { ° 1ов(1 -А)) 108(1-4' 1 '

где 5 - площадь поверхности частиц в определенное время г; А- коэффициент способности к агломерации; р- объемный вес шаров. Рв - общий вес шаров; п - частота вращения мельницы в об/сек; Б- диаметр шара;

первоначальная поверхность частиц; В- коэффициент способности к разрушению; IV- элементарная работа одного шара.

2 2 2

н 1? *н

Оч О)

я

Г)

(и

ю <и

I

ю6 105 ю4 103 ю2 ю1 10° ю-1

\ \ \ \ \ \ к

1 ч . V \ \ \ \

\ \ \ \ V N 4

ч \ ч - \ Ч X —ф.

1 N ч >> 5

3 ^ кЧ 6

* «К» ч.

ю-4 ю-3 Ю-2 ИИ 10° 101 102 103 104 Крупность частиц, мкм

105 10б ю7

1 - закон Риттингера ; 2 - плохо изученный диапазон крупности частиц; 3 - закон Бонда ; 4 - обычный диапазон измельчения ; 5 - обычный диапазон дробления ; 6 - закон Кика.

Рисунок 1.1- Соотношение между потреблением энергии и крупностью частиц в различных измельчительных процессах.

По мнению Пападакиса [51], первоначальная поверхность частиц относится к зернам, заключенным в определенном (средне возможном) объеме, внутри которого происходит измельчение. При работе мельницы в измельчении принимает участие только половина шаровой загрузки. Коэффициент агломерации постоянный, изменяющийся от 0 (отсутствие агломерации) до 1 (весь материал агломерирован). В области дисперсности более 1...2 м2/г явление агрегирования приводит к значительному искажению результатов измельчения и какая-либо трактовка их без учета этого факта становится невозможной. Работа на образование и разрушение агрегатов зависит от дисперсности порошка [26-28].

По мнению Г.С. Ходакова [27-28], С.Ф. Шинкоренко [29-30] и ряда других исследователей [31-39], основными факторами, влияющими на уровень потребления энергии в процессе сверхтонкого измельчения материалов, являются:

- крупность зерен (масштабный фактор);

- проявление пластических деформаций;

- трение тонких частиц материала;

- образование и разрушение агрегатов.

Ими же установлено, что эффективность удара с ростом дисперсности частиц уменьшается вследствие увеличения затрат энергии на разрушение вторичных структур (агломераты), возникающих в порошке. Порошок достаточно высокой дисперсности по отношению к внешнему воздействию ведет себя подобно вязкой жидкости. С увеличением удельной поверхности порошка число контактов в нем растет и, соответственно, повыш