автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Пневмоструйная мельница с эффектом самофутеровки помольной камеры

ПНЕВМОСТРУЙНАЯ МЕЛЬНИЦА С ЭФФЕКТОМ САМОФУТЕРОВКИ ПОМОЛЬНОЙ КАМЕРЫ

05 02 13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 2007

003162447

Работа выполнена на кафедре «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций» Белгородского государственного технологического университета им В Г. Шухова

Научный руководитель д-р техн наук, доцент В А Уваров

Официальные оппоненты д-р техн наук, проф.

Федосов Сергей Викторович, Ивановская государственная архитектурно-строительная академия;

д-р техн наук, проф. Сиваченко Леонид Александрович, ГУВПО Белорусско-Российиский университет.

Ведущая организация Московский государственный

строительный университет

Защита диссертации состоится «21» ноября 2007г в Ю00 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 Гк128)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им В Г Шухова

Автореферат диссертации разослан « » октября 2007г

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн наук, доцент В А Уваров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эффективность производства и необходимость повышения дисперсности строительных и отделочных материалов различных отраслей промышленности связаны с совершенствованием существующего и созданием нового оборудования и технологий для тонкого и сверхтонкого измельчения

Всестороннее критическое изучение современного оборудования позволяет устранить основные недостатки и слабые места, а также определить пути развития новой техники и технологий Поэтому, совершенствование помольного оборудования, а также применение более эффективных и экономичных способов измельчения является актуальной задачей

К настоящему времени одним из перспективных способов тонкого и сверхтонкого измельчения является пневмоструйное измельчение материалов, реализуемое в мельницах струйной энергии

Эффективность таких мельниц обуславливается отсутствием не только мелющих тел, но и каких-либо движущихся частей Процесс измельчения может сочетаться со смешением, сушкой, обжигом, синтезом и другими технологическими операциями

На наш взгляд, одним из самых перспективных типов таких мельниц являются пневмоструйные мельницы с отбойной плитой Они имеют некоторые преимущества по сравнению с противоточными струйными мельницами более простая конструкция, на 50% меньший расход энергоносителя в силу применения одного единственного рабочего сопла и, соответственно, меньший удельный расход энергоносителя Однако, главным недостатком, сдерживающим продвижение данного измельчителя на рынке, является повышенный износ отбойной плиты и, как следствие, загрязнение готового продукта частицами ее износа

В предлагаемой конструкции пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры, в которой роль отбойной плиты выполняет футеровочная поверхность, образованная из частиц того же материала, имеет преимущество перед традиционным измельчением материала, которое заключается в устранении механического износа отбойной плиты, что, в свою очередь, приводит к существенному снижению примесей в готовом продукте

Поскольку предлагаемая конструкция пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры обладает новизной, к настоящему времени отсутствуют теоретические выкладки, позволяющие рассчитать ее конструктивно-технологические параметры, чему и посвящена данная работа

Цель работы - разработка методики расчета, исследование и получение рациональных технологических и конструктивных параметров пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры, обеспечивающих повышение эффективности помола Задачи исследований.

1 Провести анализ различных конструкций современных помольных установок, выявить их достоинства и недостатки, а так же основные пути совершенствования пневмоструйных мельниц

2 Привести аналитические выражения для определения основных геометрических размеров помольной камеры пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки

3 Получить выражение для определения силы сопротивления частицы материала в рыхлой сыпучей среде в рамках трехмерной модели

4 Получить уравнение движения частицы в сыпучем материале, определяющее максимальную глубину конуса разрушения, образующегося в результате измельчения

5 Привести аналитические выражения для определения величины деформации в случае лобового удара двух частиц сферической формы

6. Получить выражение для определения значений критических скоростей, при которых происходит разрушение материала о футеровочную поверхность

7 Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессионные зависимости производительности, величины удельной поверхности и расхода энергоносителя от входных конструктивно-технологических факторов

8 Разработать и изготовить новый образец помольного комплекса, оснащенный патентно-чистой конструкцией пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры и провести экспериментальную проверку в промышленных условиях разработанной методики расчета

9 Осуществить промышленное внедрение пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры

Научная новизна заключается в получении

— аналитических выражений для нахождения геометрических размеров помольной камеры пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки,

- величины силы сопротивления частицы материала в рыхлой сыпучей среде в рамках трехмерной модели,

— аналитического выражения, определяющего максимальную глубину конуса разрушения, образующегося на футеровочной поверхности в результате измельчения,

- аналитического выражения для определения величины деформации в случае лобового удара двух частиц сферической формы,

- выражений для определения значений критических скоростей, при которых происходит разрушение материала о футеровочную поверхность,

- уравнений регрессии, позволяющих определить рациональные режимы процесса измельчения в пневмоструйной мельнице предложенной конструкции,

- новой патентно-чистой конструкции пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры

Практическая ценность работы заключается в расчете конструктивно-технологических параметров пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры и рекомендациях по выбору рациональных технологических режимов ее работы в составе малотоннажных технологических комплексов по производству сухих строительных смесей, а также в разработке новой патентно-чистой конструкции пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры и ее внедрении в промышленное использование

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на следующих научно-технических конференциях II Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (2004, г Белгород), Межрегиональной научно-технической конференции с международным участием «Механики — XXI веку» (2005, г Белгород), Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (2006, г Брянск), Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (2007, г Белгород) Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций» в сентябре 2007 года

Реализация работы. Диссертационная работа выполнялась в БГТУ им В Г Шухова в рамках Межвузовской научно-технической программы «Инновационная деятельность высшей школы» Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса измельчения, методики расчета рациональных конструктивных и технологических параметров, разработанный вариант пневмоструйной мельницы с эффектом -самофутеровки помольной камеры внедрены в промышленных условиях в ОАО «Стройматериалы» (г Белгород), а также в учебный процесс Белгородского государственного технологического университета им В Г Шухова на кафедре «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций»

Публикации. По результатам работы опубликовано 8 статей, получено 2 патента РФ

1) Патент РФ № 46203, кл В02С 19/06 «Разгонная трубка эжектора» опубл в БИ№18 27 06 2005 г

2) Патент РФ № 49736, кл В02С 19/06 «Струйная мельница с самофутерующейся камерой помола» опубл в БИ №34 10 12 2005 г

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные выводы, рекомендации и направления дальнейших исследований Работа включает 156 страниц, в том числе 142 страницы машинописного текста, 7 таблиц, 57 рисунков, список литературы из 120 наименований и приложение на 2 страницах

На защиту выносятся:

- аналитическое выражение, определяющее максимальную глубину конуса разрушения, образующуюся на футеровочной поверхности в результате измельчения,

- математическое выражение для определения величины деформации в случае лобового удара двух частиц сферической формы,

- выражение для определения значений критических скоростей, при которых происходит разрушение материала о футеровочную поверхность,

- расчет конструктивно-технологических параметров помольной камеры пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки,

- регрессионные модели, определяющие влияние основных факторов, обуславливающих протекание процесса измельчения, на производительность мельницы, удельную поверхность получаемого продукта и объемный расход энергоносителя,

- теоретически обоснованное конструктивное решение пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры, позволяющее повысить эффективность процесса измельчения мраморной крошки для производства сухих строительных смесей

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи работы, указана научная новизна, практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту

В первой главе рассмотрены основные направления развития и совершенствования техники и технологии тонкого и сверхтонкого измельчения Установлено, что при всем разнообразии существующих типов помольного оборудования, одним из перспективных видов оборудования для тонкого и особенно сверхтонкого измельчения являются пневмоструйные мельницы

Предложена новая патентно-чистая конструкция пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры (рисунок 1), предназначенная для эффективного измельчения различных сыпучих материалов, а также запатентованный разгонный узел, позволяющий ускорить и упростить процесс замены футеровки разгонных трубок

Установлены положительные стороны пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры: несложная конструкция; простота в эксплуатации; долговечность, а также возможность совмещения в одном аппарате нескольких процессов: сушки, размола, сепарации и, при необходимости, смешения нескольких компонентов.

самофутеровки помольной камеры:

I — загрузочная воронка; 2 - источник энергоносителя с соплом; 3 - разгонный учел; 4 - камера помола с эффектом самофутеровки; 5 - патрубок пылеуноса; 6 - емкость с измельчаемым материалом; 7 - сепаратор; 8 - воздуховод; 9 циклон; 10 эжекторный узел;

II - патрубок возврата недоизмельченного материала; 12 - вентилятор; 13 - воздуховод; 14- рукавный фильтр; 15-рама.

Пневмоструйная мельница с эффектом самофутеровки помольной камеры работает следующим образом. Перед первым пуском мельницы емкость 6 заполняется измельчаемым материалом (например, мраморной крошкой, комовой известью, щебнем и т.д.), выполняющим роль футеровки. Последний через загрузочную воронку 1 под действием силы тяжести поступает в эжекторный узел 10, а затем в разгонный узел 3.

Материал, подхватываемый сжатым воздухом, истекающим из сопла 2, разгоняется в разгонном узле 3 и, попадая в камеру помола с

эффектом самофутеровки 4, ударяется о поверхность из частиц измельчаемого материала, поступающего по мерс износа из емкости 6 и выполняющего роль футеровки. Измельченный продукт за счет разряжения, создаваемого вентилятором высокого давления 12, по патрубку пылеуноса 5 поднимается в сепаратор 7, где происходит двухстадийное разделение пылегазовой смеси: готовый продукт с энергоносителем уносится разряжением через воздуховод 8 в циклон 9, а недоизмельченный материал по патрубку возврата 11 из сепаратора 7 под действием силы тяжести поступает на повторное измельчение.

Применяя пневмоструйную мельницу с эффектом самофутеровки для получения тонкодисперсных порошков мрамора, мы исключаем износ отбойной плиты, но остается разгонный узел - также подвергающийся повышенному абразивному износу.

Для снижения трудоемкости эксплуатации футеровочных колец, ускорения и упрощения процесса замены футеровки нами была запатентована и реализована в вышеописанной мельнице конструкция «Разгонной трубки эжектора», изображенная на рисунке 2.

Рисунок 2. Разгонная трубка эжектора: 1 - нижняя часть корпуса; 2 — верхняя часть корпуса; 3 - зажимы; 4 - ручка; 5 - футеровочные кольца; 6 - корпус эжектора; 7 - сопло; 8 - фланец,

Замена футеровочных колец производится следующим образом: прекращают подачу материала в корпус эжектора 6 и отжимают два зажима 3. При помощи ручки 4 снимают верхнюю часть корпуса 2. Изношенные футеровочные кольца 5 извлекают, а на их место укладывают новые.

Таким образом, использование пневмоегруйной мельницы с эффектом самофу]еровки помольной камеры позволяет повысить надежность работы и увеличить срок эксплуатации мельницы, а также исключить простои мельницы, связанные с заменой отбойной плиты и футеровки разгонного узла. Вместо замены отбойной плиты, достаточно просто добавлять измельчаемый материал в емкость 6 по мере его расходования.

На основании вышеизложенного обозначены цели и задачи диссертационной работы

Во второй главе представлены выражения для определения геометрических параметров помольной камеры, а также математическое описание процесса движения частицы материала в помольной камере с самофугерующейся отбойной поверхностью

Основываясь на предложенной в главе 1 конструкции пневмоструйной мельницы, рассмотрим основные конструктивные параметры, влияющие на ее работоспособность, к которым следует отнести- диаметр с1ю длину /к и высоту Ик помольной камеры Для определения вышеуказанных параметров воспользуемся схематичным изображением струи в помольной камере, представленным на рисунке 2

Рассмотрим процесс движения двухкомпонентной смеси по разгонному узлу до момента удара о поверхность с футеровочным материалом При попадании эжектарованных твердых частиц в струю энергоносителя происходит разгон этих частиц потоком Движущиеся в струе по разгонной трубке частицы измельчаемого материала приобретают на входе в помольную камеру скорость, которая ниже скорости энергоносителя После выхода из разгонной трубки, при переходе газовой струи в камеру помола, скорость энергоносителя начинает падать Для того, чтобы избежать нежелательного для эффективности помола торможения частиц измельчаемого материала, расстояние 1К между срезом разгонной трубки и плоскостью, образованной насыпным слоем футеровочного материала в помольной камере должно выбираться из соображений сохранения максимальной скорости частиц материала

Рисунок 3 Схема струи энергоносителя в помольной камере В предложенной Акуновым В И методике расчета струйных мельниц это расстояние рекомендуется выбирать равным

'к

lK = 2,22 ■ d,v = 4,44 • rTp, (1)

где dyP - диаметр разгонной трубки, м ,

r-rp - радиус разгонной трубки, м. Если предположить, что рассеивание энергоносителя после выхода из разгонной трубки является изотропным в плоскости, перпендикулярной направлению движения, тогда струю энергоносителя в помольной камере представим в виде усеченного конуса ММ\КК\ (см. рисунок 3). Результатом пересечения усеченного конуса с наклонной плоскостью ВОВ\, образованной насыпью из футеровочного материала, является овал ВВхОААх, у которого OA=OAi=OK, а ОВ>ОВ\

При определении минимального диаметра помольной камеры необходимо учитывать, что величина гк - радиус помольной камеры должна быть больше отрезка ОА на величину ¿к - зазор между факелом двухфазной смеси и стенкой помольной камеры, причем.

8К = 10% • ОА (2)

Таким образом-

dK = 2 (О А + 8К) = 2,2 О А (3)

Определим длину отрезка ОА

О А = ОК — гтр • (1 + 4,44 • tga). (4)

Под а' будем понимать половину угла разлета струи Для осесимметричной затопленной струи, развивающейся, как в нашем случае, в условиях затрудненного доступа затопляющей среды, истекающей из разгонной трубки, а'—11°20\ Подставляя (4) в (3), приходим к результату

dK = 2,2 TV (1 + 4,44 tga) (5)

Минимальная высота помольной камеры, согласно расчетной схемы на рисунке 1, будет равна-

hK = 2(BF + S) = 2(0В sin-ф + 5), (6)

где {/у - угол естественного откоса материала, например, для мраморной крошки у/=43°

По теореме синусов длина отрезка ОВ будет равна

cosa , ,

ОВ = гтр(1 + 4,44 • tga ) Sln(jp _ (?)

Тогда, с учетом (2), (4) и (7), выражение (6) можно записать в следующем виде.

/cosa" simb \ к = 2гтр (1 + 4,44 - {sm(xp_J) + од) (8)

Таким образом, задавая такие конструктивные параметры, как диаметр разгонной трубки, угол разлета струи, а также технологический параметр — угол естественного откоса футеровочного материала, можно рассчитать основные геометрические размеры помольной камеры пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки

При описании процесса движения частицы материала в помольной камере с самофугерующейся отбойной поверхностью принебрегаем взаимодействием частиц вещества на пути их подлета к поверхности с футеровочным материалом; значением силы трения о стенки помольной камеры и патрубок пылеуноса; не учитываем поле скоростей, создаваемое сепаратором и вентилятором высокого давления; поверхность, образованную футеровочным материалом аппроксимируем в виде наклонной плоскости с углом наклона у к горизонтальной плоскости; считаем, что футеровочный материал состоит из сферических частиц равного радиуса

Для выявления аналитического выражения, определяющего максимальную глубину конуса разрушения, образующегося на футеровочной поверхности в результате измельчения, рассмотрим уравнение, описывающее движение частицы материала в сыпучей среде.

На основании второго закона Ньютона движение частицы внутри насыпного материала описывается следующим уравнением-

М

С9)

гдетпг - масса частицы, влетевшей в сыпучую среду, кг,

4

т1 = -пг?р, (10)

здесь р - плотность частицы, кг/м3 ;

г\ - радиус налетающей частицы, м. Параметр /1 в выражении (9) представляет собой силу сопротивления, возникающую в рыхлой сыпучей среде при внедрении в нее частиц материала, равную.

fc=^l^N+C■Sí+^Y■Sí■дг, (И)

где ц - коэффициент внутреннего трения, N - сила нормального давления, Н;

С - величина силы сцепления, приходящаяся на единицу площади, на которой происходит сдвиг, Н/м2,

площадь контакта внедряемой частицы материала, м2, у - насыпная плотность материала, кг/м3,

19 - скорость движения частицы материала на подлете к футеровочной поверхности, м/с Далее, если учесть, что

йд сШ йх <1д

М ах аь ах гдедс - координата, вдоль которой осуществляется проникновение частицы в сыпучую среду, м

Тогда учет соотношений (10), (11) приводит уравнение (9) к следующему виду:

4 йд 1

-пг?р-д .-=-цИ- СБ1 --у8гд2 (13)

В уравнении (13) перейдем к безразмерным переменным, согласно соотношениям-

д = £0 IV, (14)

* = гг (15)

гдет90 - скорость частицы материала перед началом движения в сыпучей среде, м/с,

У/ — безразмерная скорость частицы материала перед началом движения в сыпучей среде,

£ — безразмерная координата, вдоль которой осуществляется проникновение частицы в сыпучую среду

Подстановка (14) и (15) в выражение (13) приводит к уравнению, описывающему движение частицы материала в сыпучей среде относительно безразмерных величин Щ и £

И?-=-А-ВШг, (16)

где А и В - безразмерные параметры, которые, соответственно, равны 3(цМ + С^) А =-—52-' С17)

3 / А ^ В 'м

здесь Яд - площадь поверхности движущейся частицы материала, м С математической точки зрения выражение (16) представляет собой дифференциальное уравнение первого порядка с разделяющимися переменными После разделения переменных, вычисления интегралов и потенцирования его можно привести к следующему виду

А + В И/2 ,„, „ ч

Полученное соотношение (19) в неявном виде определяет закон изменения безразмерной скорости частицы материала в случае движения последней в рыхлом сыпучем слое, когда размер налетающей частицы гх много больше размера частиц г2, образующих футеровочную поверхность, а также в случае внедрения в насыпную среду между горизонтальными слоями частиц, когда запас кинетической энергии движения недостаточен для разрушения частицы

В случае, если футеровочная поверхность будет образована из частиц материала, размер которых соизмерим с размером налетающей частицы, тогда уместно ввести понятие глубины конуса разрушения, образующегося в процессе измельчения Под глубиной конуса разрушения будем понимать максимальное расстояние на котором начальное значение скорости (большее или равное скоросга, при которой происходит выбивание или разрушение материала) уменьшается в е раз Следовательно

= к)

= e

w{¡; = o)

На основании выражений (19) и (20) можно записать

{А + В) e-2B[i - А

В

1 е

(20)

(21)

Решив уравнение (21) относительно величины 1г приходим к результату

к

„ , (А е2 + В\ 2~ln( А + В )

2 В

(22)

Подстановка (17) и (18) в (22) с учетом у — р приводит к соотношению

/

,_Но ll~3 Г,

i +

2 — ínl

2т е2 Р ^

Л

1 +

2т

(23)

Параметр т представляет собой равновесное напряжение, возникающее в сыпучем материале, определяемое из выражения

т = ¡и • <т0 + С, (24)

где сг0 - статическое напряжение в сыпучем материале, Па В нашем случае величину к можно трактовать как глубину проникновения налетающей частицы в слой футеровочного материала, с помощью которой можно определить необходимую толщину футеровочного слоя во избежание износа задней стенки бункера с футеровочным материалом

Для анализа выражения (23) построим график функции i, r¡(r¡/r2) для г2=3,4 и 5 мм

h-ri, мм 120

90

60

30

1 - Г2 = 3 ММ

2 - гг = 4 мм

3 - Г2 = 5 мм

0,2 0,4 0,6 0,8 1 п/гг Рисунок 4 График зависимости глубины конуса разрушения от отношения радиусов налетающей и покоящейся частиц гх1гг при различном дисперсном составе частиц футеровочного материала

Из приведенного на рисунке 4 графика следует, что использование при измельчении налетающей частицы размером гг равным или большим, чем размер неподвижных частиц г2 является нецелесообразным в силу того, что в этом случае максимальная глубина воронки, образующейся при разрушении, будет превышать ширину бункера с материалом. Это означает, что преградой для летящих частиц будет являться не слой материала, а задняя стенка бункера. Также стоит отметить, что глубина воронки растет и с увеличением размера измельчаемых частиц

Для определения величины деформации в случае лобового удара двух частиц сферической формы воспользуемся глубиной зоны деформации к, которая образуется в результате соударения частиц материала в месте их контакта:

15шг • ш2 ■

' + г2 1 - V2

(25)

8(771! + Ш2) • V»! " Г2 Б гдеу - коэффициент Пуассона,

тп2 - масса покоящейся частицы с радиусом г2, кг, Е - модуль Юнга, Па. Если выразить массы частиц т^ и т2 через объем и плотность, то выражение (25) можно привести к виду.

h —

5тг 2

1 +

Е

= S-г,.

(26)

Легко убедиться, что величина 8, назовем ее величиной деформации, является безразмерной величиной График зависимости величины деформации <5 от безразмерного параметра г^г2 приведен на рисунке 5 51

0,160

1-0О = 60 м/с

2-<?0 =80 м/с 3 —190 = 100 м/с

0,2 0,4 0,6 0,8 1 п/п

Рисунок 5 График зависимости величины деформации S в безразмерных единицах от отношения радиусов налетающей и покоящейся частиц г\!гг

Как следует из графика, максимальная величина деформации и, следовательно, вновь образованная поверхность, согласно кривым зависимости на рисунке 5 достигается при значении параметра г]/г2=0,48. При этом, максимальное значение величины деформации тем больше, чем больше начальное значение скорости движения налетающей частицы.

Вышеупомянутая зона деформации образуется за счет сил сжатия, действующих вдоль направления движения частицы радиуса гх и сил расширения в перпендикулярном направлении

При расширении, под действием введенной энергии, совершается работа, затрачиваемая на разрушение материала частиц, благодаря «прорастанию» трещин из зоны деформации, и образованием новой поверхности. Работа по расширению зоны деформации, за счет введенной энергии Т равна

ЗУ-/2 (1-2у) , ч

Л = Г-Т---(27)

где а - коэффициент объемно-энергетического расширения,

V— объем зоны деформации, м3,

/ - обобщенная термодинамическая сила, которую можно определить из условия равенства сил сжатия и растяжения на цилиндрической поверхности зоны деформации;

Т - кинетическая энергия налетающей частицы, Дж После несложных математических преобразований, получаем

3

(28)

Р1(у) ©а р гз ^

гдеи - число частей разрушаемого материала,

_ ( , (1+у)? (1 + уф пол

Рг(у) =-~г---(29)

У

у = гг/г2, (30)

5

«.-("*■(§« & (£)*)', (3«

Заметим, что величина, определяемая соотношением (31), имеет размерность скорости Далее, в силу того, что работа, затрачиваемая на разрушение материала, является положительной величиной, условие положительности (28) выполняется в случае, если

¿о > V (33)

следовательно, в силу (33) величину $кр можно интерпретировать как пороговое значение скорости, ниже которой рассматриваемый процесс разрушения материала невозможен При вычислении значения согласно (31), в качестве величины ар нужно подставлять значение напряжения, при котором происходит разрушение материала вследствие его растяжения

График зависимости значений критической скорости налетающей частицы в зависимости от параметра г\!гг приведен на рисунке 6

м/с

120

96 72 48 24

_1_ >

! л

1

1 /

■ \л / \

\

I >

6 ■

1

, 1 .. .' 4— 1

0,2

V

1 - л = 3

2 - л = 4

3 - п =5

0,4 0,6 0,8 1 п/Г2

Рисунок 6 График зависимости критической скорости т9кр от отношения радиусов налетающей и покоящейся частиц г,/г2

Как следует из графика, при изменении отношения гх!гг от 0 до 0,2 дисперсный состав получаемых в результате измельчения частиц будет однородным, с дальнейшим увеличением отношения - он становится более дифференцированным

В третьей главе в соответствии с поставленными задачами определена методика проведения экспериментальных исследований по получению тонкодисперсных порошков микромрамора в пневмоструйной мельнице с эффектом самофутеровки помольной камеры, схема и лабораторно-промышленный образец которой представлены на рисунке 7

Выбран и обоснован план проведения многофакторного эксперимента, определены функции цели (часовая производительность мельницы ¡2, кг/ч, удельная поверхность получаемых порошков микромрамора 5, см2/г, объемный расход энергоносителя д, м3/ч), исследуемые факторы (угол между разгонным узлом и патрубком пылеуноса а,°, отношение радиусов измельчаемого (г^ к футеровочному (г2) материалам г,/г2, частота вращения ротора сепаратора п, об/мин, давление энергоносителя Р, МПа) и уровни их варьирования

Рисунок 7.1 Тневмоструиная мельница с эффектом самофутеровки помольной камеры: а) схема экспериментальной установку б) общий вид мельницы [ - загрузочная воронка; 2 - пневмоструйная мельница с эффектом самофутеровки помольной камеры; 3 сепаратор; 4 - циклон; 5 - вентилятор; 6 - рукавный фильтр.

Проведен анализ проб исходного материала по гранулометрическому составу, химико-минералогическим и физическим свойствам. Представлена используемая при проведении эксперимента контрольно-измерительная аппарату ра.

В четвертой главе с, использованием ортогонального многофакторного планирования эксперимента выявлено, что зависимости функций цели от исследуемых факторов представляют собой уравнения рефсссии второго порядка, проведен их анализ, позволяющий определить влияние не только каждого из факторов, но и эффективность их взаимодействия по формированию рациональных режимов работы.

Уравнения регрессии, описывающие процесс измельчения мраморной крошки в пневмоструйной мельнице с эффектом самофутеровки помольной камеры в натуральных величинах;

для производительности;

С? = —18,5 + 0,69а + 28,2 ^ - 0,055л + ¿1,1 Р + 0,29а ■ Р 4 0,0085 п

-0,016« Р - 0,0056сгг - 27,4 ^ + 0,000039пг - 56,1 Рг; (34)

для удельной поверхности

5 = -11737,9 + 87,1а - 4,6п + 52754,7Р - 0,06а п - 8438,8 {^j Р

—1,1а2 - 14273 + 0,008п2 - 54489,8Р2, (35)

для объемного расхода энергоносителя

q = 9,1 + 0,06а-14,9 ^-0,0075п+113ДР +8,4 ^f) - 95ДР2 (36)

Проведен сравнительный анализ экспериментальных результатов и данных, полученных аналитическим путем, в результате которого показано не только качественное, но и количественное совпадение данных Расхождение между ними не превысило 15%

На основе анализа полученных уравнений регрессии, был сделан вывод о существовании наиболее рациональных параметров процесса измельчения, позволяющих выбрать из всех возможных значений варьируемых параметров такие, при которых процесс измельчения протекает наиболее эффективно.

Для решения данной задачи мы применяли математический пакет «Maple 9 5», позволяющий определять экстремум нелинейной функции нескольких переменных, а также находить максимальные или минимальные значения функций, входящих в систему уравнений

Поиск экстремумов осуществлялся по следующим требованиям значения производительности и удельной поверхности должны стремится к максимуму, а величина объемного расхода энергоносителя - к минимуму

На рисунках 4.16-4 19 изображены комплексные графики функций отклика производительности, удельной поверхности и объемного расхода энергоносителя Q,S,q=j{a, rxlr2, я, Р), из которых следует, что своих максимальных значений Q= 15,4 кг/ч, 5=7460 см2/г и минимального значения <7=40,6 м3/ч вышеуказанные функции достигают при а=73°, г,/г2=0,54, «=550 об/мин и Р=0,48 МПа

Помимо найденных рациональных значений, графики на рисунке 8 имеют чисто практический интерес Например, при измельчении мраморной крошки нам необходимо использовать фракцию с отношением измельчаемых к футеровочным частицам rjrj= 0,8 В данном случае мы можем спрогнозировать характеристики мельницы и готового продукта производительность мельницы по сравнению с рациональным соотношением г}/г2= 0,54 упадет на 10,7%, удельная поверхность - на 19% и объемный расход воздуха также снизится на 3% Аналогична ситуация и с давлением энергоносителя На производстве зачастую давление сжатого воздуха зависит от количества и интенсивности работы потребителей, питающихся от компрессора, поэтому не всегда является возможным поддержание давления сжатого воздуха в рациональных пределах

S, см2/г q, кг/ч

6000 39 1000 n, об/мин S, см /г q, кг/ч

7000 42

6000 38

5000 34

•4000 30

3000 26

0,6 Р, МПа

0,4 0,5

Рисунок 8 Графики зависимости рациональных значений функций отклика а) от угла а при г,//2 = 0,54, п = 550 об/мин, Р = 0,48 МПа, б) от отношения радиусов гф-2 при а = 73°, п - 550 об/мин, Р = 0,48 МПа, в) от частоты вращения ротора сепаратора п при а = 73°, г-,/У2 = 0,54, Р = 0,48 МПа, г) от давления энергоносителя Р при а — 73°, )\1гт= 0,54, п — 550 об/мин

Используя графики на рисунке 8(б), можно установить, что, например, при снижении давления энергоносителя с 0,5 МПа до 0,4 МПа мы получим производительность мельницы, удельную поверхность готового продукта и объемный расход энергоносителя сниженными соответственно на 6,3%; 7,5% и 8%.

Экспериментально подтверждена эффективность конструктивного решения пневмоструйпой мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры. На основе аналитических и экспериментальных данных установлены такие режимы измельчения в условиях переменных ударных и истирающих нагрузок, при которых достигается наибольшая эффективность процесса измельчения материалов.

Получены диаграммы зернового состава порошков микромрамора, анализ которых показывает, что, изменяя режимы работы и конструкцию мельницы, можно в широких пределах регулировать гранулометрический состав готового продукта.

И пятой главе описано промышленное внедрение пневмоструйпой мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры на ОАО «Стройматериалы» (г.Белгород), в цехе «Герметик» на линии по производству сухих строительный смесей.

Основной целью внедрения являлось определение технологических параметров пневмоструйной мельницы при измельчении мраморной крошки, используемой в качестве наполнителя в составе сухих строительных смесей, выпускаемых на ОАО

«Стройматериалы». Общий вид мельницы представлен на рисунке 8. В состав мельницы вошли следующие агрегаты: центробежный воздушно-проходной сепаратор; циклон; вентилятор высокого давления;

рукавный фильтр тонкой очистки и _ _

ш чековый питатель.

Гранулометрический состав

получаемых порошков микромрамора определялся с помощью компьютерного анализатора частиц «МИКАН».

Полученные результаты удовлетворяют требованиям технологического процесса ОАО «Стройматериалы», пнсвмоструйная мельница с эффектом самофутеровки помольной камеры принята в эксплуатацию.

Рисунок 8. Общий вид опытно-промышленного образна

пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камспы.

Произведенные технико-экономические расчеты показали техническую и экономическую целесообразность внедрения новой пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры на линию по производству сухих строительных смесей на ОАО «Стройматериалы» Экономический эффект от внедренного оборудования составил 329275,2 рублей, срок окупаемости - 0,48 года

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 В результате рассмотрения основных направлений развития и совершенствования техники и технологии тонкого и сверхтонкого измельчения установлено, что при всем разнообразии существующих типов помольного оборудования, одним из перспективных видов оборудования для тонкого и особенно сверхтонкого измельчения являются пневмоструйные мельницы, которые наиболее целесообразно применять при относительно малых масштабах производства, особенно в изготовлении мелкосерийных, но дорогостоящих изделий, поскольку в этом случае стоимость помола не играет решающей роли, а гораздо важнее такие качественные показатели продукта, как дисперсность, равномерность гранулометрии и чистота получаемого продукта от продуктов износа мелющих тел и футеровки

2 Для проведения исследований был разработан и сконструирован новый патентао-чистый лабораторно-промышленный образец экспериментальной установки пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры, предназначенный для эффективного измельчения различных сыпучих материалов, а также запатентованный разгонный узел, позволяющий ускорить и упростить процесс замены футеровки разгонных трубок

3 Аналитическим путем получены

- выражения для нахождения геометрических размеров помольной камеры пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки,

- величина силы сопротивления частицы материала в рыхлой сыпучей среде в рамках трехмерной модели,

- выражение, определяющее максимальную глубину конуса разрушения, образующегося на футеровочной поверхности в результате измельчения;

- выражение для определения величины деформации в случае лобового удара двух частиц сферической формы,

- выражение для определения значений критических скоростей, при которых происходит разрушение материала о футеровочную поверхность

4 В соответствии с выбранной методикой проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях проведена

проверка аналитических моделей, при этом расхождение между теоретическими и экспериментальными данными не превысило 15%

5 На основании реализации плана многофакторного эксперимента установлены регрессионные зависимости производительности Q, величины удельной поверхности получаемого продукта S и объемного расхода энергоносителя q от конструктивно-технологических параметров угла между разгонным узлом и патрубком пылеуноса а, отношения радиусов измельчаемого к футеровочному материалам гх!гг, частоты вращения ротора сепаратора п и давления энергоносителя Р, дана оценка влияния как отдельных факторов, так и эффектов их взаимодействия

6 На основании использования уравнений регрессии определены рациональные режимы работы пневмоструйной мельницы Доказано, что существует такое сочетание входных параметров, когда производительность и удельная поверхность стремятся к максимуму при минимальном объемном расходе энергоносителя Это достигается при следующих значениях факторов а=73°, г^г2-0,54, п= 550 об/мин и />=0,48 МПа

7 Изготовлен опытно-промышленный образец пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры Проведены его промышленные испытания, показавшие эффективность использования такого типа пневмоструйных мельниц, применительно к получению наполнителей из мраморной крошки для сухих строительных смесей При объемном расходе энергоносителя 41 м3/ч фактическая производительность пневмоструйной мельницы составила 16,4 кг/ч по готовому продукту с удельной поверхностью до 7500 см2/г Экономический эффект от внедрения пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры в условиях ОАО «Стройматериалы» составил 329 тыс руб

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Ярыгин А А Изготовление тонкодисперсного мела / А А Ярыгин, В А Уваров, Д В Карпачеви др // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов Межвузовский сб статей - Белгород, 2003 -С 163-166

2 Ярыгин А А Использование противоточных струйных мельниц в технологии производства пигментов / А А Ярыгин, В А. Уваров, Д В Карпачев // Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии Сб студ докл Междунар конгресса -Белгород,2003 - Ч 3 -С 54-56

3 Ярыгин А А Исследование износостойкости материала футеровки струйной мельницы / А А Ярыгин, Д В Карпачев, А Л Веретнов //

Механики - XXI веку Сб докл IV Межрегион научно-технич конф с междунар участием -Братск,2005 -С 11-13

4 Ярыгин А А Малотоннажные технологические комплексы для производства сухих строительных смесей / А А Ярыгин // Вузовская наука - региону: Сб докл V Всероссийской научно-технич конф , том 1 - Вологда. ВГТУ, 2007 - С 249-250

5 Ярыгин А А Определение критической скорости частиц при ударе о самофутерующуюся отбойную поверхность пневмоструйной мельницы / А А Ярыгин, В П Воронов, Д В Карпачев, А А Уваров // Изв вузов Строительство -2007 №9 -С 62-64

6 Ярыгин А А Роль сухих строительных смесей в современном строительстве / А А Ярыгин, И А Щербинин, В А Уваров, Д В Карпачев // Новые материалы и технологии в машиностроении Сб научных трудов по итогам междунар научно-технич конф - Брянск, 2006 -С 126-128

7 Ярыгин А А Струйная мельница t самофутерующейся камерой помола / А А Ярыгин, В А Уваров, Д В Карпачев, В И Хлудеев // Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии Вестник БГТУ им В Г. Шухова - Белгород, 2005 -№11 -С 233-235.

8 Ярыгин А А Струйный противоточный помольный комплекс / А А Ярыгин, Д В Карпачев, A JI Веретнов // Механики - XXI веку Сб докл IV Межрегион науч -технич конф с междунар участием - Братск, 2005 -С 13-15

9 Ярыгин А А Патент РФ № 46203, кл В02С 19/06. Разгонная трубка эжектора // Ярыгин А А , Уваров В А, Карпачев Д В , и др - Опубл. в БИ №18 27 06 2005Г

10 Ярыгин А А Патент РФ № 49736, кл. В02С 19/06 Струйная мельница с самофутерующейся камерой помола // Ярыгин А А, Уваров В.А, Карпачев Д В, Хлудеев В И. - Опубл в БИ №34 10 12 2005г

Подписано в печать "ff ^ Формат 60x84/16

Уел печ л 1,4. Тираж 100 Заказ № ^-55*

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

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТОНКОГО И СВЕРХТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ.

1.1 Современное оборудование для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов.

1.2 Анализ отечественных и зарубежных струйных измельчителей.

1.3 Обоснование выбора принципиальной схемы пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры.

1.4 Тонкодисперсные порошки в производстве сухих строительных смесей.

1.5 Цель и задачи исследований.

1.6 Выводы.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦЫ МАТЕРИАЛА В ПОМОЛЬНОЙ КАМЕРЕ С САМОФУТЕРУЮЩЕЙСЯ ОТБОЙНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.

2.1 Определение геометрических параметров помольной камеры пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры.

2.2 Описание конструктивных и технологических характеристик помольной камеры с самофутерующейся поверхностью.

2.3 Определение силы сопротивления сыпучей среды при внедрении в нее частицы материала.

2.4 Уравнение, описывающее движение частицы материала в сыпучей среде.

2.5 Выбивание частиц материала из поверхностного слоя самофутерующейся поверхности.

2.6 Математическое описание процесса разрушения частиц материала в результате лобового удара о частицы самофутерующейся поверхности.

2.7 Выводы.

3 ПЛАН И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1 Основные положения экспериментальных исследований.

3.2 Описание экспериментальной установки, применяемого оборудования и средств контроля.

3.3 План многофакторного эксперимента.

3.4 Характеристика исследуемого материала.

3.5 Выводы.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПНЕВМОСТРУЙНОЙ МЕЛЬНИЦЫ С ЭФФЕКТОМ САМОФУТЕРОВКИ ПОМОЛЬНОЙ КАМЕРЫ.

4.1 Анализ уравнений регрессии Q, S, q.

4.2 Анализ влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения в пневмоструйной мельнице с эффектом самофутеровки помольной камеры.

4.3 Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных.

4.4 Определение рациональных параметров процесса измельчения в пневмоструйной мельнице с эффектом самофутеровки помольной камеры.

4.5 Анализ зернового состава готового продукта.

4.6 Выводы.

5 ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ.

5.1 Описание промышленной установки.

5.2 Расчет экономической эффективности.

5.3 Выводы.

Эффективность производства и необходимость повышения дисперсности строительных и отделочных материалов различных отраслей промышленности связаны с совершенствованием существующего и созданием нового оборудования и технологий для тонкого и сверхтонкого измельчения.

Всестороннее критическое изучение современного оборудования позволяет устранить основные недостатки и слабые места, а также определить пути развития новой техники и технологий.

На сегодняшний день в различных отраслях промышленности подвергается помолу свыше миллиарда тонн порошков. С ростом дисперсности готового продукта производительность процесса помола материалов резко снижается при одновременном повышении энергозатрат, а, начиная с некоторой, предельной для различных материалов дисперсности, дальнейшее измельчение становится весьма затруднительным. Кроме того, с уменьшением дисперсного состава порошков поведение его частиц обнаруживает качественно новые стороны. Слишком развитая удельная поверхность сверхтонких порошков приводит, например, к появлению агломератов частиц, появляющихся благодаря силам аутогезии. Это влечет за собой снижение производительности измельчителей вследствие залипания частичек материала на корпусе и рабочих органах агрегатов [63, 94].

В то же время, с ростом тонкости помола возрастает поверхность контакта веществ и скорость растворения материалов, сокращается продолжительность схватывания и увеличивается прочность вяжущих материалов, в зависимости от степени дисперсности изменяется цвет пигментов и наполнителей [16, 19].

В настоящее время машиностроительной промышленностью освоен выпуск различного типа машин и оборудования, однако, поиски более совершенных их конструкций не прекращаются. К числу причин, стимулирующих усилия в этом направлении относятся: [12]

- растущая потребность в тонкомолотых порошках со средневзвешенным размером частиц менее 5 мкм;

- повышение требований к чистоте готового продукта от намола рабочих тел и футеровки;

- стремление к снижению удельного расхода энергии, затрачиваемой на измельчение;

- получение готового продукта с узким гранулометрическим составом и возможность его регулирования;

- появление новых синтетических материалов с особыми свойствами.

Поэтому, совершенствование помольного оборудования, а также применение более эффективных и экономичных способов измельчения является актуальной задачей.

К настоящему времени одним из перспективных способов тонкого и сверхтонкого измельчения является пневмоструйное измельчение материалов, реализуемое в мельницах струйной энергии.

Эффективность таких мельниц обуславливается, в первую очередь, отсутствием не только мелющих тел, но и каких-либо движущихся частей. Процесс измельчения может сочетаться со смешением, сушкой, обжигом, синтезом и другими технологическими операциями.

В пневмоструйных мельницах применяется способ измельчения материалов, заключающийся в придании механического ускорения измельчаемым частицам при помощи струй сжатого воздуха. Использование высоких скоростей (до нескольких сотен метров в секунду) позволяет повысить не только дисперсность получаемого продукта, но и удельную производительность измельчителя. Кроме того, появляется возможность получения готового продукта, химически чистого от механических примесей, возникающих от износа рабочих тел измельчителя.

На наш взгляд, одним из самых перспективных типов таких мельниц являются пневмоструйные мельницы с отбойной плитой [93]. Они имеют некоторые преимущества по сравнению с противоточными струйными мельницами: более простая конструкция, на 50% меньший расход энергоносителя в силу применения одного единственного рабочего сопла и, соответственно, меньший удельный расход энергоносителя. Однако, главным недостатком, сдерживающим продвижение данного измельчителя на рынке, является повышенный износ отбойной плиты и, как следствие, загрязнение готового продукта частицами ее износа.

В предлагаемой конструкции пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры, в которой роль отбойной плиты выполняет футеровочная поверхность, образованная из частиц того же материала, имеет преимущество перед традиционным измельчением материала, которое заключается в устранении механического износа отбойной плиты, что, в свою очередь, приводит к существенному снижению примесей в готовом продукте.

Следует отметить, что наибольшее внимание в литературе по данной тематике отводится расчёту эжекторных узлов, а рекомендации по исполнению конструктивных параметров помольной камеры приводятся как дополнение, хотя пребывание частиц на участке разгона на порядок меньше времени пребывания частиц в зоне соударений струй, а концентрация твердой фазы в зоне измельчения в десятки раз выше, чем в разгонном узле [86, 87]. :

Поскольку предлагаемая конструкция пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры обладает новизной, к настоящему времени отсутствуют теоретические выкладки, позволяющие рассчитать ее конструктивно-технологические параметры, чему и посвящена данная работа.

Целью настоящих исследований является разработка методики расчета, исследование и получение рациональных технологических и конструктивных параметров пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры, обеспечивающих повышение эффективности помола.

Научная новизна заключается в получении:

- аналитических выражений для нахождения геометрических размеров помольной камеры пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки;

- величины силы сопротивления частицы материала в рыхлой сыпучей среде в рамках трехмерной модели;

- аналитического выражения, определяющего максимальную глубину конуса разрушения, образующегося на футеровочной поверхности в результате измельчения;

- аналитического выражения для определения величины деформации в случае лобового удара двух частиц сферической формы;

- выражений для определения значений критических скоростей, при которых происходит разрушение материала о футеровочную поверхность;

- уравнений регрессии, позволяющих определить рациональные режимы процесса измельчения в пневмоструйной мельнице предложенной конструкции;

- новой патентно-чистой конструкции пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры.

Практическая ценность работы заключается в расчете конструктивно-технологических параметров пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры и рекомендациях по выбору рациональных технологических режимов ее работы в составе малотоннажных технологических комплексов по производству сухих строительных смесей, а также в разработке новой патентно-чистой конструкции пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры и ее внедрении в промышленное использование.

Реализация работы. Диссертационная работа выполнялась в БГТУ им. В.Г. Шухова в рамках Межвузовской научно-технической программы «Инновационная деятельность высшей школы». Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса измельчения, методики расчета рациональных конструктивных и технологических параметров, разработанный вариант пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры внедрены в промышленных условиях в ОАО «Стройматериалы» (г. Белгород), а также в учебный процесс Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова на кафедре «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций».

Диссертационная работа рассмотрена на заседании кафедры «Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций» в сентябре 2007 года.

Основные результаты исследований докладывались на следующих научно-технических конференциях: II Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (2004, г. Белгород); Межрегиональной научно-технической конференции с международным участием «Механики -XXI веку» (2005, г. Белгород); Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (2006, г. Брянск); Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (2007, г. Белгород).

Публикации. По результатам работы опубликовано 8 статей, получено 2 патента РФ:

1) Патент РФ № 46203, кл. В02С 19/06 «Разгонная трубка эжектора» опубл. в БИ №18 27.06.2005 г.

2) Патент РФ № 49736, кл. В02С 19/06 «Струйная мельница с самофутерующейся камерой помола» опубл. в БИ №34 10.12.2005 г.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные выводы, рекомендации и направления дальнейших исследований. Работа включает 156 страниц, в том числе 142 страницы машинописного текста, 7 таблиц, 57 рисунков, список литературы из 120 наименований и приложение на 2 страницах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате рассмотрения основных направлений развития и совершенствования техники и технологии тонкого и сверхтонкого измельчения установлено, что при всем разнообразии существующих типов помольного оборудования, одним из перспективных видов оборудования для тонкого и особенно сверхтонкого измельчения являются пневмоструйные мельницы, которые наиболее целесообразно применять при относительно малых масштабах производства, особенно в изготовлении мелкосерийных, но дорогостоящих изделий, поскольку в этом случае стоимость помола не играет решающей роли, а гораздо важнее такие качественные показатели продукта, как дисперсность, равномерность гранулометрии и чистота получаемого продукта от продуктов износа мелющих тел и футеровки.

2. Для проведения исследований был разработан и сконструирован новый патентно-чистый лабораторно-промышленный образец экспериментальной установки пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры, предназначенный для эффективного измельчения различных сыпучих материалов, а также запатентованный разгонный узел, позволяющий ускорить и упростить процесс замены футеровки разгонных трубок. :

3. Аналитическим путем получены:

- выражения для нахождения геометрических размеров помольной камеры пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки;

- величина силы сопротивления частицы материала в рыхлой сыпучей среде в рамках трехмерной модели;

- выражение, определяющее максимальную глубину конуса разрушения, образующегося на футеровочной поверхности в результате измельчения;

- выражение для определения величины деформации в случае лобового удара двух частиц сферической формы;

- выражение для определения значений критических скоростей, при которых происходит разрушение материала о футеровочную поверхность.

4. В соответствии с выбранной методикой проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях проведена проверка аналитических моделей, при этом расхождение между теоретическими и экспериментальными данными не превысило 15%.

5. На основании реализации плана многофакторного эксперимента установлены регрессионные зависимости производительности Q, величины удельной поверхности получаемого продукта S и объемного расхода энергоносителя q от конструктивно-технологических параметров: угла между разгонным узлом и патрубком пылеуноса а, отношения радиусов измельчаемого к футеровочному материалам г\/г2, частоты вращения ротора сепаратора п и давления энергоносителя Р; дана оценка влияния как отдельных факторов, так и эффектов их взаимодействия.

6. На основании использования уравнений регрессии определены рациональные режимы работы пневмоструйной мельницы. Доказано, что существует такое сочетание входных параметров, когда производительность и удельная поверхность стремятся к максимуму при минимальном объемном расходе энергоносителя. Это достигается при следующих значениях факторов: а=73°; п/г2=0,54; п= 550 об/мин и Р=0,48 МПа.

7. Изготовлен опытно-промышленный образец пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры. Проведены его промышленные испытания, показавшие эффективность использования такого типа пневмоструйных мельниц, применительно к получению наполнителей из мраморной крошки для сухих строительных смесей. При объемном расходе энергоносителя 41 м /ч фактическая производительность пневмоструйной мельницы составила 16,4 кг/ч по готовому продукту с удельной поверхностью л до 7500 см /г. Экономический эффект от внедрения пневмоструйной мельницы с эффектом самофутеровки помольной камеры в условиях ОАО «Стройматериалы» составил 329 тыс. руб.

1. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй / Г.Н. Абрамович, Т.А. Гиршович, С.Ю Крашенинников и др. М.: Наука, 1984. - 716 с.

2. Акунов В.И. Современное состояние и тенденции совершенствования молотковых дробилок и мельниц / В.И. Акунов // Строительные и дорожные машины. 1995.-№ 1.-С. 11-13.

3. Акунов В.И. Струйные мельницы. 2-е изд. / В.И. Акунов. М.: Машиностроение, 1967.-257 с.

4. Акунов В.И. Струйные мельницы. Теория. Рациональный типаж. Применение: Автореф. дис. док. техн. наук: 05.02.13 / В.И. Акунов // МИСИ. -М., 1989.-44 с.

5. Акунов В.И. Струйные мельницы. Элементы теории и расчета /

6. B.И. Акунов. М.: Машгиз, 1962. - 264 с.

7. Акунов В.И. Экспериментальные исследования установок для тонкого измельчения с противоточными струйными мельницами: Дисс. . канд. техн. наук: 05.02.13 / В.И. Акунов // ВНИИНСМ. М., 1961. - 229 с.

8. Андреев С.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых /

9. C.Е. Андреев, В.В. Зверевич, В.А. Перов. М.: Недра, 1980. - 415 с.

10. Баклашов ИВ. Деформирование и разрушение природных массивов / И.В. Баклашов. М.: Недра, 1988. - 271 с.

11. Баловнев В.И Высокоэффективные мельницы в производстве строительных материалов / В.И. Баловнев, Ю.В. Разумов, Л.А. Феднер // Строительные материалы. 1994. - № 8. - С 7-8.

12. Банит Ф.Г. Механическое оборудование цементных заводов / Ф.Г. Банит, О.А. Несвижский. -М.: Машиностроение, 1975. 318 с.

13. Барон Л.И Экспериментальные исследования процессов разрушения горных пород ударом / Л.И. Барон, Г.М. Веселов, Ю.Г. Коняшин. М.: Изд-во АН СССР, 1962.-219 с.

14. Бауман В.А. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций / В.А. Бауман, Б.В. Клушанцев, В.Д. Мартынов. М.: Машиностроение, 1981. - 324 с.

15. Большаков Э.Л. Производство сухих строительных смесей в России: современное состояние и перспективы / Э.Л. Большаков // Современные технологии сухих смесей в строительстве. Сб. докл. 2-й Междунар. науч.-технич. конф. СПб, 2000 - С. 7-13.

16. Бонд Ф.С. Законы дробления / Ф.С. Бонд // Труды Европейского совещания по измельчению М.: Стройиздат, 1966. - С. 195 - 205.

17. Бондарь А.Г. Планирование эксперимента в химической технологии / А.Г. Бондарь, Г.А. Статюха., И.А. Потяженко. Киев: Вища школа, 1980. - 264 с.

18. Борщевский А. А. Механическое оборудование для производства строительных материалов и изделий / А.А. Борщевский, А.С. Ильин. М.: Высш. шк., 1987.-368 с.

19. Бронштейн КН. Справочник по математике / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. -М.: Физматгиз, 1980. 976 с.

20. Булгаков С.Б. Струйная противоточная мельница с дополнительным подводом энергоносителя: Дисс. . канд. техн. наук: 05.02.13 / С.Б. Булгаков // БелГТАСМ. Белгород, 2002. - 160 с.

21. Горобец В.И. Новое направление работ по измельчению / В.И. Горобец, Л.Ж. Горобец. М.: Недра, 1977. - 183 с.

22. Гусев С.Г. Анализ производства хозяйственной деятельности ПСМ / С.Г. Гусев. М.: Наука, 1979. - 64 с.

23. Данилов Р.Г. Механизм тонкого измельчения в роторных мельницах с зубчатоподобным зацеплением / Р.Г. Данилов // Строительные и дорожные машины. 1997. - № 12. - С. 29-31.

24. Дезинтеграторная технология // Тезисы докладов VIII Всесоюзного семинара Киев. - 1991. - 208 с.

25. Дезинтеграторы фирмы Condux (Германия) // Экспресс-информация. Сер. 4. Машины и оборудование для промышленности строительных материалов. -М.: ЦНИИТЭстроймаш. 1988. - Вып. 2. - С. 10-11.

26. Демин А.В. Закономерности процесса пресс-валкового измельчения портландцементного клинкера / А.В. Демин, А.О. Лебедев // Совершенствование техники и технологии измельчения материалов: Сб. науч. тр. Белгород: Изд-во БТИСМ, 1989.-С. 60-63.

27. Егоров Н.К. Бисерный измельчитель для изготовления высокодисперсных материалов / Н.К. Егоров, Н.С. Кольцова, Е.Н. Сорокин // Лакокрасочные материалы. 1996. - № 4. - С. 7-9.

28. Единые нормы амортизационных отчислений // Бухгалтерский учет. М.: ИНФРА-М, 2001.- 130 с.

29. Ерицков С.М. Математическая теория оптимального эксперимента: учеб. пособие / С.М. Ерицков, А.А. Жиглявский. М.: Наука, 1987. - 320 с.

30. Зедгинидзе КГ. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем / И.Г. Зедгинидзе. М.: Наука, 1976. - 330 с.

31. Илъевич А.П. Машины и оборудование для заводов по производству керамики и огнеупоров / А.П. Ильевич. М.: Высшая школа, 1979. - 344 с.

32. Карпачев Д.В. Противоточная струйная мельница с изменяемыми параметрами помольной камеры / Д.В. Карпачев. Дис. канд. техн. наук: 05.02.13 / БелГТАСМ. - Белгород, 2002. - 165 с.

33. Катаев Е.Ф. Мельницы сверхтонкого измельчения / Е.Ф. Катаев, B.C. Богданов, Н.Д. Воробьев Белгород: Изд-во БТИСМ, 1988. - 87 с.

34. Колобаев Е.Н. Некоторые вопросы расчета и конструирования воздушных циркуляционных сепараторов / Е.Н. Колобаев, В.Р. Рыбин Тольятти: НИИЦЕММАШ, 1966. Вып. 3. - С. 55 -65.

35. Красовский Г.И. Планирование эксперимента / Г.И. Красовский, Г.Ф. Филаретов. Минск: Изд-во БГУ им. В.И. Ленина, 1982. - 302 с.

36. Крутак М. Цементное оборудование из г. Пршеров / М. Крутак // Цемент. 1994. -№ 3. - С. 23-30.

37. Крюков Д.К Футеровки шаровых мельниц / Д.К. Крюков. М.: Машиностроение, 1965. - 182 с.

38. Латышев С.С. Трубная шаровая мельница с внутренним рециклом загрузки: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.02.13 / С.С. Латышев // БГТУ им. В.Г. Шухова Белгород, 2005. - 22 с.

39. Летин Л.А. Среднеходные и тихоходные мельницы / Л.А. Летин, К.Ф. Роддатис. М.: Энергоиздат, 1981. - 359 с.

40. Линч АД. Цикл дробления и измельчения. Моделирование, оптимизация, проектирование и управление / А.Д. Линч. М.: Недра, 1981. - 343 с.

41. Лисицына В.И. Роторно-вихревые мельницы серии Титан МД / В.И. Лисицина, В.И. Павлов // Титан. СПб: Издание ЗАО «Новые Технологии», 2005. - №4. - С. 7-9.

42. Ляшко Ф.И Оборудование для тонкого измельчения: Каталог / Ф.И. Ляшко, А.Н. Шаблиенко М.: НИИинформаш, 1985. - 32 с.

43. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и отбору для финансирования / С.И. Гончаренко, В.Н. Лисицин. М.: ИНФРА-М, 2000.-46 с.

44. Методические указания к выполнению курсовой работы по экономике предприятия для студентов специальности 171600 / Г.А. Петровская, Н.А. Жмуркова, И.В. Сомина. Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2000. - 37 с.

45. Методы восстановления основных фондов // Экономика и жизнь, 2000. -№26.-С. 3-5.

46. Моргулис М.Л. Вибрационное измельчение материалов / М.Л. Моргулис. -М.: Промстройиздат, 1957. 107 с.

47. Налимов В.В. Теория эксперимента / В.В. Налимов. М.: Наука, 1971. - 207 с.

48. Норберт Климашка. Модуль 2000 мобильные комплексы с диспергирующим оборудованием для- экологически благоприятного промышленного производства / Климашка Норберт // Лакокрасочные материалы.-1996.-№ 10.-С. 38-41.

49. Оборудование для диспергирования и измельчения в жидкой фазе: настоящее и будущее // Лакокрасочные материалы. 1997. - № 2. - С. 37-39.

50. Овчинников И.А. Сепаратор с дополнительной зоной разделения для струйного противоточного помольного комплекса / И.А. Овчинников. Дис. канд. техн. наук: 05.02.13 / БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород, 2004. - 126 с.

51. Осокин В.П. Интенсификация процесса измельчения в вибромельнице / В.П. Осокин, С.Г. Ушаков, А.А. Поспелов // Совершенствование техники и технологии измельчения материалов: Сб. науч. тр. Белгород: Изд-во БТИСМ, 1989.-С. 187-194.

52. Осокин В.П. Молотковые мельницы / В.П. Осокин. М.: Энергия, 1980.- 176 с.

53. Патент № JP2002059024 кл. В02С 19/06, 2002 г. (Япония).

54. Патент № JP2003117426 кл. В02С 19/06, 2003 г. (Япония).

55. Патент № JP2005111406 кл. В02С 19/06, 2005 г. (Япония).

56. Патент № SU1614842 кл. В02С 19/06, 1988 г. (СССР).

57. Патент № SU778792 кл. В02С 19/06, 1980 г. (СССР).

58. Патент № US2004011903 кл. В02С 19/06, 2004 г. (США).

59. Патент № W02004094064 кл. В02С 19/06, 2004 г. (Южная Корея).

60. Патент № W02005018811 кл. В02С 19/06, 2005 г. (Украина).

61. Пироцкий В.З. Аспирация цементных мельниц / В.З. Пироцкий, B.C. Богданов, B.C. Севостьянов. М.: ВНИИЭСМ, 1984. - 52 с.

62. Пироцкий В.З. Современные системы измельчения для портландцементного клинкера и добавок: Схемы. Эффективность. Оптимизация. / В.З Пироцкий. СПб.: Изд-во ЦПО «Информатизация образования», 2000. - 71 с.

63. Плескунин В.И. Теоретические основы организации и анализа выборочных данных в эксперименте / В.И. Плескунин, Е.Д. Воронина -Ленинград: Изд-во Ленингр. ун-та, 1979. 232 с.

64. Помол цемента в валковых мельницах. Экспр. информ. ВНИИЭСМ, 1983.-вып. 4.-С. 29-32.

65. Правдина М.Х. Вихревая мельница для измельчения хрупких и пластичных материалов / М.Х. Правдина // Наука Урала. Екатеринбург: 2003г. -№23.-25 с.

66. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород / Ю.И. Протасов. М.: Изд. МГГУ, 2002.-453 с.

67. С.В.К. новый шаг в развитии российской технологии диспергирования // Лакокрасочные материалы. - 1996. - № 11. - С. 22-24.

68. Самоучитель бухгалтера и аудитора // Экономика и жизнь. 1994. - №25.

69. Сапожников М.Я. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций / М.Я. Сапожников. М.: Высш. шк., 1971.-382 с.

70. Семикопенко И.А. Дезинтеграторы с эксцентричным расположением рядов рабочих элементов: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.02.13 / И.А. Семикопенко // Белгород: БелГТАСМ, 1998. - 20 с.

71. Сиваченко JI.A. Адаптивные методы переработки минерального сырья и новые примеры их реализации / Л.А. Сиваченко, А.А. Руссиян, Д.М. Хононов // Сб. науч. тр. Молодых ученых Белорусско-Российского ун-та. Могилев: БРУ,2004.-С. 60-64.

72. Сиваченко JI.A. Оборудование адаптивного действия для переработки дисперсных материалов / Л.А. Сиваченко, О.В. Голушкова, Е.А. Шаройкина, Д.М. Хононов // Матер, междунар. науч. техн. конф. Механики XXI веку. -Братск: Бр. ГТУ, 2006. С. 75-84.

73. Скобло JI.И. Дайджест по материалам журнала Zement-Kalk-Gips № 12 1996 г. и № 3, № 4 1997 г. / Л.И. Скобло // Цемент и его применение. 1997. -№3.-С. 41-43.

74. Соловьев В.П. Современное диспергирующее оборудование для производства лакокрасочных материалов / В.П. Соловьев // Лакокрасочные материалы. 1996. - № 10. - С. 37-38.

75. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы. (Под ред. О.С. Богданова, В.А. Олевского) 2-е изд. - Москва.: Недра, 1982 - 366 с.

76. Томанюк А. Взаимодействие обрабатываемого в дезинтеграторе материала и мелющего элемента с плоской рабочей поверхностью / А. Томанюк, Я. Тамм. -Изд. Таллиннского политех, ин-та Минвуза ЭССР, 1983. 20 с.

77. Уваров В.А. Математическая модель движения двухкомпонентной смеси в зоне помола струйной мельницы с отбойной плитой / В.А. Уваров // Строительные и дорожные машины. 2006. - № 8. - С. 32-33.

78. Уваров В.А. Оптимизация параметров работы пневмоструйной противоточной мельницы / В.А. Уваров // Омский научный вестник. 2006. -№2 (35).-С. 117-119.

79. Уваров В.А. Патент РФ № 46203, кл. В02С 19/06. Разгонная трубка эжектора // Уваров В.А., Карпачев Д.В., Ярыгин А.А.и др. Опубл. в БИ №18 27.06.2005г.

80. Уваров В.А. Патент РФ № 49736, кл. В02С 19/06. Струйная мельница с самофутерующейся камерой помола // Уваров В.А., Карпачев Д.В., Ярыгин А.А., Хлудеев В.И. Опубл. в БИ №34 10.12.2005г.

81. Уваров В.А. Расчет области эффективного взаимодействия измельчаемого материала в помольной камере противоточной струйной мельницы / В.А. Уваров, В.П. Воронов, Д.В. Карпачев, И.А. Овчинников // Строительные и дорожные машины. 2006. -№ 2. - С. 39-41.

82. Уваров В.А. Расчет конструктивно-технологических параметров струйных мельниц / В.А. Уваров, B.C. Богданов, Р.В. Гаврилов // Изв. Вузов. Строительство. 1996,-№ 10.-С. 113-119.

83. Успенский В.А. Пневматический транспорт материалов во взвешенном состоянии /В.А. Успенский-М.: Металлургиздат, 1952. 152 с.

84. Филин В.Я. Современное оборудование для тонкого и сверхтонкого измельчения / В .Я. Филин, М.В. Акимов. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1991. - 47 с.

85. Фролов В.Н. Экспериментальные исследования процесса измельчения клинкера в валковых мельницах / В.Н. Фролов, Г.И. Дале // Совершенствование техники и технологии измельчения материалов: Сб. науч. тр. Белгород: Изд-во БТИСМ, 1989. - С. 64-78.

86. Хартман К. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов / К. Хартман, Э.К. Лецкий, В. Щефер. М.: Мир, 1977. - 552 с.

87. Хлудеев В.И. Струйная мельница с отбойной плитой: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.02.13 / В.И. Хлудеев // БГТУ им. В.Г. Шухова Белгород, 2006.-24 с. Ь

88. Ходаков Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов / Г.С. Ходаков М.: Стройиздат, 1972. - 239 с.

89. Черняк В.З. Бизнес-планирование. Учебно-практическое пособие / В.З. Черняк, А.В. Черняк, И.В. Довдиенко. М.: Изд-во РДЛ, 2004. - 272 с.

90. Черепанов ГЛ. Механика хрупкого разрушения / Г.П. Черепанов. М.: Наука, 1974.-640 с.

91. Щупляк И.А. Измельчение твердых материалов в химической промышленности / И.А. Щупляк. Л.: Химия, 1972. - 61 с.

92. Электронное издание http://www.ccetechnologies.com.

93. Электронное издание http://www.jetpul.com.

94. Электронное издание http://www.spsss.ru

95. Юренев В.Н. Теплотехнический справочник. Т.2 / В.Н. Юренев, П.Д. Лебедев. М.: Энергия, 1976. - 896 с.

96. Ярыгин А.А. Изготовление тонкодисперсного мела / А.А. Ярыгин,

97. B.А. Уваров, Д.В. Карпачеви др. // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: Межвузовский сб. статей. Белгород, 2003. - С. 163-166.

98. Ярыгин А.А. Исследование износостойкости материала футеровки струйной мельницы / А.А. Ярыгин, Д.В. Карпачев, А.Л. Веретнов // Механики -XXI веку: Сб. докл. IV Межрегион, научно-технич. конф. с междунар. участием. Братск, 2005. - С.11-13.

99. Ярыгин А.А. Малотоннажные технологические комплексы для производства сухих строительных смесей / А.А. Ярыгин // Вузовская наука -региону: Сб. докл. V Всероссийской научно-технич. конф., том 1 Вологда: ВГТУ, 2007. - С.249-250.

100. Ярыгин А.А. Определение критической скорости частиц при ударе о самофутерующуюся отбойную поверхность пневмоструйной мельницы / А.А. Ярыгин, В.П. Воронов, Д.В. Карпачев, А.А. Уваров // Изв. вузов. Строительство. 2007. №9. - С. 62-64.

101. Ярыгин А.А. Струйный противоточный помольный комплекс. / А.А. Ярыгин, Д.В. Карпачев, A.JI. Веретнов // Механики XXI веку: Сб. докл. IV Межрегион, науч.-технич. конф. с междунар. участием. - Братск, 2005. - С. 13-15.

102. Awerbach J.A. Mechanics approach to projectile penetration / J.A. Awerbach -Israel Journal of Technology, 1970. №8. - P. 375-383.

103. Grinding Mills Rod, Ball and Autogenously // Mining magazine. - 1982. -B. 147.-№ 9.-P. 91.

104. Mathien E.U. Erste versucherkebnisse zur Vermahliing von Zementklinker aut Pendelmuhlen / Mathien E.U. // Zement-Kalk-Gips. 1983. - № 2. - P. 62-64.

105. Nakayama N. Development of new materials by jet mills / N. Nakayama, K. Inui, H. Sugiyama // CPP Edition Europe. 1987. - December. - P. 61-64.

106. New ideas in mineral Processing. World Mining Equipment, 1986. - №6. -P. 14-18.

107. Reusch H. Energies pared zerrleinern in Gutbett-Walzenmuh-len / H. Reusch // Kugerllagen-Z.-S. № 233. - P. 20-29.

108. Sakata T. One-kiln-one-mill system at Osaka Cement / T. Sakata, K. Matsymto // Zement-Kalk-Gips. 1983. - № 2. - P. 75-80.

109. Schneider L.T. Energy saving clinker grinding systems. Part 2 / L.T. Schneider // World Cement. 1985. - Vol. 3. - P. 52-64.

110. Schranz H. Selektive Zerkleinerung / H. Schranz, W. Berghober. Leipzig, 1958.-№ 6.-S. 175-182.

111. Unger W. Gegeniiberstellung von Pendel und Schussenmtihlen / Unger W. // Zement-Kalk-Gips. 1983. - №2. - P. 57-62.

112. Strasser S. Современное состояние технологии помола от фирмы KHD Humboldt Wedag / S. Strasser // Цемент и его применение, 2002. №1. - С. 27-30.