автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Совершенствование процесса измельчения материалов в мельнице центробежно-ударного типа

На правах^ описи

Суханов Алексей Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В МЕЛЬНИЦЕ ЦЕНТРОБЕЖНО-УДАРНОГО

ТИПА

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДП? 2012

Ярославль-2012

005020577

005020577

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая механика» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет» и ОАО АБЗ-4 «Капотня» г. Москва.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Лупанов Андрей Павлович, генеральный директор ОАО АБЗ-4 «Капотня» г. Москва

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Бобков Сергей Петрович, ФГБОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет»

доктор технических наук, профессор Гончаров Григорий Михайлович ФГБОУВПО «Ярославский государст-венный технический университет»

Ведущая организация: ОАО «ТИИР», г. Ярославль

Защита диссертации состоится « 26 » апреля 2012 г. в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.308.01 при ФГБОУВПО «Ярославский государственный технический университет» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр. 88, ауд. Г-219

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ярославского государственного технического университета, по адресу: 150023, г.Ярославль, Московский проспект, 88.

Автореферат разослан «25» марта 2012г.

Введение

Измельчение материалов- наиболее распространенный процесс многих отраслей промышленности, химической - в том числе. Это объясняется тем, что спрос на тонкодисперсные материалы неуклонно растет. В то же время процессы измельчения материалов остаются, пожалуй, наименее изученными технологическими процессами ввиду сложности физических процессов разрушения частиц.

Измельчение твердых мafepиaлoв нашло применение и в производстве минерального порошка для асфальтобетонных смесей, который получают путем помола щебня карбонатных пород, а также различных добавок (например гранулята старого асфальтобетона). Минеральный порошок один из наиболее дорогостоящих компонентов, составляющий 10 % от стоимости асфальтобетонной смеси. Размер частиц порошка колеблется в пределах от 0,05 до 1,25 мм. В различных отраслях промышленности используется большое разнообразие мельниц, выбор которых определяется, в первую очередь, физико-механическими свойствами подлежащих измельчению материалов и требованиями к конечному фракционному составу. Наибольшее распространение, в частности, в производстве асфальтобетонов, применительно к измельчению щебня и асфальтового гранулята получили мельницы центробежно-ударного действия.

Однако, при измельчении асфальтового гранулята в центробежно-ударных устройствах, особенно на стадии тонкого измельчения, происходит быстрый износ деталей оборудования. Наибольшему износу подвержены лопасти вращающегося ускорителя и отбойные элементы. При этом было установлено, что разрушаются лишь некоторые участки рабочих органов измельчителя. Одним из возможных путей повышения надежности деталей измельчительного оборудования в мельницах этого типа является организация одинаковых условий движения и взаимодействия всех частиц материалов с поверхностями рабочих органов ускорителей и отбойных элементов. В этом случае износ поверхностей деталей рабочих органов будет осуществляться равномерно и с пониженной интенсивностью. Такие условия движения и взаимодействия материала с элементами измельчителя могут быть достигнуты при выполнении лопастей вращающегося ускорительного устройства наклонными или криволинейной формы.

В виду малой изученности процессов движения материала по таким лопастям, отсутствия методов расчета образования и движения дисперсных потоков за ускорителем, их ударного взаимодействия с отбойными элементами, необходимы теоретические и экспериментальные исследования данных процессов. Это позволит выдать рекомендации по конструктивной модернизации аппаратов данного типа и созданию методов расчета.

Цель работы-теоретико-экспериментальные исследования движения и ударного взаимодействия материалов в мельнице центробежно-ударного типа и на основании этого обоснование конструктивной модернизации ускорителя за счет введения криволинейных лопастей для повышения эффективности помола и срока службы узлов.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

-создание математического описания процесса движения материала по поверхностям криволинейных лопастей ускорителя центробежно-ударного измельчителя;

- выявление зависимостей скоростей потока, угла наклона лопасти к плоскости горизонтального диска, толщины слоя от режимных, конструктивных параметров, физических свойств материала;

-теоретическое обоснование возможности получения равномерной по высоте отбойного элемента подачи материалов;

-разработка математических описаний движения разреженных потоков до и после удара с отбойными элементами с целью получения данных по распределению частиц в потоках по углу рассеивания и размерам;

-проведение серии сравнительных исследований основных положений математической модели ударного взаимодействия материалов с отбойными элементами с данными работы промышленных и лабораторных мельниц;

-создание на основе теоретических и экспериментальных исследований методики инженерного расчета модернизированных устройств с криволинейными лопастями для измельчения твердых материалов.

Научная новизна работы

- на основе механики гетерогенных сред построено математическое описание движения материалов по поверхностям криволинейных лопастей вускорителе центробежно-ударного измельчителя. Получены аналитические зависимости для угла наклона лопасти к плоскости горизонтального диска, скоростей движения материалов и толщины слоя при сходе с лопасти;

- дано теоретическое обоснование возможности получения практически постоянной толщины слоя по ширине лопасти при срыве с нее материала;

- с использованием вероятностного подхода созданы математические описания движения и ударного измельчения твердых, в том числе неоднородных частиц. Получены дифференциальные функции распределения числа частиц по угловой координате для набегающего потока и по диаметрам - для отраженного;

- на основе теоретико-экспериментальных исследований создана методика инженерного расчета режимных и конструктивных параметров модернизированного измельчителя материалов.

На защиту выносятся следующие положения:

- математическое описание движения частиц по криволинейным лопастям в новом ускорителе центробежно-ударного измельчителя в условиях равномерного потока материала по ширине лопасти на выходе из рабочей камеры;

- математическое описание процесса движения материалов в потоке за ускорителем и при ударном взаимодействии с отбойными элементами;

- основные результаты опытных и теоретических исследований процессов движения материалов и измельчения в лабораторных и промышленных условиях;

-конструкция модернизированного измельчителя и метод расчета конструктивных и режимных параметров.

Практическая ценность работы:

- использование на основе теоретико-экспериментальных исследований новой конструкции ускорителя позволяет снизить интенсивность износа лопастей и отбойных элементов мельниц центробежно-ударного типа, что повышает их срок службы и увеличивает межремонтный период;

-внедрение созданной в работе модернизированной конструкции узла ускоритель-отбойник способствует повышению эффективности работы мельницы;

- методика инженерного расчета конструктивных и режимных параметров центробежно-ударного аппарата будет востребована при разработке оборудования для измельчения материалов различной природы на предприятиях химической и других отраслей промышленности.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений и выводов "диссертации базируется на комплексном применении современных физико-механических и математических методов анализа, результатов промышленных испытаний, удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных.

Личный вклад автора.

Диссертантом разработаны математические модели. Выполнен весь объем опытных исследований, проведены необходимые расчеты, обработаны и проанализированы результаты, сформулированы выводы по каждому разделу работы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научной конференции «Теоретические основы энергосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств» г. Иваново и на Всероссийском дорожном конгрессе, г. Москва.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы (115 наименований) и приложений. Работа содержит 131

страницу основного текста.

Методы исследования. Экспериментальные исследования производились в лабораторных условиях и на опытно-промышленной установке. Математическое моделирование осуществлялось с помощью уравнений механики, вероятностных и статистических методов. Расчеты, обработку результатов эксперимента и численное и аналитическое решение уравнений производили на ЭВМ.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, из них 8 - в изданиях, предусмотренных перечнем ВАК.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность , приведены данные о структуре работы, сформулированы основные цели и задачи исследования.

В первой главе рассматриваются основные типы и конструкции существующих измельчителей центробежно-ударного действия. Выполнен анализ современных методов моделирования процессов движения дисперсных материалов в центробежных устройствах, разреженных потоках и при ударе. Приведена и обоснована постановка задач исследований. Показано, что неравномерный износ отбойников и лопастей связан с конструктивными особенностями существующих устройств.

Вторая глаза посвящена математическому моделированию процессов движения материалов в процессе измельчения в новом устройстве с криволинейными лопастями, В начале главы приводится анализ разрушения рабочих органов центробежно-ударной мельницы при измельчении неоднородных материалов. На рис. 1 и 2 представлены фотографии истощенных отбойных элементов и ускорителя мельницы «Титан».

Рис. 1. Изношенные отбойные элементы Рис. 2. Изношенные лопасти и диски ускорителя

Для снижения интенсивности износа элементов измельчителя были проведены предварительные опытные исследования, на основе которых разработана конструкция ускорителя с наклонными и криволинейными лопастями (рис.3).

Рис. з.

Схема конструкции центробежно-ударного измельчителя:

1-устройство загрузки,

2-устройство выгрузки,

3-корпус, 4-ускоритель, 5-лопасти, 6-привод,

7-отбойные элементы,

8-подьемный механизм, 9-направляющие лопает, 10-класси-фикатор

При работе центробежно-ударного измельчителя подвергаемый измельчению материал подается из устройства загрузки во вращающийся ускоритель. Частицы захватываются лопастями, под действием центробежных сил движутся от его центра к периферии и разбрасываются. Разреженный поток твердых частиц ударяется об отбойные элементы, равномерно расположенные по периметру внутренней поверхности корпуса.

При ударном взаимодействии с отбойными элементами происходит их разрушение с образованием полидисперсного потока. Для извлечения частиц измельченного материала требуемого размера мельница снабжена воздушным классификатором.

Предварительно проведенными опытами работы ускорителя с наклонными и криволинейными лопастями установлено, что криволинейные лопасти имеют ряд существенных преимуществ перед наклонными. Наличие вертикальной составляющей скорости материала при движении по наклонным лопастям обеспечивает прижатие материала к верхнему диску, при сходе с которого соударение потока частиц с поверхностью отбойника будет происходить под углами, отличающимися от наиболее эффективных с точки зрения измельчения.

С целью повышения степени однородности потока по всей поверхности лопасти в ее периферийной зоне, увеличения его ширины была разработана конструкция криволинейной лопасти с переменным углом наклона.

Далее приводится теоретическое исследование механизма поведения дисперсной среды в рабочей камере центробежного измельчителя в зоне криволинейных лопастей.

С позиций методов механики сплошных сред дано описание движения дисперсного материала в рабочем объеме указанного устройства, что позволяет рассчитать: скорость «срыва» материала с криволинейной лопасти; угол ее наклона, необходимый для реализации условия равномерности потока материала по высоте лопасти; толщину слоя материала при выходе из рабочей камеры.

Использована цилиндрическая система координат с началом в центре диска основания ускорителя (рис. 4). Оценка указанных искомых величин проводится в зависимости от конструктивных и режимных параметров устройства, которыми являются гь, Л>- радиусы, соответственно, загрузочного отверстия и дисков основания и крышки; /г- высота лопасти при «срыве» материала с ее поверхности (расстояние между дисками);^ -число лопастей; а - угловая скорость их вращения .Т.к. насыпная плотность рг дисперсного материала значительно превышает плотность газообразной фазы (индекс «1») ограничимся рассмотрением механики поведения только дисперсной составляющей (индекс «2») дисперсной среды с учетом среднего размера частиц. В силу инерционных эффектов дисперсный материал испытывает значительное прижатие к одной из криволинейных лопастей.Поэтому порозность а2 можно считать постоянной величиной, а относительную скорость движения фаз равной начальной скорости материала у0 .Практически отсутствуют изменения окружной скорости твердого скелета V2в в угловом направлении.

Рис. 4. Расчетная схема ;пя движения дисперсного материала вдоль криволинейной лопасти

Осреднение напряжений твердого скелета выполняется с учетом хаотического поступательного движения частиц и наличия параметра псевдовязкости /лр. Составим уравнения движения материала в рабочей ячейке центробежного устройства в проекции на радиальное и окружное направления с учетом инерционных эффектов в виде:

v2rдv2г/дг = -Ву2гг~2 - о)2г - 2шгв, (1)

О = BV2вr~2 + 2шу2г. (2)

Коэффициент В учитывает вид составляющих эффективного тензора напряжений. Условием равномерного истечения материала с поверхности лопасти может служить следующее:

(у2гд1;2г/дг + У2вдр2в/дг)\г=Ко.в=а = 0. (3)

Система уравнений (1)-(3) при Т — ВД0~2( 1 - 4шгВ~гЯ0~4) позволяет рассчитать и2г(Яо,0) - радиальную скорость «срыва» дисперсной фазы для сыпучей среды с криволинейной лопатки центробежного устройства:

"2Г(П0,0) = и^Яо-'а-'СГВ2 + 4й02ш2 +{В2[Г2В2 + 8Я04а2(Г2 + +4<и2)] + 16Д08й)4(7'2 + 8ш2)}1/2). (4)

Для оценки угла наклона лопасти ¡3 применим закон сухого трения Тц = справедливый при движении дисперсного материала по поверхности лопасти МоММ (рис. 4). Составляющие тензора напряжений твердого скелета - касательная г, и нормальная - Р, на указанной границе вычисляются с учетом псевдовязкости потока и коэффициента восстановления для удара частиц среды о лопатку. Тогда при введении параметра ц0 = /5|Р5|/Лргполучено выражение:

р = агс^С/гЧЭНОо2 + ^ХсоЦоТУ1 - (г0 + 2/?„)2]1/2}.(5) Функция Рмм(гм,,/{„)¡¡ля угла наклона лопасти в зависимости от радиальной координаты Гмм ее точки закрепления на диске радиусом Я> определяется согласно уравнению прямой ММ (рис. 4) в полярных координатах и выражению (5) при координатах точки А

во, = КЯо - Ад )[Ъ (Я, - га)\%Р]~Х и гВ) = З"1 [(г0 + 2Я0)2 + (Л • в

форме рм„ц„ (гд/оЖо) = агс1§ [И(%> - г0) [(/?о - гмм )(/ь + гло^д]"1}-Оценка толщины слоя Ьт = N¡¡№0 (рис. 4) согласно формуле:

Ьш =

До[2(1-со81$ИГ (6)

"о

связана с расчетом угловой координаты точки Щ свободной поверхности на ободе диска'из уравнения линий тока 6ги(в)!с1в = Ф для

области СМШУо, где р2ви, и2ги, - радиальная и окружная составляющие скорости дисперсной фазы материала в указанной зоне (рис. 4).

Графики соответствующих зависимостей: конструктивного параметра /?= /2(а),г0,Й0,/1) из (5);скорости «срыва» сыпучего материала v2(.R0,O) = ДО.Го.До,/!) из (4); толщины слоя 1т =/зиз (6) представлены на рис. 5-6 и получены согласно следующим входным данным при движении щебняв процессе производства минерального порошка. Режимные параметры установки: п = (1,2 • 103 - 1,3 • 103) об/мин; (? = 8,3 • 10"2 кг/с; а„, = 1,484 рад; конструктивные: = 4; Л = 4,0 • 10~2 м; г0 = (4,0 • Ю-2 - 4,5 • 10-1)м; й0 = (4.8 -5,5)10-1м. Физико-механические характеристики для материала: р, = 2,0 • 103 кг/м3; а2 = 0,95; а = 3,5 • 10~2 м; ц2 = 2,0 • Ю-1; 7^ = 2,5 -Ю-1;/, = 4,5- КГ1.

ршг

0.0495 йота овзо? с ома г.

а)

!].42 0.« СГ<| 0.51 СЛ 0 53 0ЛЯ.1

б)

Рис. 5. Результата моделирования угла наклона лопасти /? = /г(0),г0,Яо,И) при движении частиц щебня : Й = 4,0-10"2 м; / - =1,2-10' об/мин; 2- Пг =1,25 10' об/мин; 3- Щ =1,30 10' об/мин; а) р(гь,а>)\ /4> =5,0-10"' и, б) Р(Яо,а));гь= 5,0-10~2 м м

Рис. 6. Сопоставление результатов теории и опытных данных для Ьт = /з((и,г0,йз,Л) щебня :

й = 4,0-10"2м; п =5,0-Ю"2 м; / -Лэ = 4,5-10 'м; 2- А, = 5,0-10''м;^- Д,=5,5-10"'м;

кривые - расчет; точки - эксперимент.

Ввиду большого числа случайных факторов при Ч<1 математическом описании используется вероятностный __подход. Распределение

Рис. 7. Расчетная схема процесса образования разреженного чИСЛа ЧаСТИЦ ДИСПерСНОГО потока

потока <1К1 в элементе фазового объема г/Г, = Л^сй^йГО, экспоненциально

убывает в зависимости от энергии частицы Е/'.

<1Я1 = АХ ехр(-£, / £01)с/Г,. (7)

Здесь энергия £;Состоит из кинетической энергии и энергии, вызванной расширением потока за счет взаимодействия частиц с воздухом

= mv], /2 + /г£У2 /2 + m(yAtg<f\f /2, /г=8/5юД\ m = 2vxl/D^ (8) Неизвестная константа.^ в (7) определяется из условия нормировки, а параметр Е0- из уравнения энергетического баланса, составленного для момента образования потока.

Дифференциальная функция распределения числа частиц по углам рассеивания будет описываться выражением:

1 /УД/ 1 i vilmw Акта

= I Jexp(9)

a(Pi JV!r| "iv.^A^

После интегрирования имеем:

*i = Jp(l + tg2<pj/E0„ кг = £>lni„-£>lmax . В этих выражениях erf - функция ошибок. Выражение (10) может быть использовано для расчета зоны разрушения отбойных элементов.

д В следующей части главы

рассматривается процесс ударного взаимодействия разреженного потока с отбойными элементами.

Рис.8. Расчетная схема процесса образования отраженного дисперсного потока твердых частиц: 1-набегающий поток,2- отраженный поток, 3-ускоритель, 4- отбойный элемект

В этом случае распределение числа частиц отраженного дисперсного потока в элементе фазового объема dT2 = dv2dD2 пропорционально

энергии частицы Е2:

dN2 = А2ехр(~Е2 / E02)dT2. (12)

Энергия£2складывается из кинетической и поверхностной энергии, которая для твердых частиц имеет вид:

(13)

В случае дробления неоднородных частиц(в частности асфальтобетонного гранулята), состоящих из твердой составляющей, частиц тонкодисперсного материала, песка, и вязкого связующего:

(14)

где g",, q2 — коэффициенты, зависящие от физико-механических свойств измельчаемых материалов.

Параметры распределения (12) находятся из условия нормировки и энергетического баланса в момент удара. Тогда:

_L

ЛТ2 \\

U4-J

/2(А) =

-Щ[сгНв2У2т,„) - егГ (02у2изх)]ехр(£3)

А= А

ЪВгрп

.(15)

Константа 03для хрупких (однородных) частиц А = -с, /(й22л-£02),для неоднородных^ = / (О2я£02).Для среднего диаметра частиц имеем:

< Д >= т"г = -Л( А2™, - А™ ) -

2 Г ____• (16)

/>/£02Д = -^Ъкр/Е02, в5 = -Ъд(пЕ,п)~\

Для определения параметров распределения (12) и значения среднего размера получаемых частиц в установившемся режиме (с учетом рециклов) необходимо учитывать изменение гранулометрического состава перерабатываемого материала.

Число частиц, уносимых газовым потоком при работе классификатора:

^ = ^(А-Ат,„ША)- (17)

Тогда количество частиц, требующих повторного дробления:

^=^(А™-А)/2(А)- (18)

Выражения(17) и (18) позволяет вычислить энергетический параметр распределения (12) и описать процесс измельчения с учетом материала, подаваемого на повторное измельчение.

В третьей главе приведенырезультатысравнительных исследований основных положений разработанных математических моделей на опытной установке (Рис. 9).

Рис. 9- Схема опытной установки: 1 -обечайка, 2-вал, 3-диск, 4- лопасти, 5- привод, 6-бункер, 7- воронка 8-отбойные элементы, 9-устройство выгрузки. /?- угол наклона лопасти к диску

В опытах использовался щебень и асфальтовый гранулят, а также их смесь в массовом соотношении 1:1.

Далее приведены некоторые качественные показатели движения частиц. Траектории движения частиц по поверхностям лопастей фиксировались нанесением слоя краски на рабочие поверхности (Рис.10).

ШИШШ

■нвшш а шшмк) ни ятяшшшшшишиишвявш)

Рис. Ю. Следы движения частиц материала по поверхностям наклонных лопастей: а) /?=90 , б)криво-линейная «=1200 мин'1, 0=100 кг/ч

По характеру отслаивания краски и фотографирования поверхностей лопастей проводили анализ движения потока частиц материала, траекторий движения, и, в конечном итоге плотности потока по лопасти. Представленные схемы указывают на то, что в случае опытов с прямоугольными лопастями с углом наклона к поверхности диска /?=90° (Рис.10 а), что имеет место в большинстве центробежных ускорителей, практически весь материал движется в нижней зоне лопасти (по диску) в радиальном направлении."

Вследствие этого в зоне крепления наблюдается интенсивное разрушение как диска, так и самой лопасти. При движении частиц по поверхности криволинейных лопастей силовые факторы, действующие на частицы, распределяют их по всей поверхности. Качественное исследование движения частиц в разреженном потоке и взаимодействия проводилось с использованием имитаторов отбойных элементов, в виде деревянных брусов с хрупкими вставками.

Из представленных фотографий (Рис.11) видно, что в случае использования криволинейных лопастей изношенная поверхность имеет меньшую глубину, но большую площадь.

Для проверки адекватности математической модели ударного взаимодействия потока частиц с отбойными элементами опытным данным были проведены опыты по измельчению щебня и асфальтового гранулята на промышленной центробежно-ударной мельнице «Титан». Сравнение опытных и расчетных данных показано на рис.12 и 13.

а)«=]

Рис. 11. Фотографии имитаторов

шж

Ь) «=1200 мин"1, криволинейная отбойных элементов-

м Х10"3

Рис.12. Дифференциальные функции распределения числа частиц по размерам: сплошные линии -расчет, точки - опытные данные = 2.355, А2 = 2.511 • 103

ООО оо: 00« сое ом с.» о.ч О?ом

Рис. 13. Дифференциальные функции распределения числа частиц по размерам с учетом повторной переработки: сплошные линии -расчет, точки -опытные данные Е02 =2.441, А =2.437-103

Представленные сравнения свидетельствуют о незначительных расхождениях теоретических и промышленных данных, не превышающих 10%. Сдвиг максимума кривой распределения частиц щебня влево по

отношению к кривой распределения асфальтобетонного гранулята свидетельствует о более тонком помоле. Сравнивая соответствующие кривые на рис. 12 и 13 видно, что повторное измельчение позволяет уменьшить средний размер частиц щебня с 0,067 мм до 0,048 мм, а старого асфальтобетона с 0,08 мм до 0,065 мм.

Четвертая глава посвящена созданию инженерной методики расчета измельчителя с новой конструкцией ускорителя. В начале главы приведено определение потребляемой мощнос+и на установившемся режиме и в процессе разгона ускорителя.

Мощность, потребляемая при установившемся режиме работы ускорителя, складывается из мощности, расходуемой на преодоление сил трения и мощности, направленной на разгон частиц до требуемой скорости:

л= К + = (21)

В этом выражении VI -средняя скорость частиц при сходе с лопасти, <2 -массовый расход материала.

Мощность, затрачиваемая на трение:

К = М.0, М,г = ^ = т^ (22)

)

где Лц -радиус опорной поверхности крепления ускорителя, /коэффициент трения, та - масса ускорителя с находящимся в нем материалом.

Мощность, затрачиваемая на вращательное движение ускорителя в процессе запуска, может быть рассчитана по формуле:

Л^ЛУ/^), (23)

где 3а - момент инерции ускорителя относительно оси вращения; со- угловая скорость на установившемся режиме; время запуска.

Время разгона до требуемой угловой скорости определяется из дифференциального уравнения вращательного движения ускорителя:

<„ = 4®/ К- (24)

На рис. 14 приведена блок схема расчета. Блок 1 соответствует вводу исходных данных. Исходными данными являются: физико-механические характеристики материала (плотность р, фракционный состав, коэффициент к, наибольший и наименьший размер измельчаемых частиц О-^х и 02тт). Далее выполняется задание пределов изменения угловой скорости (блок 2). В блоке 3 вводится начальное значение скорости. Затем производится вычисление параметров распределения числа частиц по диаметрам Аг по и (блок 4).Средний размер частиц после измельчения вычисляется в блоке 5. В шестом блоке сравнивается расчетное значение среднего диаметра измельченных частиц с требуемым значением. В случае соблюдения данного условия выводятся рассчитанные значения определяемых параметров (<£>2>, V?) (блок 7); в противном случае осуществляем переход к блоку 8, где скорости присваивается новое значение. В блоке 9 производится проверка попадания модуля скорости в диапазон, описанный в блоке 2. При

выполнении условия производится возврат к блоку 4 и повторяется расчет. При невыполнении условия - переход к блоку 7.

В конце главы дается описание разработанных автором приспособлений для защиты лопастей и наиболее изнашиваемых боковых поверхностей ускорителя от отраженных потго-ков частиц для промышленных мельниц.

В работе приведены данные по расчету затрат на производство 1 тонны асфальтобетонной смеси с использованием модернизированной мельницы для АБЗ№4 «Капотня» г. Москва.

Общие выводы и результаты работы

1. Анализом опытных данных и промышленных испытаний работы мельниц центробежно-ударного типа выявлены причины неравномерного износа отбойных элементов, приводящие к их частой замене и разборке всей установки, что объясняется, в первую очередь, характером распределения объемной плотности взаимодействующего с отбойниками дисперсного потока подлежащих измельчению материалов.

2. Экспериментальным путем установлено, что использование лопастей криволинейной формы в ускорителе позволяет получить потоки материала с равномерным распределением объемной плотности частиц по их поверхностям. Выявлено, что при этом обеспечивается снижение интенсивности износа отбойных элементов, более равномерный износ по высоте, увеличение межремонтного периода.

3. На основе методов механики гетерогенных сред построена модель движения твердых дисперсных материалов по криволинейной лопасти центробежного измельчителя. В результате моделирования дано теоретическое обоснование возможности получения равномерной плотности потока материала по лопасти и по поверхности отбойного элемента после срыва с лопасти.

4. Получены подтвержденные экспериментальными данными зависимости для расчета скоростей и толщины слоя частиц при сходе с лопасти, а также угла её наклона к плоскости горизонтального диска, которые использованы при разработке инженерной методики расчета модернизированного центробежно-ударного измельчителя.

Я 7

I исходна* /

/ цанчп' /

: определение предшлаб изменения у

бичисление

Л

1

расчет

<ч>

Ж

1

Г ¥-*.+ « 1

--

й

получеымья р93уяыгютс6

7

I конец 3

Рис. 14-Блок схема расчета измельчителя

5. С использованием вероятностного подхода составлено математическое описание формирования разреженного потока твердых частиц лопастным ускорителем центробежно-ударной мельницы. Полученное выражение для дифференциальной функции распределения числа частиц в потоке позволяет ■ оценить размеры и форму зоны износа отбойных элементов.

6. Разработана математическая модель ударного взаимодействия расширяющегося дисперсного потока однородных и неоднородных частиц с отбоййыми элементами. Использованием аналитического выражения дифференциальной функции распределения числа частиц по размерам предложен метод определения фракционного состава измельчаемого материала с учетом повторно перерабатываемых частиц.

7. Сравнительные исследования основных положений математической модели ударного взаимодействия материала с отбойными элементами с данными промышленных испытаний на мельнице центробежно-ударного типа «Титан М-125» показали, что расхождение во всем диапазоне исследуемых параметров не превышает 10%.

8. Применительно к инженерной методике расчета центробежно-ударного измельчителя составлена блок-схема и приведены примеры расчета процесса измельчения щебня и асфальтового гранулята. Представлен расчет потребляемой установкой мощности для разгонного этапа и на установившемся режиме работы. Предложены конструктивные решения, обеспечивающие уменьшение износа деталей ускорителя от отраженных отбойными элементами частиц.

9. Внедрение новой установки с криволинейеными лопастями на АБЗ-4 «Капотня» г. Москва позволит снизить себестоимость 1тонны асфальтобетонной смеси на 6,29 руб.

Основные условные обозначения D -диаметр частицы, fs - коэффициент скольжения материала о лопасть,/¿-осевой момент инерции частицы, т -масса частицы, «-частота вращения ускорителя, N -число частица-массовый расход материала, t-время, V- скорость,Я-радиус диска, г - радиальная координата цилиндрической системы,- усредненный угол падения частиц материала в загрузочной области, ß - угол наклона лопасти,^ - коэффициент восстановления при соударениях двух частиц с усредненными размерами а, r}L - коэффициент восстановления для удара частиц среды о лопатку, в -угловая координата цилиндрической системы, -максимальное значение угла рассеивания, /»-плотность материала, р, - истинная плотность вещества материала.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Суханов, A.C. Механика движения сыпучих сред по криволинейным лопаткам центробежных измельчителей / A.C. Суханов, А.Б. Капранова, А.П. Лупанов, А.Е. Лебедев // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2012,- Т. 55, вып. 2. - С. 108-111.

2. Суханов, A.C. Математическое описание движения частиц в разреженном потоке центробежного измельчителя ударного действия / A.C. Суханов, А.Е. Лебедев, А. И. Зайцев, А. П. Лупанов // Фундаментальные исследования. - М., 2012.-№3.-С. 133-137.

3. Лебедев, А. Е. К расчету процесса ударного взаимодействия потока твердых частиц с преградой/ А. Е. Лебедев, А. И. Зайцев, A.A. Петров, И.С. Шеронина, A.C. Суханов // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. -Иваново, 20 Ц. - Т. 54, вып. 6. - С. 105-106.

4. Суханов, A.C. Получение активированного минерального порошка в центробежно-ударной мельнице / А. С. Суханов, А. П. Лупанов, Т. Н. Кондратьева // Строительные материалы. -M., 2009. - № 11. - С. 12-14.

5. Лупанов, А.П. Исследование процесса измельчения асфальтового гранулята для вторичного использования/ А. П. Лупанов, А. С. Суханов, Т. Н. Кондратьева // Строительные материалы. - М., 2008. - № 5. - С. 58-59.

6. Пат. № 2317273 Российская Федерация, МПК С04В26/26, Е01С19/10. Способ регенерации асфальтобетона / А.П. Лупанов, A.C. Суханов, И.И. Капанадзе [и др.]. - Опубл. 20.02.2008.

7. Пат. № 2346103 Российская Федерация, МПК Е01С19/10, С04В26/26. Способ и установка изготовления наполнителя для асфальтобетона / А.П. Лупанов, A.C. Суханов, И.И. Капанадзе [и др.]. - Опубл. 10.02.2010.

8. Пат. № 2374199 Российская Федерация, МПК С04В26/26, С04В20/20. Способ получения минерального порошка / А.П. Лупанов, A.C. Суханов, И.И. Капанадзе [и др.]. - Опубл. 27.11.2009.

9.Суханов, A.C. Математическое моделирование процесса измельчения сыпучего материала в устройстве центробежно-ударного типа / А. С. Суханов, А. А. Мурашов, А. П. Лупанов, Д.А. Личак // Теоретические основы энергосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств: сб. трудов IX-й Междунар. Науч. конф . -Иваново, Россия, 2010. - № 11.-С. 199-203.

10. Лупанов, А.П. Совершенствование технологии переработки асфальтобетона / А. П. Лупанов, А. С. Суханов, Т. Н. Кондратьева // Второй всероссийский дорожный конгресс: сб. науч. тр. /МАДИ МОО «Дорож. Конгресс». -М.,2010,- С. 282-296.

11. Заявка. № 201126728 Российская Федерация. Центробежно-ударная мельница / А.И. Зайцев, А.Е. Лебедев. А.Б. Капранова, A.C. Суханов. - опубл. 29.06.2011.

Автор благодарен коллективу кафедры теоретической механики, доценту Лебедеву А.Е. за ценные замечания при выполнении работы, консультации.

Подписано в печать 21.03.2012 г. Печ. л. 1. Заказ 358. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а. тел. 30-56-63.

61 12-5/2324

Ярославский государственный технический университет

На правах рукописи

Суханов Алексей Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В МЕЛЬНИЦЕ ЦЕНТРОБЕЖНО-

УДАРНОГО ТИПА

Специальность: 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, А.П. Лупанов

Ярославль 2012 г.

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

6

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО КОНСТРУКЦИЯМ УСТРОЙСТВ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНО-УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ И МЕТОДАМ ИХ

РАСЧЕТА........................................................................... 11

1.1. Агрегаты для измельчения материалов центробежно-ударного

действия............................................................................. 11

Центробежные дезинтеграторы..................................................................................11

1.1.2 Центробежно-ударные мельницы..............................................................14

1.1.3 Центробежно-струйные мельницы............................................................19

1.2 Анализ математических моделей движения и измельчения

в аппаратах центробежно-ударного действия.............................. 22

1.2.1 Математические модели измельчения сыпучих сред...... 22

1.2.2 Модели движения частиц материалов в центробежных ускорителях........................................................................ 27

Выводы по главе 1:........................................................ 32

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ И УДАРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКА ЧАСТИЦ С ОТБОЙНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ В МЕЛЬНИЦАХ ЦЕНТРОБЕЖНО-УДАРНОГО ТИПА................................................................................. 34

2.1 Анализ процесса изнашивания отбойных элементов и лопастей центробежно-ударных мельниц.................................... 34

2.2 Разработка конструкции измельчителя неоднородных материалов центробежно-ударного типа..................................... 38

2.3 Исследование движения сыпучего материала вдоль криволинейной лопасти измельчителя........................................ 42

2.3.1 Современные методы описания движения сыпучих сред... 42

2.3.2 Особенности движения системы твердые частицы - газ... 44

2.3.3 Описание движения зернистых материалов в рабочей камере центробежного измельчителя......................................... 46

2.3.4 Поиск скорости «срыва» материала с криволинейной лопасти измельчителя............................................................ 49

2.3.5 Методика определения угла наклона лопасти центробежного измельчителя................................................... 50

2.3.6 Оценка толщины слоя сыпучего материала при его «срыве» с криволинейной лопасти............................................. 53

2.3.7 Результаты моделирования....................................... 56

2.4 Математическое описание формирования разреженного потока твердых неоднородных частиц........................................ 60

2.5 Математическое описание образования отраженного разреженного потока.............................................................. 64

2.6 Определение фракционного состава измельчаемого материала с учетом повторно перерабатываемых частиц................ 69

Выводы по главе 2:........................................................ 71

ГЛАВА 3 СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ИЗМЕЛЬЧЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ................................................................... 73

3.1 Описание опытной установки...................................... 73

3.2 Опытное изучение движения частиц материала по рабочим 75 органам ускорителя...............................................................

3.3 Экспериментальное исследование движения частиц в разреженном потоке............................................................... 81

3.4 Расчет размеров и глубины зоны износа......................... 89

3.5 Экспериментальное исследование процесса измельчения твердых материалов на модернизированной промышленной центробежно-ударной мельнице................................................ 92

3.5.1 Описание конструкции измельчителя центробежно-ударного действия на примере мельницы «Титан М-125»................ 92

3.5.2 Описание экспериментальных исследований по измельчению неоднородных материалов..................................... 95

Выводы по главе 3:......................................................... 102

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НОВОГО ЦЕНТРОБЕЖНО-УДАРНОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ.................................................................. 103

4.1 Расчет потребляемой мощности................................... 103

4.1.1 Определение мощности, потребляемой измельчителем на установившемся режиме работы............................................... 103

4.1.2 Мощность, расходуемая на запуск аппарата.................. 104

4.2 Определение основных режимных и конструктивных параметров измельчителя........................................................ 107

4.3 Разработка приспособлений для защиты деталей ускорителя от вторичных отражений частиц................................. 111

4.3.1 Взаимодействие отраженного потока частиц с лопастями. 111

Выводы по главе 4:..................................................................................................................117

Общие выводы..........................................................................................................................118

Литература..........................................................................................................................120

Приложения..............................................................................................................................130

Введение

Измельчение материалов - наиболее распространенный процесс многих отраслей промышленности, химической - в том числе. Это объясняется тем, что спрос на тонкодисперсные материалы неуклонно растет. В то же время процессы измельчения материалов остаются, пожалуй, наименее изученными технологическими процессами ввиду сложности физических процессов разрушения частиц.

Измельчение твердых материалов нашло применение и в производстве минерального порошка для асфальтобетонных смесей, который получают путем помола щебня карбонатных пород, а также различных добавок (например гранулята старого асфальтобетона). Это один из наиболее дорогостоящих компонентов, составляющий 10 % от стоимости асфальтобетонной смеси. Размер частиц колеблется в пределах от 0,05 до 1,25 мм. В различных отраслях промышленности используется большое разнообразие мельниц, выбор которых определяется, в первую очередь, физико-механическими свойствами подлежащих измельчению материалов, требованию к конечному фракционному составу. Наибольшее распространение, в частности, в производстве асфальтобетонов, применительно к измельчению щебня, асфальтового гранулята получили мельницы центробежно-ударного действия.

Однако, при измельчении асфальтового гранулята в центробежно-

ударных устройствах, особенно на стадии тонкого измельчения,происходит

быстрый износ деталей оборудования. Наибольшему износу подвержены

лопасти вращающегося ускорителя и отбойные элементы. При этом было

установлено, что разрушаются лишь некоторые участки рабочих органов

измельчителя. Одним из возможных путей повышения надежности деталей

измельчительного оборудования в мельницах этого типа является

организация одинаковых условий движения и взаимодействия всех частиц

материалов с поверхностями рабочих органов ускорителей и отбойных

элементов. В этом случае износ поверхностей деталей рабочих органов будет

6

осуществляться равномерно и с пониженной интенсивностью. Такие условия движения и взаимодействия материала с элементами измельчителя могут быть достигнуты при выполнении лопастей вращающегося ускорительного устройства наклонными или криволинейной формы.

В этом случае выбором определенных значений режимных и конструктивных параметров можно обеспечить равномерный характер распределения материала по всей высоте лопасти, а образующийся при срыве с лопасти разреженный поток будет перед отбойным элементом иметь равномерную объемную плотность твердых частиц.

В виду малой изученности процессов движения материала по таким лопастям, отсутствия методов расчета образования и движения дисперсных потоков за ускорителем, их ударного взаимодействия с отбойными элементами, необходимы теоретические и экспериментальные исследования данных процессов. Это позволит выдать рекомендации по конструктивной модернизации аппаратов данного типа и созданию методов расчета.

Цель работы-теоретико-экспериментальные исследования движения и ударного взаимодействия материалов в мельнице центробежно-ударного типа и на основании этого обоснование конструктивной модернизации ускорителя за счет введения криволинейных лопастей для повышения эффективности помола и срока службы узлов.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

-создание математического описания процесса движения материала по поверхностям криволинейных лопастей ускорителя центробежно-ударного измельчителя;

- выявление зависимостей скоростей потока, угла наклона лопасти к плоскости горизонтального диска, толщины слоя от режимных, конструктивных параметров, физических свойств материала;

-теоретическое обоснование возможности получения равномерной по высоте отбойного элемента подачи материалов;

-разработка математических описаний движения разреженных потоков до и после удара с отбойными элементами с целью получения данных по распределению частиц в потоках по углу рассеивания и размерам;

-проведение серии сравнительных исследований основных положений математической модели ударного взаимодействия материалов с отбойными элементами с данными работы промышленных и лабораторных мельниц;

-создание на основе теоретических и экспериментальных исследований методики инженерного расчета модернизированных устройств с криволинейными лопастями для измельчения твердых материалов.

Научная новизна работы

- на основе механики гетерогенных сред построено математическое описание движения материалов по поверхностям криволинейных лопастей вускорителе центробежно-ударного измельчителя. Получены аналитические зависимости для угла наклона лопасти к плоскости горизонтального диска, скоростей движения материалов и толщины слоя при сходе с лопасти;

- дано теоретическое обоснование возможности получения практически постоянной толщины слоя по ширине лопасти при срыве с нее материала;

- с использованием вероятностного подхода созданы математические описания движения и ударного измельчения твердых, в том числе неоднородных частиц. Получены дифференциальные функции распределения числа частиц по угловой координате для набегающего потока и по диаметрам - для отраженного;

- на основе теоретико-экспериментальных исследований создана методика инженерного расчета режимных и конструктивных параметров модернизированного измельчителя материалов.

На защиту выносятся следующие положения:

- математическое описание движения частиц по криволинейным

лопастям в новом ускорителе центробежно-ударного измельчителя в

8

условиях равномерного потока материала по ширине лопасти на выходе из рабочей камеры;

- математическое описание процесса движения материалов в потоке за ускорителем и при ударном взаимодействии с отбойными элементами;

- основные результаты опытных и теоретических исследований процессов движения материалов и измельчения в лабораторных и промышленных условиях;

-конструкция модернизированного измельчителя и метод расчета конструктивных и режимных параметров.

Практическая ценность работы:

- использование на основе теоретико-экспериментальных исследований новой конструкции ускорителя позволяет снизить интенсивность износа лопастей и отбойных элементов мельниц центробежно-ударного типа, что повышает их срок службы и увеличивает межремонтный период;

-внедрение созданной в работе модернизированной конструкции узла ускоритель-отбойник способствует повышению эффективности работы мельницы;

- методика инженерного расчета конструктивных и режимных параметров центробежно-ударного аппарата будет востребована при разработке оборудования для измельчения материалов различной природы на предприятиях химической и других отраслей промышленности.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных положений и выводов диссертации базируется на комплексном применении современных физико-механических и математических методов анализа, результатов промышленных испытаний, удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных.

Личный вклад автора.

Диссертантом разработаны математические модели. Выполнен весь объем опытных исследований, проведены необходимые расчеты, обработаны

и проанализированы результаты, сформулированы выводы по каждому разделу работы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной научной конференции «Теоретические основы энергосберегающих процессов, оборудования и экологически безопасных производств» г. Иваново и на Всероссийском дорожном конгрессе, г. Москва.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы (115 наименований) и приложений. Работа содержит 131 страницу основного текста.

Методы исследования. Экспериментальные исследования производились в лабораторных условиях и на опытно-промышленной установке. Математическое моделирование осуществлялось с помощью уравнений механики, вероятностных и статистических методов. Расчеты, обработку результатов эксперимента и численное и аналитическое решение уравнений производили на ЭВМ.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, из них 8в изданиях, предусмотренных перечнем ВАК .

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО КОНСТРУКЦИЯМ УСТРОЙСТВ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕЙ

ЦЕНТРОБЕЖНО-УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ И МЕТОДАМ ИХ РАСЧЕТА

1.1. Агрегаты для измельчения материалов центробежно-ударного действия

Одним из эффективных способов измельчения материалов является ударное измельчение в аппаратах центробежного действия [1-18]. В связи с этим известно большое количество предназначенных для этих целей устройств.

Известные типы центробежно- ударных измельчителей можно классифицировать [18]:

- по способу разрушения частиц: центробежные дезинтеграторы, центробежные диспергаторы, центробежно- ударные и центробежно-струйные мельницы;

- по наличию или отсутствию в аппаратах мелющих тел;

- по степени измельчения: мельницы, дробилки;

- с классификатором продуктов измельчения и без него.

1.1.1. Центробежные дезинтеграторы

Дезинтеграторами называют тип машин центробежного типа для мелкого

дробления хрупких малоабразивных материалов [19]. Состоят из двух и более

вращающихся в противоположные стороны роторов (корзин), насаженных на

отдельные соосные валы и заключённых в кожух. На дисках роторов по

концентрическим окружностям расположены обычно 2—4 ряда круглых

цилиндрических или прямоугольных пальцев (бил) таким образом, что каждый

ряд одного ротора свободно входит между двумя рядами другого. Отличительные

11

особенности дезинтеграторов от других типов центробежных мельниц — возможность переработки склонных к агрегированию материалов и хорошее одновременное перемешивание измельчаемого материала, что иногда используется в технологических целях. В зависимости от предназначения дезинтеграторы могут быть с горизонтальным и вертикальным расположением роторов. Одним из достоинств этого типа измельчителей является то, что в силу конструктивных особенностей ротора скорость механического нагружения частиц возрастает по мере перемещения материала к выходному отверстию.

На рисунке 1.1 представлена наиболее распространенная схема дезинтегратора с вертикальным расположением роторов [ 21 ] .

Рисунок 1.1- Схема дезинтегратора с вертикальным расположением

роторов

Агрегат состоит из вертикально расположенного цилиндрического корпуса 1, внутри которого размещены вращающиеся в противоположные

стороны диски 4. На поверхностях дисков размещены ударные прямоугольные элементы 2. Привод дисков осуществляется от электродвигателей 5, обеспечивающих противоположное вращение дисков. Измельчаемый материал поступает внутрь корпуса через загрузочное приспособление 3 и направляется при помощи шнека в центр одного из дисков. Под действием центробежных сил куски измельчаемого материала движутся к краям дисков. При движении происходят многократные соударения с ударными элементами, приводящие к разрушению частиц.

Основными недостатками данного устройства является быстрый и неравномерный износ ударных элементов (в большинстве современных конструкций дезинтеграторов, выполненных из дорогостоящих марок стали). Для замены изношенных деталей требуется разборка всего агрегата, что приводит к длительному простою. Кроме того, на измельчение необходимо подавать материал со сравнительно небольшими размерами частиц.

Конструкция дезинтегратора с горизонтальным расположением роторов [22] представлена на рисунке 1.2. В данном устройстве с целью повышения долговечности ударных элементов и снижения их стоимости применяются цилиндрические билы, расположенные по концентрическим окружностям.

Рисунок 1.2 - Схема дезинтегратора с горизонтальным расположением

роторов

Дезинтегратор содержит цилиндрический корпус