автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Струйная мельница с отбойной плитой

На правах рукописи

Хлудеев Виктор Иванович

СТРУЙНАЯ МЕЛЬНИЦА С ОТБОЙНОЙ ПЛИТОЙ

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 2006

Работа выполнена на кафедре механического оборудования предприятий промышленности строительных материалов Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

В.А. Уваров

Официальные оппоненты: д. т. н., проф. Л.А. Сиваченко

к. т. н., проф. Е.Ф. Катаев

Ведущая организация: ОАО «НИИЦемент» (г. Москва)

Защита диссертации состоится 28 февраля 2006 г. в 1300 на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при Белгородском государственном технологическом университете имени В.Г. Шухова (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242).

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

Автореферат диссертации разослан «д^» января 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук ^

М.Ю. Ельцов

Мяв А

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Создание нового поколения минеральных вяжущих материалов: вяжущих низкой водопотребности (ВНВ), тонкомолотых цементов (ТМЦ), быстротвердеющих портландцементов (ПЦ) и шлакопортландцементов (ШПЦ) сопряжено с необходимостью тонкого измельчения.

Дисперсность получаемого продукта в значительной мере определяет качество получаемых продуктов и влияет на повышение их технологических и потребительских свойств. Необходимость повышения дисперсности строительных и других материалов приводит к потребности совершенствования существующего и созданию нового оборудования и технологий для тонкого и сверхтонкого измельчения.

Известно, что помол является весьма энергоемким технологическим переделом в производстве минеральных компонентов, вяжущих, порошков-наполнителей. Так, в цементной промышленности общие затраты энергии на производство 1 т цемента составляют в среднем 110130 кВт ч, в том числе на помол сырья и клинкера 58-65 кВт-ч, т. е. более 50 %. Вместе с тем, высокая прочность измельчаемых материалов приводит к ускоренному износу мелющих тел и других органов измельчителей, что отражается на металлоемкости измельчительных процессов и в целом на их стоимости. Все это заставляет искать новые энергосберегающие технологии помола и заниматься разработкой высокоэффективного оборудования.

Существенный интерес представляет способ высокоскоростного измельчения материалов, реализуемый путем придания ускорения измельчаемым частицам при помощи струй сжатого воздуха, пара или газа. Использование высоких скоростей, до нескольких сотен метров в секунду в установках газоструйного типа, позволяет повысить и регулировать дисперсность получаемого продукта в весьма широких пределах. Кроме того, появляется возможность реально использовать преимущества высокоскоростного избирательного измельчения многокомпонентных смесей материала для получения продуктов с заданными свойствами.

Цель работы - разработка оптимальной конструкции и методики расчёта основных технологических и конструктивных параметров струйной мельницы с отбойной плитой, обеспечивающей снижение удельного расхода энергоносителя.

Задачи исследований.

1. Разработать методику расчета конструктивно-технологических и газодинамических параметров струйной мельницы с отбойной плитой.

2. Разработать математические модели, описывающие движение частиц материала по разгонной трубке, в помольной камере и при ,

БИБЛИОТЕКА . С,Пет«рбург 09 <

3. Создать экспериментальную модель, разработать методики исследований струйной мельницы с отбойной плитой.

5. Исследовать влияние режимов работы струйной мельницы с отбойной плитой на эффективность процесса измельчения.

6. Выявить рациональные конструктивные и технологические параметры струйной мельницы с отбойной плитой.

7. Разработать теоретически обоснованное конструктивное решение помольного узла струйной мельницы с отбойной плитой, позволяющее повысить эффективность.процесса измельчения в составе комплекса для получения цемента с заданными свойствами.

Научная новизна.

1. Разработаны аналитические выражения, описывающие движение частиц материала по разгонной трубке.

2. Получены зависимости, позволяющие определять скорость энергоносителя и устанавливать связь между скоростью частицы и скоростью энергоносителя в разгонной трубке и рассчитывать объемный расход материала.

3. Разработаны аналитические выражения для расчета значений компонент скоростей частиц материала в помольной камере и в момент удара о плиту, и позволяющие определять число частиц полученных в результате удара.

Практическая значимость работы.

На основании результатов исследований разработано принципиально новое конструктивное решение струйной мельницы с самофутерующейся отбойной плитой, конструкция которого защищена патентом РФ на полезную модель № 49736. Применение данной мельницы в составе по мольного комплекса обеспечивает стабильное получение цементов с свойствами регулируемыми в широких пределах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях, проводимых в БГТУ им. В.Г. Шухова: VII региональной научно-практической конференции «Молодые ученые - науке, образованию, производству» в 2004г. и Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» в 2005г.

Реализация работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса измельчения, методики расчета рациональных конструктивных и режимных параметров, разработанный вариант технологического комплекса струйного измельчения производительностью до 500 кг/ч цемента внедрены в экспериментальное производство в ООО «Экотехцентр», а также используются в учебном процессе на кафедре механического

оборудования предприятий промышленности строительных материалов Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, получено 2 патента РФ.

Положения, которые выносятся на защиту.

1. Аналитические выражения, описывающие движение частиц мате-

риала по разгонной трубке.

2. Зависимости для определения скорости энергоносителя и устанавли-

вающие связь между скоростью частицы и скоростью энергоносителя в разгонной трубке и позволяющие рассчитывать объемный расход материала.

3. Выражения, определяющие значения компонент скоростей частиц

материала в помольной камере и в момент удара о плиту

4. Результаты экспериментальных исследований в виде регрессионных

моделей, позволяющие определить влияние основных факторов, обуславливающих протекание процесса измельчения, на производительность мельницы, удельную поверхность получаемого продукта и давление рабочего энергоносителя на выходе из разгонной трубки.

5. Патентно-чистое конструктивное решение помольного узла струй-

ной мельницы с отбойной плитой.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 120 наименований. Работа изложена на 151 странице, в том числе содержит 50 рисунков, 5 таблиц.

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 рассмотрено оборудование для измельчения клинкера и добавок традиционными способами и новые направления создания оборудования для получения цементов и других строительных материалов.

Рассмотрены основные направления развития техники и технологии тонкого и сверхтонкого измельчения. Проведен анализ оборудования реализующего струйный способ измельчения и существующих методик расчета противоточных струйных мельниц. Представлен анализ влияния гранулометрического состава цемента на его свойства.

Выполнено обоснование выбора принципиальной схемы струйной мельницы с отбойной плитой.

Приведены конструкция и принцип действия запатентованной конструкции струйной мельницы с самофутерующейся отбойной плитой, предназначенной для получения цементов с удельной поверхностью от 3000 до 7000 см2/г.

Струйная мельница с самофутерующейся отбойной плитой (рис.1) имеет источник энергоностителя 1 и разгонное устройство 2. Камера помола 3 представляет собой сопряжение разгонного устройства 2 и патрубка пылеуноса 10. Загрузочный бункер 4 с питателем 5 расположен над источником энергоносителя 1. Емкость с футеровочным материалом 6 примыкает к нижней части патрубка пыле уноса 10, объединяясь с ним в месте удара разогнанного материала. Над патрубком пылеуноса 10 расположен классификатор 7, из которого пылевоздушная смесь разряжением, создаваемым вентилятором 9 вытягивается в пылеосадительное устройство 8.

Рис. 1. Конструкция струйной мельницы с самофутерующейся отбойной плитой: 1 - источник энергоносителя; 2 - разгонное устройство; 3 - камера помола; 4 - загрузочный бункер; 5 - питатель, 6 - емкость с футеровочным материалом; 7 - классификатор; 8 - пылеосадительное устройство; 9 - вентилятор; 10 - патрубок пылевозврата, 11 - течка возврата

Струйная мельница с самофутерующейся отбойной плитой работает следующим образом. Перед первым пуском мельницы ёмкость 6 заполняется футеровочным, либо измельчаемым материалом. Исходный продукт, подлежащий измельчению, засыпается в загрузочный бункер 4, откуда посредством питателя 5 под действием силы тяжести поступает одновременно в три разгонных устройства 2. Подхватываемый сжатым энергоносителем, например, воздухом или газом, истекающим из источника энергоносителя 1, материал разгоняется в разгонном устройстве 2 и, попадая в камеру помола 3, ударяется о материал, поступающий из ёмкости 6 под собственным весом. Измельчённый продукт разряжением, создаваемым вентилятором 9, по патрубку пылеуноса 10 поднимается в классификатор 7, где происходит разделение пылевоздушной смеси: готовый продукт с энергоносителем уносится разряжением в пылеосади-тельное устройство 8, а недоизмельчённый материал под собственным весом по течке возврата 11 поступает на повторное измельчение.

Таким образом, использование самофутерующейся камеры помола позволяет исключить простои мельницы, связанные с заменой отбойной плиты. Вместо этого, достаточно просто добавлять футеровочный материал в ёмкость 6 по мере его расходования.

Исходя из вышеизложенного, поставлены цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрен процесс движения энергоносителя и материала в разгонном и помольном узлах струйной мельницы с отбойной плитой. При рассмотрении движения двухфазной системы: энергоноситель (сжатый воздух) - частицы материала, пренебрегаем взаимодействием частиц материала друг с другом и со стенками разгонной трубки. Предполагаем, что при движении воздуха по разгонной трубке в ее сечениях скорость энергоносителя в поперечном направлении является величиной постоянной, а может изменяться только лишь вдоль оси у разгонной трубки. Будем считать процесс движения энергоносителя адиабатным с показателем адиабатно

Введем декартову систему коор динат (X, У) (рис. 2) с точкой отсчет в начале разгонной трубки Ось "х направлена вдоль разгонной трубки. Положительное направление оси "х" совпадает с направлением движения энергоносителя. Тогда изменение

ста у = 1,4.

х

Ро

у0 р(х), Р(х), у(х), и(х)

Рис. 2. Расчетная схема

скоростей энергоносителя и материала, в силу сделанных допущений будет зависеть только от одной координаты "х". Следовательно, задача о движении частиц материала в поле скоростей энергоносителя является одномерной.

Соотношение связывающие изменение скорости, давления, плотности в разгонной трубке может быть представлено в виде:

р(х) я

-u2(x) + ny,lf (и(х)- V(x))\u(x) - V(x)\p(x)

2 а0 2

(1)

d(x)

где d(x)~ изменение давления в разгонной трубке на расстоянии "х" от ее начала, Па; р(х) - плотность энергоносителя в разгонной трубке вдоль ее оси, кг/м3; и(х) - скорость энергоносителя на расстоянии "х" от начала разгонной трубки, м/с; "к - коэффициент аэродинамического трения; d0 - внутренний диаметр разгонной трубки, м; /ш - площадь Миделевого сечения, м2.

Для того, чтобы исключить функцию Р(х) из уравнения (1) необходимо найти давление, воспользовавшись соотношением:

Р(х) = Р*

и(х)

(2)

Исключив функцию Р(х) из уравнения (1) получим следующее дифференциальное уравнение, описывающее движение двухкомпонентной смеси по разгонной трубке:

2 yRT

и(х)

1

и0и( X )

•1

du Л . , wQ. dx d0 Vmp,

тУт )

v

1-

V(x)

u(x)j

u(x)

V(x)

(3)

Поле скоростей частиц материала определяется аналитическими зависимостями скоростей энергоносителя и материала от координаты "х".

dV dx

l!L

4 d,

£l

v Pm

l-

V(x) u(x)

U(X)

V(x)

-1

(4)

Описание динамики движения одиночной частицы в зависимости от ее координаты задается уравнением: .¿V

FZT = Р(Х)МХ) ~ Y(x))\u(x) - V(x)\. dx ndlPm

(5)

Тогда в силу соотношений (3) и (4) полная система уравнений, определяющая скорости энергоносителя и частиц материала при их движе-

нии по разгонной трубке можно представить в следующем виде:

2С

и0и(х)

-1

с1У_ Л

¿(х)

= 3 4 </, "С

К„Р,„ К

У(Х)

и(х)

и(х)

У(Х)

Ро Рт

У(х)

и(х)

У(х)

-1

где С = 4уКТ (7)

Величина (7) представляет собой скорость звука в воздухе. Система уравнений (6) устанавливает связь между бесконечно малыми изменениями скорости энергоносителя и частицы материала. Данная связь, как следует из соотношений (6) зависит как от конструктивных параметров устройства: коэффициента аэродинамического трения Я, внутреннего диаметра разгонной трубки с10, так и технологических параметров к которым следует отнести также величины как скорость звука в воздухе С, плотность частиц материала р„„ массового расхода материала <2,„.

Рассмотрение движения по разгонной трубке чистого энергоносителя без твердой фазы можно произвести на основе уравнения:

2С

иаи( х)

V

-?Ч -1

и(х)

йи(х) Я . . —= —и(х) . й( х) с10

(8)

Интегрирование уравнения (7) с начальными условиями: и(х)=и0 при х=0 приводит к соотношению:

( Vй"

1-[зи +1п

2С

(у + 1М

и(х)

и(х)

X

(9)

Полученное соотношение в неявной форме определяет скорость движения чистого энергоносителя по разгонной трубке в зависимости от координаты "х" и параметров трубки. Данная зависимость скорости имеет довольно сложный вид. Для упрощения полученной зависимости линеаризуем функцию (9).

и(х) = ий

1 + -

Ах ' 1С2

(10)

Учет соотношения (2) и (10) позволяет получить изменение давления энергоносителя по длине разгонной трубки в линейном приближении:

Р(х) = Ра

1 —

Хух

' 2С2 '

• 1

(11)

Далее, если предположить, что сила трения энергоносителя о стенки разгонной трубки мала, по сравнению с силой динамического воздействия воздуха на частицу, тогда в силу системы уравнений (6) можно получить соотношение:

2Лг

где

иаи(х)

Р = -

и(х)

-1

(1и(х) = ¡МУ(х),

утР„

о у

Рт К

Л) ;и.

Интегрирование уравнения (12) с учетом начального условия: и(х) = м0; У(х) = о0; при х = 0;

(12)

(13)

(14)

позволяет установить связь между скоростями энергоносителя и частицы:

У(х) = и0+^

(и0-и( х)) +

1С1

Уи о

/ ( \ г)

1- щ

V {и(х); >

(15)

которую в линейном приближении можно записать в виде:

. (16)

Р «о

На основании (15) можно определить скорость одиночной частицы в помольной камере:

(и°х~и(х))-

2С

Г«л

1-

( о V и.

и(х))

(17)

где >у(х) - скорость частицы в помольной камере, которая распространяется в осевом направлении, м/с;

У,0=Г(1Т), (18)

и*=и(1т). (19)

На основании уравнения, описывающего удар одиночной частицы об отбойную плиту:

ах

(20)

где: Е, =

ти

кинетическая энергия, которой обладает частица

материала в момент удара об отбойную плиту, Дж; А - площадь сечения

скорость звука в материале, м/с; т - масса

2 ~ \Е материала, м ; С0 =

частицы, кг.

Предположив, что вся кинетическая энергия частицы расходуется на разрушение материала, причём, считая материал идеальным твёрдым телом, полагаем, что куски, образовавшиеся в результате, имеют одинаковую длину Дх. Тогда проинтегрировав выражение (20) получим:

= АртсЛ~Лх, V т

(21)

где Е0 = — Ут - энергия, которую необходимо затратить, чтобы 2 Е

разрушить частичку материала, объёмом Ут, Дж; п - число кусков, образовавшихся в результате разрушения частицы в материала объёмом Ут; ор - разрушающее напряжение, Н/м2.

Выразим характерный размер частицы материала (для частицы округлой формы это <1г) через размер кусков, образовавшихся в результате разрушения

¿2 = дх-п. (22)

С учетом соотношений (21) - (22) находим выражение для числа образовавшихся частей материала:

2 "

п =

3_Е_ 2 а

р ;

(23)

Таким образом, полученные аналитические зависимости (6), (15) описывают движение энергоносителя и материала по разгонной трубке, а зависимость (И) определяет изменение статического давления энергоносителя в разгонной трубке.

Зависимость (17) позволяет определить скорость частицы в момент удара о плиту. Результаты расчета по формуле (23) позволяют определить число образовавшихся частиц материала после удара.

На основании разработанных аналитических выражений с использованием программы CosmosFloWorks выполнены расчеты газодинамических параметров.

На рисунке 3 представлены расчетные схемы движения двухфазной смеси в струйной мельнице, оснащенной отбойной плитой. Также приведена диаграмма давления рабочего агента (смешанного воздуха).

Рис. 3. Расчетная схема движения двухфазной смеси в струйной мельнице: а) при максимальном удалении отбойной плиты, б) при минимальном удалении отбойной плиты

При максимальном удалении отбойной плиты объем рабочей камеры максимальный, струя двухфазного потока при приближении к отбойной плите начинает отклоняться вверх, в связи с чем в зоне измельчения появляются касательные нагрузки и, естественно, истирающие усилия; в нижней части рабочей камеры образуется устойчивый вихревой поток более плотный у отбойной плиты и менее плотный у отражательной плиты в начале рабочей камеры; в верхней зоне камеры часть струй (около 50%) ударяется об отражательную плиту и вместе с остальным потоком выводится через разгрузочный патрубок ламинарным потоком в сепаратор; в нижней зоне рабочей камеры, отраженные от отбойной плиты частицы измельчаемого материала не доходят до отражательной плиты и выводятся с общим потоком в сепаратор. Это свидетельствует о том, что наиболее эффективно работает только верхняя часть камеры помола.

Характер диаграммы величины давления рабочего агента по ходу его движения (рис. За) показывает, что максимальное давление достигает 0,7 МПа перед выходом из сопла, на срезе сопла оно снижается до 0,56 МПа при входе в диффузор разгонной трубки, когда уже осуществляется забор измельчаемого материала, оно составляет 0,36 МПа. Далее в разгонной трубке оно снижается до минимальной величины, равной 0,09 МПа. По всему тракту разгонной трубки оно практически не изменяется.

При максимальном приближении отбойной плиты размер рабочей камеры уменьшается, характер линии тока двухфазной смеси изменяет-

ся. Выходящая из разгонной трубки двухфазная смесь не отклоняется, вследствие чего материал перпендикулярно ударяется об отбойную плиту, затем отлетает и ударяется об отражательную плиту (рис. 36) как в верхней, так и в нижней зонах рабочей камеры. При этом в нижней зоне рабочей камеры также образуется более плотный вихревой поток. Исходя из схемы движения двухфазного потока эффективность процесса измельчения в этом случае выше.

Диаграмма давления рабочего агента при максимальном приближении отбойной плиты показывает, что давление сжатого воздуха возрастает до 0,757 МПа, т.е. на 7%, на обрезе сопла оно составляет 0,616 МПа, тоже выше на 0,049 МПа, чем в первом случае. На входе в разгонную трубку давление равно 0,474 МПа - выше, чем в предыдущем случае на 0,043 МПа. В разгонной трубке давление рабочего агента равно 0,121 МПа - выше на 0,031 МПа, чем в предыдущем случае.

Таким образом, можно, на основе проведения расчетов, с уверенностью прогнозировать, что в случае максимально приближения отбойной плиты к разгонной трубке эффективность процесса измельчения в струйной мельнице будет максимальной.

На рис. 4 представлены расчетные графические зависимости изменения давления сжатого воздуха по тракту его движения. Характер кривых, их сравнительный анализ также подтверждает ранее сделанные выводы о том, что при равном исходном давлении сжатого воздуха, равном 0,1 МПа давление в сопле и разгонной трубке в случае максимального приближения отбойной плиты к разгрузочной трубке выше, чем при максимальном удалении отбойной плиты.

Р, Па) к

Рис. 4. Расчетная зависимость давления рабочего агента в камере помола: а) при максимальном удалении отбойной плиты, б) при минимальном удалении отбойной плиты

На рис. 5 представлены расчетные зависимости скорости рабочего агента по тракту его движения.

V, м/с у к

V, \

-и

ал »ыхоа ю ол сопла

1ВМХОЛ II ) ' ОЛ II?

птноЬтр)6кн ' м

Рис. 5. Расчетная зависимость скорости рабочего агента в камере помола: а) при максимальном удалении отбойной плиты, б) при минимальном удалении отбойной плиты

В обоих случаях расчетная скорость сжатого воздуха в патрубке составляет около 750 м/с, затем она снижается до 30 м/с в случае максимального удаления отбойной плиты и до 100 м/с в случае максимального приближения отбойной плиты. Это называется «подпором», возникающим в связи с тем, что диаметр отверстия в сопле в 10 раз меньше, чем в патрубке. Затем, при приближении к соплу и на выходе из сопла скорость резко возрастает до 650 м/с в случае максимального удаления отбойной плиты и до 560 м/с в случае максимального приближения отбойной плиты. Это объясняется тем, что при приближении отбойной плиты существует подпор, поэтому скорость рабочего агента ниже и в данном примере это составляет 90 м/с.

В диффузоре и разгонной трубке скорости сжатого воздуха также различные, при этом в случае приближенной отбойной плиты она выше - 530 - 550 м/с, а при максимальном удалении - 420 - 440 м/с. Далее, после выхода из разгонной трубки, скорость резко падает до 280 - 310 м/с.

На основании анализа графика скоростей (рис. 5) также подтверждается сделанный выше вывод о том, что процесс измельчения осуществляется более эффективно при приближении отбойной плиты к разгонной трубке. Кроме этого, график изменения скорости сжатого воздуха по тракту позволяет определить рациональную длину рабочей камеры.

В данном случае можно рекомендовать установить отбойную плиту на расстоянии 60 - 80 мм от торца разгонной трубки.

На рис. 6 представлены расчетные зависимости изменения плотности энергоносителя по ходу его движения от входного патрубка до отбойной плиты.

р. . кг/м* у (

—/

14 <и жычодт II

СОП-Ы

Рис. 6. Расчетные зависимости изменения плотности рабочего агента по тракту его движения' а) при максимальном удалении отбойной плиты, б) при минимальном удалении отбойной гиты

В начале входного патрубка плотность сжатого воздуха при температуре +200С, давлении 0,1 МПа составляет около 1,25 кг/ м3.

По мере приближения к соплу плотность рабочего агента возрастает до 5,2 кг/ м3 в случае максимального удаления отбойной плиты к разгонной трубке и до 5,5 кг/ м3 в случае максимального приближения отбойной плиты к разгонной трубке. Это объясняется тем, что площадь поперечного сечения в конфузоре перед соплом уменьшается при постоянном расходе воздуха и возрастающим давлении возрастает плотность сжатого воздуха.

В диффузоре плотность поперечного сечения в сравнении с площадью сопла резко возрастает (до 100 раз), вследствие чего, соответственно, падает плотность сжатого воздуха. Причем, в обоих случаях она составляет около 1,3 кг/ м3. В разгонной трубке плотность сжатого воздуха примерно одинаковая, обоих рассматриваемых случаях и составляет в среднем 1,0- 1,1 кг/м3.

У отбойной плиты плотность сжатого воздуха возрастает примерно до 1,75 кг/ м3. Это подтверждается и диаграммой линий тока, представленной на рис. 3.

Таким образом, представленные здесь расчеты в виде графиков, выполненные на основе полученных аналитических моделей позволяют дать оценку эффективности работы мельницы с учетом изменения ее конструктивных параметров.

В третьей главе описаны план, программа и методики проведения экспериментальных исследований, описана лабораторная установка, определены характеристики исследуемого материала. Выявлены основные факторы, влияющие на эффективность процесса измельчения в струйной мельнице с отбойной плитой, установлены уровни их варьирования, определены параметры оптимизации.

В качестве плана эксперимента выбран план полного факторного эксперимента ЦКОП 24. Основные факторы: и (х,) - число оборотов ротора сепаратора, 397 - 1103 мин"'; с1к {х2) - диаметр камеры помола, 51 -79 мм; (хз) - диаметр сопла, 2,6 - 5,4 мм; 1К (х4) - длина камеры помола, 66 - 94 мм. Параметры оптимизации: 0 - часовая производительность мельницы, кг/ч; 5 - удельная поверхность готового продукта, см2/г, Р - давление воздуха на выходе из разгонной трубки, МПа.

На рис. 7 представлена схема лабораторной экспериментальной установки.

Рис. 7. Схема экспериментальной струйной мельницы с отбойной плитой: 1 - загрузочный бункер; 2 - эжектор; 3 - сопло; 4 - разгонная трубка;

5 - отводной патрубок; 6 - сепаратор; 7 - циклон; 8 - рукавный фильтр;

9 - вентилятор; 10 - отбойная плита; 11 - винт регулировки положения отбойной плиты

Результаты поисковых экспериментов показали, что при трехкратном повторении каждого из них наибольшее расхождение по параметрам оптимизации составляет: при измерении давления воздуха на выходе из разгонной трубки Р - 4,2 %, при измерении часовой производительности

<2 - 4,8 %, при измерении удельной поверхности готового продукта 5 -4,85 %.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, получены и проанализированы уравнения регрессии, осуществлен выбор рационального режима процесса измельчения в струйной мельнице с отбойной плитой.

Влияние исследуемых факторов на производительность струйной мельницы с отбойной плитой, выражается уравнением регрессии в кодированном виде:

Q = 20,44 - 2,5 Ц - 0,1*2 - 0,05х3 - 0,75л:4 + 0,7' - 0,08х22 - х] -- 1,5x1 + 0,15х\хг + 0,5дГ[Х3 + 0,7х,х4 + 0,2хгхг - 0,15х2х4 + 0,003х3х,

(24)

Анализ величин коэффициентов и знаков при соответствующих факторах дает основание сделать следующие выводы.

Наибольшее влияние на величину параметра оптимизации, в данном случае производительность мельницы оказывает фактор X) или частота вращения ротора сепаратора (рис. 8). Следующим по значимости является фактор х4 - длина камеры помола, затем х2 - диаметр камеры помола и наконец х3 - диаметр сопла. Причем, фактор X/ влияет в 25,1 раза больше, чем фактор х2, в 50,2 раза больше, чем фактор х3 и в 3,35 раз больше, чем фактор х4

Рис. 8. Графические зависимости: Q(n) при (dt, dj = const и QfLiJ при (d„ dj = const

При увеличении частоты вращения ротора сепаратора снижается граница разделения классифицируемого материала, уменьшается количество готового продукта - это очевидно. Например, при увеличении частоты вращения ротора с 250 до 1250 мин"' производительность мельницы снижается с 23,98 до 16,90 кг/ч, т.е. на 7,08 кг/ч или на 29,5%.

Увеличение диаметра камеры помола с 45 до 85 мм приводит к уменьшению производительности мельницы с 20,58 до 20,30, т.е. всего лишь на 0,28 кг/ч или на 1,4%. Это не существенно, поэтому диаметр камеры помола необходимо выбирать, таким, который бы обеспечивал

минимальный расход воздуха, при максимальной тонкости помола.

Еще меньше влияние на изменение производительности мельницы оказывает изменение величины диаметра сопла в назначенном нами интервале исследований для данной конструкции мельницы.

Увеличение диаметра сопла с 2,5 до 6,5 мм, т.е. в 2,6 раза снижает производительность мельницы с 20,51 до 20,37, т.е. на 0,7%.

И, наконец, изменение длины камеры помола с 60 до 100 мм, т.е. на 40 мм (66,7%) приводит к снижению производительности мельницы с 21,49 до 19,38 кг/ч на 2,11 кг/ч или на 9,8%.

Уравнение регрессии, выражающее зависимость удельной поверхности готового продукта от исследуемых факторов имеет вид: 5 = 6860 + 645л:, - 34х2 + 64х3 - 43х4 - 781*? - 43 \х\ -

-431^3-418^-46,9^

Также как и в случае формирования функции отклика 0(п, йь ¡к) наибольшее влияние на формирование величины удельной поверхности оказывает фактор X; - частота вращения ротора сепаратора (рис. 9).

S(n) при (d„ Lij = const и S(dc) при (п, L/J = const

Положительные коэффициенты при факторах х1 и х3 свидетельствуют о том, что с увеличением частоты вращения ротора сепаратора и диаметра сопла удельная поверхность продукта измельчения возрастает. Причем весовое значение факторах/ в 10 раз больше, чем фактора

Например, при изменении частоты вращения ротора сепаратора с 750 до 1250 мин'1 Удельная поверхность измельченного клинкера возрастает с 6860 до 7772 см2/г, т.е. на 912 см2/г или на 13,3%. Увеличение диаметра сопла с 4 до 6,5 мм вызывает увеличение удельной поверхности измельченного клинкера с 6860 см2/г до 6950,5 см2/г, т.е. на 90,5 см2/г или на 1,3%.

Отрицательные коэффициенты перед факторами х2 и х4 свидетельствуют о том, что с увеличением х2- диаметра камеры помола и х4 - длины камеры помола удельная поверхность готового продукта уменьшается. Это очевидно и не требует дополнительных объяснений: с увеличением

х2 и х4 увеличиваются габаритные размеры камеры помола, а объем и скорость энергоносителя остаются без изменений, вследствие этого снижается энергонапряженность в рабочей зоне камеры помола и, естественно, эффективность процесса измельчения.

Весовое влияние каждого из факторов х2 и х4 на формирование функции отклика - S примерно равное х4 = 1,26х3, т.е. фактор х4 весомее фактора на 26%.

Таким образом, наибольшее влияние на изменение тонкости помола материала оказывает режим работы сепаратора, а именно - частота вращения ротора сепаратора.

Уравнение регрессии, выражающее зависимость давления в рабочей камере мельницы от исследуемых факторов имеет вид:

Р = 0,2844 - 0,0069*3-0,0089л:,2 - 0,0089х22 - 0,0265х] - 0,0089х2 (26)

Исходя из величины коэффициентов и их знаков в уравнении (26) необходимо сделать следующие выводы. На величину давления сжатого воздуха в рабочей камере мельницы наибольшее влияние оказывает диаметр сопла - х3. С увеличением диаметра сопла давление, при постоянном расходе сжатого воздуха, в рабочей камере мельницы снижается. Это очевидно. Например, при диаметре сопла равном 4 мм давление в рабочей камере мельницы составляет 0,2844 МПа, при увеличении диаметра сопла до 6,5 мм давление в рабочей камере мельницы снижается до 0,2746 МПа, т.е на 3,4%.

Изменение частоты вращения ротора - xh диаметра камеры помола - х2 и длины камеры помола - х4 не оказывают существенного влияния на величину давления в рабочей камере мельницы.

Однако, судя по знакам перед этими факторами (они отрицательные) при их увеличении давление в рабочей камере падает, потому что увеличивается объем камеры помола. Это в полной мере подтверждает физическую сущность процессов, происходящих в мельнице и указывающих на то, что полученное уравнение регрессии (26) адекватно отражает процесс измельчения в струйной мельнице.

Анализ графических зависимостей, представленных на рис. 10 позволяет сделать следующие выводы.

Зависимость Р(п) имеет экстремальный вид с явно выраженным экстремумом в области факторного пространства, равном «0» или в центре факторного эксперимента, что соответствует частоте вращения ротора, равной 750 мин"1. При этом изменение диаметра камеры помола от 45 до 85 мм практически не влияет на изменение величины давления рабочего агента в камере помола мельницы. Изменение диаметра сопла в большей мере влияет на изменение давления в камере помола мельницы. Например, при уровне факторов xi и х3 рав-

ном «-1» давление в рабочей камере мельницы равно 0,17 МПа, а при уровне фактора х3 равном «0» давление в камере помола равно 0,2 МПа, т.е. возросло на 0,03 МПа

Аналогичные изменения давления происходят при всех вариантах уровней исследуемых факторов. Сравнительный анализ графиков Р(п) и Р(с1и) показывает, что и зависимость Р(с1к) имеет экстремальный вид с менее выраженной точкой экстремума, которая также находится в центральной области факторного пространства.

Изменение уровней фактора х2 существенно меньше влияют на изменение параметра оптимизации - Р, чем фактор х¡.

Изменение величины фактора х2 не существенно влияет на величину параметра оптимизации Р.

Наибольшая величина давления в рабочей камере мельницы, а значит и эффективность процесса измельчения достигается при диаметре камеры помола, равном 65 мм.

В отличие от графических зависимостей Р(п), Р(с1к), Р(йс), графическая зависимость Р(Ьк) линейная монотонно убывающая. При этом величина фактора х2 практически не влияет на величину и характер изменения функции Р(Ьц), о чем свидетельствует совпадение графических зависимостей Р(Ьк) при любых значениях фактора х2-

Изменения диаметра сопла - х} в большей мере изменяет величину давления в рабочей камере мельницы при любых значениях длины камеры помола - х4. Это подтверждает ранее сделанные выводы.

Таким образом, проведенные нами экспериментальные исследования по выявлению зависимости при различных значениях уровней факторов х,, х2, х3 позволили определить рациональные значения длины камеры помола, соответствующие наибольшей эффективности процесса измельчения при минимальной расходе энергоносителя. Эта длина равна 80 мм.

Используя уравнения (24, 25, 26) представляется возможность оптимизировать процесс измельчения в исследуемой мельнице. Исходными

г.

Рис. 10. Графические зависимости: Р(п) при (dt, Ьц) = const и P(Lij при (п, dij = const

данными для решения этой задачи являются ранее полученные уравнения регрессии ((), 5, Р) (п, с1и <4 4), которые выступают как функции цели, зависящие от четырех переменных: частоты вращения ротора сепаратора - п, диаметра камеры помола - <1к, диаметра сопла - с!с, длины камеры помола - 4.

Поиск экстремумов осуществляется по следующим требованиям: значения производительности, удельной поверхности и давления рабочего агента должны стремиться к максимуму:

(£?-ипах, 5->шах, Р-мпах). (27)

Анализ уравнения регрессии <2(х, х2, х3, х4) и графических зависимостей, показывает, что условие (27) ()—>тах выполняется при следующих значениях факторов: частота вращения ротора - 250 мин"1; диаметр камеры помола - 45 мм; диаметр сопла - 2 мм; длина камеры помола - 60 мм, при этом производительность мельницы достигает максимальной величины, равной 25,5 кг/час.

Рис. 10. Оптимальные значения Рис. 11 Оптимальные значения

функций отклика (Р.Б.О) (п). функций отклика (РЛО) (¿к)

Экстремума функций ()(х1 х2, хз, х4) достигает при следующих значениях факторов: п = 750 мин'1; = 65мм; с1с = 4 мм; 4 = 80 мм.

Максимальные значения удельной поверхности готового продукта достигаются при частоте вращения ротора сепаратора 750-=-850 мин'1; диаметре камере помола - 65 мм; диаметре сопла - 4 мм и длине камеры помола мельницы - 80 мм. Максимальная величина удельной поверхности 5 готового продукта достигает 700 м2/кг.

Что касается максимума функции Р(х/ х2, х3, х4), то согласно уравнению регрессии и графическим зависимостям, представленным на рис. 10 -11, она соответствует ее экстремуму равна 0,29 МПа при следующих значениях факторов: частота вращения ротора сепаратора - 750 мин'1; диаметре камеры помола - 65 мм; диаметре сопла - 4 мм и длине камеры помола - 80 мм.

В пятой главе приведены данные по промышленному внедрению опытно-промышленного образца струйной мельницы с отбойной плитой в условиях ООО «Экотехцентр».

Опыт эксплуатации установки в промышленных условиях показал, что пробы цемента, полученные в струйной мельнице с отбойной плитой по своему качественному составу являются предпочтительными в применении при изготовлении сухих строительных смесей. Применение таких цементов с высокой удельной поверхностью позволило снизить расход цемента в сухих строительных смесях от 7 до 21% в зависимости от их назначения при одновременном сохранении всех прочих показателей.

Экономический эффект от внедрения струйной мельницы с отбойной плитой составил 443 тыс. руб.

Основные результаты и выводы

1. Выполненный анализ оборудования и основных направлений развития и совершенствования техники и технологии тонкого измельчения строительных материалов показал, что в свете современных технологий перспективны струйные мельницы, которые возможно применять для средних и малых производств высокодисперсных материалов, что делает актуальным создание новых простых конструкций таких мельниц на основе оптимизации и уточнения методики расчёта основных технологических и конструктивных параметров.

2. На уровне изобретения разработана принципиально новая конструкция струйной мельницы с самофутерующейся отбойной плитой, предназначенная для получения цементов с регулируемой удельной поверхностью.

3. На основании исследований получены: аналитические выражения, описывающие движение частиц материала по разгонной трубке; зависимости для определения скорости энергоносителя и устанавливающие связь между скоростью частицы и скоростью энергоносителя в разгонной трубке и позволяющие рассчитывать объемный расход материала; выражения, определяющие значения компонент скоростей частиц материала в помольной камере и в момент удара о плиту, выражение позволяющее определить число образовавшихся частей материала после удара.

4. В лабораторных условиях проведена экспериментальная проверка разработанных теоретических моделей.

5. Выявлены закономерности влияния исследуемых параметров: числа оборотов ротора сепаратора п, диаметра камеры помола ¿4, диаметра сопла <1С и длины камеры помола 1к на производительность Q, удельную

поверхность S и давление воздушного потока Р. Установлена общая область расположения оптимумов по выходным параметрам, что подтверждается адекватностью квадратичных моделей.

6. На основании использования уравнений регрессии осуществлена оптимизация конструкции и технологических режимов работы мельницы при условиях, когда выполняется требование (Q, S, />)—мпах.

7. Установлено, что для любого набора входных параметров и, dK, dc и 1К существует предпочтительное их сочетание, когда производительность и удельная поверхность стремятся к максимуму при максимальном давлении на срезе разгонной трубки это достигается при следующих значениях факторов: частота ращения ротора - 800 мин" ; длина камеры помола - 65 мм; диаметр сопла - 4 мм; длина камеры помола - 80мм.

8. Разработан и изготовлен опытно-промышленный образец струйной мельницы с отбойной плитой. Проведены его промышленные испытания, которые показали эффективность использования такого типа мельниц применительно к получению цементов с регулируемыми потребительскими свойствами. При удельном расходе энергоносителя 0,85т/т реальная производительность мельницы составила 495кг/ч по готовому продукту с удельной поверхностью до 9000 см2/г. Экономический эффект от внедрения струйной мельницы с отбойной плитой в условиях ООО «Экотехцентр» составил 443 тыс. руб.

Библиографический список

1 Уваров В.А. Воронов В.П., Хлудеев В.И., Карпачев Д.В., Поздняков С.С. Расчет эффективного взаимодействия измельчаемых материалов в помольной камере противоточной струйной мельницы// Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: Сб. науч. тр. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004. - С. 46-50.

2 Богданов B.C., Булгаков С.Б., Дмитриенко В.Г., Хлудев В.И. Модернизированная струйная противоточная мельница// Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: Сб. науч. тр. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004. - С. 17-20.

3 Поздняков С.С., Хлудев В.И. Расчет скоростей эффективного взаимодействия измельчаемых материалов в помольной камере струйной мельницы// Молодые ученые - науке, образованию, производству: Сб. науч. тр. региональной науч.-практ. конф - Старый Оскол: СТИ МИСиС, 2004,- С. 134-139.

4 Хлудеев В.И., Уваров В.А., Карпачев Д.В., Ярыгин A.A. Струйная мельница с самофутерующейся камерой помола// Современные тех-

нологии в промышленности строительных материалов и стройинду-стрии: Материалы Междунар. научно-практич. конф. - Белгород: Вестник БГТУ, №11, Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005. - С. 233235.

5 Воронов В.П., Уваров В.А., Хлудеев В.И., Поздняков С.С. К вопросу о постановке задачи расчета параметров пылегазового потока, истекающего из кольцевого насадка// Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: Межвуз. сб. статей. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005. - С. 55-58.

6 Патент РФ № 46203 МКИ В 02 С 19/06. Разгонная трубка эжектора/ Уваров В.А., Карпачев Д.В., Хлудеев В.И., Ярыгин A.A. Опубл. 27.06.05г., БИ №18

7 Патент РФ № 49736, МКИ В 02 С 19/06. Струйная мельница с самофутерующейся камерой помола/ Хлудеев В.И., Уваров В.А., Карпачев Д.В., Ярыгин A.A. Опубл. 10.12.05г., БИ №34

1

Подписано в печать 60x84/16

Усл. печ. л. 1,4.

Тираж 100

Формат Заказ № Й

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

i" 2 б 1 9

i

! ?

I i

Г /

Стр.'

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ КЛИНКЕРА И ДОБАВОК.

1.1 Оборудование для измельчения клинкера и добавок традиционными способами.

1.2 Новые направления создания оборудования для получения цементов и других строительных материалов.

1.3 Основные направления развития техники и технологии тонкого и сверхтонкого измельчения.

1.4 Анализ оборудования реализующего струйный способ измельчения.

1.5 Существующие методики расчета струйных противоточных мельниц.

1.6 Анализ влияния гранулометрического состава цемента на его свойства.

1.7 Обоснование выбора принципиальной схемы струйной мельницы с отбойной плитой.

1.8 Цель и задачи исследований.

1.9 Выводы.

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТРУЙНОЙ МЕЛЬНИЦЫ С ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ПЛИТОЙ.

2.1 Основные предпосылки и положения.

2.2 Расчет поля скоростей энергоносителя в разгонной трубке.,

2.3 Описание движения частиц материала по разгонной трубке

2.4 Определение скорости энергоносителя . при его движении по разгонной трубке.

2.5 Математическое описание движения двухкомпонентной смеси в зоне помола.

2.6 Математическое описание процесса разрушения материала под действием удара в отражательную плиту.

2.7 Анализ результатов расчета режимов работы струйной мельницы.

2.8 Выводы.

ГЛАВА 3 МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛАБОРАТОРНОЙ ПОМОЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

3.1 Основные положения экспериментальных исследований.

3.2 Экспериментальное оборудование и средства контроля.

3.3 Характеристики исследуемых материалов.

3.4 План многофакторного эксперимента.

3.5 Выводы.

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Результаты поисковых экспериментов. 4.2 Исследование влияния факторов на параметры оптимизации.

4.2.1 Анализ уравнения регрессии Q{n; d^, dc, h).

4.2.2 Анализ уравнения регрессии S(n, d^, dc, IJ.

4.2.3 Анализ уравнения регрессии P^.dk.dcl]).

4.3 Выбор оптимального режима процесса измельчения.

4.4. Анализ зернового состава тонкого продукта.

4.5.Выводы.

ГЛАВА 5 ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ.

Создание нового поколения минеральных вяжущих материалов: вяжущих низкой водопотребности (ВНВ), тонкомолотых цементов (ТМЦ), быстротвер-деющих портландцементов (ПЦ) и шлакопортландцементов (ШПЦ) сопряжено с необходимостью тонкого измельчения.

Дисперсность получаемого продукта в значительной мере определяет качество получаемых продуктов и влияет на повышение их технологических и потребительских свойств. Необходимость повышения дисперсности строительных и других материалов приводит к потребности совершенствования существующего и созданию нового оборудования и технологий для тонкого и сверхтонкого измельчения.

Однако, с увеличением тонины получаемого продукта, производительность помольного оборудования с некоторого момента начинает резко снижаться при одновременном увеличении энергетических затрат, а начиная с некоторой критической точки диспергирования для данного материала.дальнейшее измельчение становится практически неосуществимым.

Всестороннее изучение существующих технологических процессов и оборудования позволяет установить основные их недостатки, слабые стороны и наметить рациональные пути их устранения.

Известно, что помол является весьма энергоемким технологическим переделом в производстве минеральных компонентов, вяжущих, порошков-наполнителей. Так, в цементной промышленности общие затраты энергии на производство 1 т цемента составляют в среднем 110-130 кВт-ч, в том числе на помол сырья и клинкера 58-65 кВт-ч, т. е. более 50 % [20]. Вместе с тем, высокая прочность измельчаемых материалов приводит к ускоренному износу мелющих тел и других рабочих органов измельчителей, что отражается на металлоемкости процессов измельчения и в целом на их стоимости. Все это заставляет искать новые энергосберегающие технологии помола и заниматься разработкой высокоэффективного оборудования.

Вместе с тем высокая прочность измельчаемых материалов приводит к ускоренному износу мелющих тел и других рабочих органов измельчителей, что отражается на металлоемкости измельчительных процессов и в целом на их стоимости. На сегодняшний день машиностроительной промышленностью освоен выпуск машин и оборудования для тонкого измельчения материалов различного типа и назначения. И в России и за рубежом проводится большая работа по совершенствованию существующих конструкций машин и созданию нового оборудования. Предлагаемые новые модификации мельниц позволяют обеспечить существенное снижение себестоимости продукции при одновременном повышении ее качества, сократить эксплуатационные расходы, составляющие значительную часть общих расходов на переработку сырья. Конструктивное исполнение предлагаемого оборудования обеспечивает полимеханическое воздействие на измельчаемый материал при быстром отводе из рабочей зоны материала, частицы которого достигли требуемого размера.

Таким образом, важной научной задачей является устранение противоречий между необходимостью увеличения производительности оборудования для высококачественного тонкого измельчения и требованиями ресурсосбережения энергетических и материальных затрат при производстве соответствующего продукта.

Наиболее перспективным способом тонкого и сверхтонкого измельчения к настоящему времени является способ высокоскоростного измельчения материалов, реализуемый путем придания ускорения измельчаемым частицам при помощи струй сжатого воздуха, пара или газа. Использование высоких скоростей, до нескольких сотен метров в секунду в установках газоструйного типа, позволяет повысить и регулировать дисперсность получаемого продукта в весьма широких пределах. Кроме того, появляется возможность реально использовать преимущества высокоскоростного избирательного измельчения многокомпонентных смесей материала для получения продуктов с заданными свойствами.

Реализовать способ и получаемые от его использования преимущества возможно в мельницах струйной энергии. На наш взгляд одним из самых интересных и перспективных типов таких мельниц являются противоточные струйные мельницы. Они . имеют целый ряд преимуществ по сравнению с мельницами такого класса: простота конструкции, относительно невысокий расход энергоносителя из-за малого количества рабочих сопел, возможность работы мельницы в замкнутом цикле измельчения, что упрощает классификацию получаемых порошков и обеспечивает их заданные свойства, а также экологичность таких мельниц.

Однако существующие теории расчета и конструирования струйных мель--ниц имеют на наш взгляд незавершенный характер, что не позволяет эффективно использовать весь спектр их преимуществ из-за конструктивных недоработок. Так, наибольшее внимание в литературе по данной тематике в основном отводится расчёту эжекторных узлов и уже как дополнение следуют рекомендации по исполнению конструктивных параметров помольной камеры, 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 на разгонном участке [89].

Анализ существующих способов разрушения частиц материала, теоретических и экспериментальных зависимостей изменения процесса измельчения от конструктивных параметров помольного блока, полученных при исследовании данного оборудования, а также указанные выше недостатки потребовали проведения дальнейших исследований в этом направлении.

Целью настоящих исследований является разработка оптимальной конструкции и методики расчёта основных технологических и конструктивных параметров струйной мельницы с отбойной плитой, обеспечивающей снижение удельного расхода энергоносителя.

Научная новизна работы представлена аналитическими выражениями, описывающими движение частиц материала по разгонной трубке; зависимостями позволяющими определять скорость энергоносителя и устанавливать связь между скоростью частицы и скоростью энергоносителя в разгонной трубке и рассчитывать объемный расход материала; выражениями определяющими значения ком-' понент скоростей частиц материала в помольной камере и в момент удара о плиту, а также определять число частиц полученных в результате удара; математическими моделями в виде уравнений регрессии, позволяющими получить рациональные конструктивные и технологические параметры струйной мельницы с отбойной плитой; патентно-чистой конструкцией струйной мельницы, новизна которой подтверждена патентами.

Практическая ценность работы заключается в аналитических выражениях для расчета основных газодинамических и конструктивных параметров струйной мельницы с отбойной плитой, используемой в составе технологического комплекса для производства цементов с заданными потребительскими свойствами и рекомендациях по выбору рациональных технологических режимов его работы. По результатам работы разработана новая конструкция блока разгона и помола струйной мельницы, внедрение которой обеспечивает стабильное получение цементов с свойствами регулируемыми в широких пределах.

Реализация работы. Диссертационная работа выполнялась в Белгородском государственном технологическом университете имени 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 режимных параметров, разработанный вариант технологического комплекса струйного измельчения производительностью до 500 кг/ч цемента внедрены в экспериментальное производство в ООО «Экотехцентр».

Диссертационная работа рассмотрена на заседании кафедры «Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий для производства строительных материалов, изделий и конструкций» в декабре 2005 года.

Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях, проводимых в БГТУ им. В.Г. Шухова: VII региональной научно- ' практической конференции «Молодые ученые - науке, образованию, производству» в 2004г. и Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» в 2005г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 5 статей, получено 2 патента РФ № 46203 на полезную модель «Разгонная трубка эжектора» и №49736 «Струйная мельница с самофутерующейся камерой помола».

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные выводы, рекомендации и направления дальнейших исследований. Работа включает 151 страницу, в том числе 120 страниц машинописного текста, 5 таблиц, 50 рисунков, список литературы из 120 наименований и приложение на 6 страницах. На защиту выносятся:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполненный анализ оборудования и основных направлений развития и совершенствования техники и технологии тонкого измельчения строительных материалов показал, что в свете современных технологий перспективны струйные мельницы, которые возможно применять для средних и малых производств высокодйсперсных материалов, что делает актуальным создание новых простых конструкций таких мельниц на основе оптимизации и уточнения методики расчёта основных технологических и конструктивных параметров.

2. На уровне изобретения разработана принципиально новая конструкция струйной мельницы с самофутерующейся отбойной плитой, предназначенная для получения цементов с регулируемой удельной поверхностью.

3. На основании исследований получены: аналитические выражения, описывающие движение частиц материала по разгонной трубке; зависимости для определения скорости энергоносителя и устанавливающие связь между скоростью частицы и скоростью энергоносителя в разгонной трубке и позволяющие рассчитывать объемный расход материала; выражения, определяющие значения компонент скоростей частиц материала в помольной камере и в момент удара о плиту, выражение позволяющее определить число образовавшихся частей материала после удара.

4. В лабораторных условиях проведена экспериментальная проверка разработанных теоретических моделей.

• 5. Выявлены закономерности влияния исследуемых параметров: числа оборотов ротора сепаратора п, диаметра камеры помола dдиаметра сопла dc и длины камеры помола 1к на производительность Q, удельную поверхность S и давление воздушного потока Р. Установлена общая область расположения оптимумов по выходным параметрам, что подтверждается адекватностью квадратичных моделей.

6. На основании использования уравнений регрессии осуществлена оптимизация конструкции и технологических режимов работы мельницы при' условиях, когда выполняется требование (Q, S, Р)-*тах.

7.' Установлено, что для любого набора входных параметров п, dk, dc и существует предпочтительное их сочетание, когда производительность и удельная поверхность стремятся к максимуму при максимальном давлении на срезе разгонной трубки это достигается при следующих значениях факторов: частота ращения ротора - 800 мин'1; длина камеры помола - 65 мм; диаметр сопла - 4 мм; длина камеры помола - 80мм.

8. Разработан и изготовлен опытно-промышленный образец струйной мельницы с отбойной плитой. Проведены его промышленные испытания, которые показали эффективность использования такого типа мельниц применительно к получению цементов с регулируемыми потребительскими свойствами. При удельном расходе энергоносителя 0,85т/т реальная производительность мельницы составила 495кг/ч по готовому продукту с удельной поверхностью до 9000 см/г. Экономический эффект от внедрения струйной мельницы с отбойной плитой в условиях ООО «Экотехцентр» составил 443 тыс. руб.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. 3-е изд. М.: Изд-во Наука, 1969.-824 с.

2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960. - 824 с.

3. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Гришин А.Н. К расчету разрежения за плоской струей и системой круглых струй, выдуваемых под углом к ограниченному сносящему потоку // Изв. вузов. Авиационная техника. 1985. -№2.-С. 3-7.

4. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А. О разрежении за плоской струей, распространяющейся в поперечном потоке // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1984. - № 6. - С. 113-118.

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

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

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

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

9. Акунов В.И. Струйные мельницы. Элементы теории и расчета. М.: Машгиз, 1962.-264 с.

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

11. Александрова Е.Б. Центробежный сепаратор с переменным полем скоростей в зоне классификации: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.02.13 / БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород, 2005. - 22 с.

12. Альтшуль А.Д., Киселёв П.Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1975.-385 с.

13. Андреев С.Е., Зверевич В.В., Перов В.А. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра, 1980. - 415 е.

14. Андреев С.Е., Товаров В.В., Перов В.А. Закономерности измельчения и исчисления характеристик гранулометрического состава. М.: Металлургиздат, 1959.-427 с.

15. Баклушин Б.Г., Третьяков В.Н., Лепетуха Г.Б. и др. Гибкая технология приготовления сырьевых шламов с использованием мельниц самоизмельчения // Цемент. 1997.-№ 1.т С. 17-20.

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

17. Баловнев В.И., Бакатин Ю.П., Данилов Р.Г. Новая высокоэффективная роторная мельница с зубчатоподобным зацеплением // Строительные и дорожные машины. 1998. - № 3. - С. 28-29.

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

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

20. Богданов B.C. Барабанные мельницы с поперечно-продольным движением мелющих тел: Автореф. дис. . док. техн. наук: 05.02.16 / БТИСМ. Белгород., 1986.-48 с.

21. Богданов B.C., Юдин К.А. Совершенствование техники и технологии измельчения материалов // Строительные материалы. 1994. - № 8. - С. 2-3.

22. Болдырев А .С., Добужинский В.И., Ренитар Я.А. Технический прогресс в промышленности строительных материалов. М.: Стройиздат, 1980. - 399 с.

23. Бородский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента. М.: Не^цра, 1976.-196 е.

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

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

26. Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Химическая технология вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1980. - 472 с.

27. Вердиян М.А., Лепетуха Г.Б., Сусев С.В., Нгуен Тхыа Шау. Совмещение различных способов организации процессов измельчения решение многих проблем в технологии цемента // Цемент. - 1996. - № 3. - С. 19-20.

28. Вертикальные ударно-отражательные дробилки как альтернатива традиционным методам измельчения материалов // Экспресс-информация. Сер.4. Машины и оборудование для промышленности строительных материалов. М.: ЦНИИТЭстроймаш. - 1988. - Вып. 10. - С. 3-8.

29. Войтович Л.Н., Гиршович Т.А., Коржов Н.П. Характеристики начального участка круглой турбулентной струи, распространяющейся в сносящем потоке // Турбулентные струйные течения. Таллин: АН ЭССР. 1979. - С. 158-165.

30. Войтович Л.Н., Гиршович Т.А., Коржов Н.П. Экспериментальное исследование начального участка круглой турбулентной струи в поперечном потоке //Изв. АН СССР. МЖГ. 1978. -№ 5. - С. 151-155.

31. Волощук В.М. Введение в механику грубодисперсных аэрозолей. М.: Гидрометеоиздат, 1975. - 214 с.

32. Гийо Р. Проблема измельчения и ее развитие. М.: Стройиздат, 1964. - 112 с,

33. Гиршович Т.А. Турбулентные струи в поперечном потоке. М.: Машиностроение, 1993.-256 с.

34. Голеевский А.А. Вопросы механики струйного движения жидкостей и газов. -М.: Машгиз, 1957. 824 с.

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

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

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

38. Дорохов И.Н., Эскин Д.И., Щеголяев Е.В. Исследование струйного измельчения и его перспективы в цементной промышленности // Цемент. 1995. -№ 2.-С. 34-36.

39. Дуда В. Цемент. -М.: Стройиздат, 1981.-464 с.

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

41. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976. - 390 с.

42. Измельчение цементного сырья и клинкера: Сб. статей / Под ред. A.M. Дмитриева. М.: НИИЦемент, 1976. - Вып. 36. - 161 с.

43. Катаев Е.Ф., Богданов B.C., Воробьев Н.Д., Шаблов А.С. Мельницы сверхтонкого измельчения: Учеб. пособие. Белгород: Изд-во БТИСМ, 1988.-87 с.

44. Клочков Н.В., Пискунов А.В. Динамика формирования грансостава полимерного материала при измельчении в центробежной мельнице // Интенсификация процессов механической переработки сыпучих материалов: Межвуз. сб. науч. тр. Иваново, 1987. - С. 22-25.

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

46. Лаатс М.К., Фришман Ф.А. О допущениях, применяемых при расчете двухфазной струи // Изв. АН СССР. МЖГ. 1970. - № 2. - С. 186-191.

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

48. Майклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. М.: Мир, 1970.-443 с.

49. Моргулис M.J1. Вибрационное измельчение материалов. М.: Промстройиздат, 1957. - 107 с.

50. Нейков О. Д., Логачев И.Н. Аспирация при производстве порошковых материалов. М.: Металлургия, 1981. - 192 с.

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

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

53. Олевский В.А. Размольное оборудование обогатительных фабрик. М.: Гсюгортехнадзор, 1963. -447 с.

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

55. Патент № JP 8299833 кл. В02 С19/06, 1995 г. (Япония).

56. Перов В.А., Андреев Е.Е., Биленко Л.Ф. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра, 1990. - 301 с.

57. Разрушение. Т.1. Микроскопические и макроскопические основы механикиразрушения / Под. ред. Г. Либовиц. Пер. с англ. А.С. Вавакина и др. М.: Мир, 1973.-616 с.

58. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика. М.: Наука, 1979. - 381 с.

59. Ревнивцев В.И., Гапонов Г.В., Зарогатский Л.П. и др. Селективное разрушение материалов. М.: Недра, 1988. - 286 с.

60. Ромадин В.П. Пылеприготовление. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1953. - 519 с.

61. Румпф Г. Об основных физических проблемах при измельчении // Сб. тр. Европейского совещания по измельчению М.: Стройиздат, 1966. - С. 497-522.

62. L .Рынков А.Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах. Новосибирск.: Наука, 1988. - 222 с.

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

64. Сер го Е.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра, 1985.-285 с.

65. Сиваченко Л.А., Селезнев Н.Г., Береснев В.В., Шуляк В.А. Роторно-цепные дробилки-мельницы // Строительные и дорожные машины. 1996. - № 5. -С. 21-22.

66. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. М.: Химия, 1977.-368 с.

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

68. Смышляев Г.К. Воздушная классификация в технологии переработки полезных ископаемых. М.: Недра, 1969. - 102 с.

69. Соколов Е.Я., Зингер Н.М, Струйные аппараты. 2-е изд. М.: Энергия, 1970. -288 с. ' .

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

71. Справочник по обогащению руд. Подготовительные. процессы / Под. ред. О.С. Богданова. Т. 1,2. М.: Недра, 1982. - 270 с.

72. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. М.: Машиностроение, 1974. - 212 с.

73. Струйные мельницы с кипящим слоем и противорасположенными соплами типа «аэроплекс» / Пер. с англ. A.M. Неаполитанского М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1982.- 15 с.

74. Струйные мельницы тонкого помола // Экспресс-информация. Сер.4. Машины и оборудование для промышленности строительных материалов. М.: ЦНИИТЭстроймаш. - 1987. - Вып. 14. - С. 11-13.

75. Танака А. Мельница сверхтонкого помола фирмы «Хосокава микрон» / Пер. с яп. П.Г. Карачанского. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1987. - 8 с.

76. Ткачев В.В., Оганесов В.Н., Львов А.С. Помольный агрегат замкнутого цикла // Цемент. 1983. - № 8. - С. 20-21.

77. Углеразмольное, рудоразмольное и пылеприготовительное оборудование: Отраслевой каталог. НИИЭкономики в энергетическом машиностроении М. 1986.- 162 с.

78. Уваров В.А. Разработка, исследование, методика расчета конструктивно-технологических параметров противоточных струйных мельниц: Дис. . канд. техн. наук: 05.02.13 / БТИСМ. Белгород, 1996. - 154 с.

79. Успенский В.А., Кузнецов Ю.М. Струйные вакуумные насосы. М.: Машиностроение, 1973.- 144с.

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

81. Ушаков С.Г., Зверев Н.И. Инерционная сепарация пыли.- М.:Энергия, 1974165 с. ' ' .

82. Ушаков С.Г., Мизонов В.Е. Аэродинамическая классификация порошков М.: Химия, 1989.-160с.

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

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

85. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд-во Ан СССР, 1961. С. 18-19.

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

87. Хлудеев В.И., Уваров В.А., Карпачев Д.В., Ярыгин А.А. Разгонная трубка эжектора. Патент РФ № 46203. Опубл. в БИ №18 27.06.05г.

88. Хлудеев В.И., Уваров В.А., Карпачев Д.В., Ярыгин А.А. Струйная мельница с самофутерующейся камерой помола. Патент РФ № 49736. Опубл. в БИ №34 10.12.05г.

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

90. Хэзе У. Влияние величины зерна загружаемого материала и формы сопла на размельчение известняка в противоточных мельницах / Пер. с нем. Н.Н. Акимова. -М.: Всесоюз. центр пер., 1989. 10 с.

91. Шандоров Г.С. Истечение в сносящий поток из отверстия в стенке и распространение струи в сносящем потоке // Тр. ЦИАМ им. Баранова. 1955. - № 263.-с 40.

92. Шарапов P.P. Шаровые мельницы замкнутого цикла измельчения с повышенной продольной скоростью материала: Автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.02.13 / БТИСМ. Белгород, 1996. - 22 с.

93. Шинкоренко С.Ф. Технология измельчения руд черных металлов. М.: Недра, 1982.-213 с.

94. Ю9.Эльперин И.Т., Мельцер В.Л., Павловский Л.Л. Процессы переноса во встречных струях. Мн.: Наука и техника, 1972. - 213 с.

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

96. Dekr J. Vergleich Walzenschusseimuhlenkugelmuhlen fur du Mahlung von Zement rohmaterial // Zement-Kalk-Gips. 1980. - № 3. - P. 219-222.

97. Griffith A.A. The phenomena of rupture and flow in solids. Phil. Trans. Roy. Soc. Ser. London, A221. - 1920. - P. 163 - 198.

98. Grindi0ng Mill-Rod, Ball and Autogenously // Mining magazine. 1982. - B. 147. -№ 9. - P. 91.

99. Mathieu E.U. Erste versucherkebnisse zur Vermahlung von Zementklinker aut Pendelmuhlen // Zement-Kalk-Gips. 1983. - № 2. - P. 62-64.

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

101. Pat. GB 2197804, CL. B02C 19/06, GBR.

102. Reusch H. Energiespared zerrleinern in Gutbett-Walzenmuh-len // Kugerllagen-Z.-S. № 233. - P. 20-29.

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

104. Schneider L.T. Energy saving clinker grinding systems. Part 1. // World Cement. -1985.-Vol. 2.-P. 20-27.

105. Schneider L.T. Energy saving clinker grinding systems. Part 2. // World Cement. -1985.-Vol.3.-P. 80-87.