автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Технологическая аспирация шаровых барабанных мельниц

О'

На правах рукописи

Бажанова Ольга Ивановна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АСПИРАЦИЯ ШАРОВЫХ БАРАБАННЫХ

МЕЛЬНИЦ

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 АПР 2013

Белгород - 2013

005051684

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Богданов Василий Степанович.

Официальные оппоненты: Мизонов Вадим Евгеньевич

доктор технических наук, профессор, «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», заведующий кафедрой прикладной математики;

Дубинин Николай Николаевич, кандидат технических наук, доцент, «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», профессор кафедры технологических комплексов, машин и механизмов.

Ведущая организация: Шахтинский институт (филиал) Южно-

Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт), г. Шахты.

Защита диссертации состоится «25» апреля 2013 года в 12.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Автореферат диссертации разослан «22» марта 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

В.А. Уваров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При производстве многих материалов возникает необходимость тонкого измельчения (до размеров менее 100 мкм) исходного сырья. Измельчение материалов в порошок осуществляется операциями помола в различных помольных агрегатах: шаровых, стержневых, трубных, роликовых, валковых, ролико-маятниковых, аэробильиых, шахтных, вибрационных, струйных мельницах, мельницах бесшарового измельчения.

Несмотря на многообразие конструкций мельниц в мировой практике самое большое распространение получили шаровые барабанные мельницы: в России их доля составляет 95 %, за рубежом - 80 %.

На процесс измельчения в шаровых барабанных мельницах, наряду с такими факторами, как соотношение диаметра, длины барабана и камер, конструкция внутримельничных устройств, физико-механические свойства измельчаемого материала, состав мелющих тел, существенное влияние оказывает аспирационный режим. Если остановить аспирацию мельницы вместе с находящимся в ней материалом, это приведет к её запариванию, налипанию измельчаемого материала на мелющие тела и футеровку, и процесс измельчения в таких условиях будет неосуществим.

Вопросу разработки методики расчета рационального режима аспирации ШБМ, совершенствованию аспирационных систем уделено недостаточно внимания, несмотря на то, что это позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели, повысить эффективность измельчения клинкера и добавок.

Поэтому, необходимо разработать такую методику расчета аспирационного режима ШБМ, которая бы позволяла на стадии проектирования, либо реконструкции при заданном технологическом параметре режима аспирации рассчитывать конструкцию внутримельничных устройств, и наоборот, учитывая конструкцию внутримельничных устройств и технологические параметры измельчаемой шихты, рассчитывать режим аспирации: скорость и требуемый объем воздуха, просасываемого через барабан мельницы.

Цель работы. Разработка, апробация методики расчета параметров технологической аспирации ШБМ с учетом конструкции внутримельничных устройств и режимов работы мельницы, определение рациональных параметров процесса аспирации.

Задачи исследовании.

1. Получить уравнения для определения параметров измельчаемой шихты, при которых предотвращается конденсация водяных паров в аспирационном воздухе; установить зависимости давления водяного пара в аспирационном воздухе от влагосодержания в зависимости от разряжения аспирационного воздуха.

2. Выявить зависимость коэффициента динамической вязкости аспирационного воздуха от влагосодержания при различных значениях температуры; получить уравнения для расчета количества аспирационного воздуха в зависимости от температуры цемента и клинкера.

3. Установить факторы и их влияние на формирование запыленности внутри барабана мельницы; разработать уравнения для расчета массопереноса пыли в барабане мельницы.

4. Разработать уравнения для расчета размера частиц готового продукта в зависимости от интенсивности аспирации; разработать уравнения для расчета гидравлического сопротивления внутримелышчных устройств в зависимости от их конструкции и режима процесса измельчения.

5. Получить уравнения для расчета объема аспирационного воздуха и мощности привода вентилятора с учетом конструкции внутримельничных устройств и теплофизических условий процесса измельчения.

6. Разработать инженерную методику расчета технологических параметров процесса аспирации.

7. Осуществить апробацию методики расчета технологической аспирации ШБМ в лабораторных и промышленных условиях.

Научная новизна.

1. Обоснована необходимость комплексного подхода к моделированию и расчету параметров технологической аспирации ШБМ на основе совместного рассмотрения трех условий процесса измельчения: температурно-влажностного, пылединамического и аэродинамического.

2. Получены математические зависимости для расчета дисперсного состава измельчаемого материала с учетом его плотности, влагосодержания, вязкости и точки росы влажного аспирационного воздуха.

3. Получены уравнения для расчета температурно-влажностного режима аспирируемой мельницы, позволяющие установить различные варианты ее охлаждения, предотвращающие конденсацию водяных паров.

4. Найдены аналитические выражения для распределения концентрации пыли во внутримельничном пространстве, позволяющие прогнозировать аспирационный вынос пыли и количественно устанавливать влияние режима аспирации на дисперсные характеристики готового продукта.

5. Получены уравнения для расчета гидравлических сопротивлений внутримельничных устройств с учетом их конструкций и режимов процесса измельчения, положенных в основу определения количества аспирационного воздуха и мощности привода вентилятора.

6. Установлены условия, при которых предотвращается конденсация водяных паров в элементах аспирационного тракта и пылеулавливающих устройствах. Практическая ценность работы.

Предложенный подход моделирования режима аспирации ШБМ с учетом физико-механических и теплофизических свойств газоматериальных потоков может быть использован как при модернизации работающих, так и при проектировании новых помольных агрегатов. Полученная система уравнений позволяет прогнозировать дисперсный состав продукта измельчения, запыленность аспирационного воздуха, его температурно-влажностные характеристики на выходе из мельницы, что позволяет выбрать соответствующее пылеулавливающее оборудование. Предложенная инженерная методика расчета режимов аспирации позволяет оснастить мельницу такими устройствами, которые обеспечивают максимальную эффективность процесса измельчения. На основе экспериментальных исследований получены уравнения регрессии, позволяющие определить рациональный режим процессов измельчения и аспирации на стадии анализа возможных вариантов реконструкции существующих помольных агрегатов.

Автор защищает.

1. Уравнения для расчета дисперсного состава измельчаемого материала с учетом его плотности, влагосодержания, вязкости и точки росы влажного аспирационного воздуха

2. Уравнения для расчета температурно-влажностного режима аспирируемой мельницы, позволяющие установить различные варианты ее охлаждения, исключающие конденсацию водяных паров.

3. Аналитические выражения для расчета концентрации пыли в барабане мельницы и определения дисперсных характеристик готового продукта.

4. Уравнения для расчета гидравлических сопротивлений внутримельничных устройств с учетом их конструктивных особенностей и режимов процесса измельчения, позволяющих определить рациональный объем аспирационного воздуха, проходящего через барабан мельницы и мощность привода вентилятора.

5. Инженерную методику расчета режимов технологической аспирации ШБМ.

6. Результаты экспериментальных исследований в виде уравнений регрессии, позволяющих определить рациональные параметры режимов аспирации и измельчения в ШБМ.

Реализация работы.

Инженерная методика расчета режимов технологической аспирации ШБМ успешно внедрена и испытана на ЗАО «Осколцемент». Проведенные сравнительные испытания показали рост производительности и снижение расхода электроэнергии. Апробация работы.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение: на Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов». - Белгород, 2010 г., IV международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии». - Белгород, 2010 г., X Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2010» - Белгород, 2010 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 11 печатных изданиях, в том числе 3 работы опубликованы в ведущих рецензированных журналах рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 157 наименований. Работа изложена на 201 странице, в том числе содержит 88 рисунков, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, обозначены научная новизна, практическая ценность, реализация и апробация работы, изложены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние и пути совершенствования процесса аспирации шаровых барабанных мельниц. Установлено, что основным направлениям совершенствования техники и технологии измельчения в шаровых барабанных мельницах являются:

оптимизация температурно-влажностного режима измельчения, способствующего максимальному проявлению эффектов понижения прочности и дезагрегированию;

- создание рационального гидродинамического режима в зоне измельчения, обеспечивающего наивыгоднейшие скорости движения материальных и воздушных потоков;

- обеспечение эффективного энергетического режима процесса измельчения за счет рационального состава мелющих тел и энергообменных конструкций внутримельничных устройств;

применение физико-химических способов интенсификации процесса измельчения за счет усовершенствованных способов подачи в барабан мельницы интенсификаторов помола;

- оптимизация аспирационного режима с учетом температурно-влажностных условий процесса измельчения и конструкции внутримельничных устройств.

Приведен анализ влияния режимов аспирации на процесс измельчения. Основные работы в этой области принадлежат: Сатарину В.И., Перли С.Б., Дешко Ю.И., Крыхтину Г.С., Пироцкому В.В., Богданову B.C., Вердияну М.А., Gebic М, Decasper J., Kolostori G. и другим. Установлено, что технологическая аспирация шаровых барабанных мельниц обусловлена необходимостью удаления водяных паров, тонкой фракции измельчаемого материала, отвода тепла, выделяемого в результате трения мелющих тел между собой и о футеровку, а также для снижения агрегации и агломерации тонких фракций и предотвращения их налипания на мелющие тела и футеровку. Интенсифицировать аспирационный режим целесообразно только до определенного предела, ограниченного содержанием фракции размером более 80 мкм выше технологического регламента.

Рассмотрена характеристика аспирационных систем шаровых барабанных мельниц, зависимость эффективности процесса измельчения от режима аспирации. Выявлено влияние скорости и объемов аспирационного воздуха на производительность мельниц. Показано, что увеличение производительности мельницы с увеличением скорости аспирационного воздуха объясняется тем, что из зоны измельчения выносится меЛкая фракция частиц материала, что предотвращает их адгезионное налипание на мелющие тела и футеровку - исключает эффект демпфирования и в целом повышает эффективность процесса измельчения.

Рассмотрено влияние режима аспирации на дисперсность и качество цемента. Установлено, что регулируя интенсивность аспирации можно изменять зерновую характеристику цемента и получить цемент с требуемыми прочностными свойствами.

Выполнен анализ существующих методих расчета процесса аспирации. Показано влияние тепло-влажностных условий процесса измельчения на режим аспирации и характеристику аспирационной системы в целом. Установлено отсутствие комплексных методик расчета аспирационного режима ШБМ, учитывающих их конструктивные и технологические особенности работы.

Во второй главе представлено моделирование и расчет системы аспирации шаровых барабанных мельниц открытого цикла измельчения. Данный комплексный расчет предусматривает рассмотрение трех взаимосвязанных режимов: температурно-влажностного, пылединамического и аэродинамического.

Рассмотрение температурно-влажностного режима шаровой барабанной мельницы основано на применении уравнений материального баланса для сухого материала, сухого воздуха и влаги. Температуру цемента и аспирационного воздуха

на выходе из мельницы можно определить из уравнения теплового баланса, отражающего равенство прихода и расхода теплоты для мельницы в целом.

Рассмотрение пылединамического режима шаровой барабанной мельницы учитывает основные факторы, определяющие запыленность свободного от загрузки внутримельничного пространства, его геометрические особенности, интенсивность поступления пыли, ее гравитационное осаждение, а также вынос пыли потоком аспирационного воздуха. Установлено, что частицы измельчаемого материала, взвешенные в воздушной среде мельницы, одновременно участвуют в двух движениях: переносе вдоль барабана мельницы вместе с аспирационным воздухом и осаждении под действием силы тяжести. В результате этого материал, вбрасываемый в свободное пространство мельницы, разделяется на два потока: аспирационный пылеунос и поток осаждающихся частиц.

Концентрация пыли в сильно турбулизованной воздушной среде (Др —>оо, Э 'I / Др —» 0) определяется по формуле:

1-1+-®—г

Ар

^

Выражение для средней концентрации пыли в первой камере мельницы имеет

вид:

С = 21'2от' , (2) ср (13,8 + 81/,)/

Эффективность пылезадержания межкамерной перегородкой и оценка концентраций пыли в аспирациоином воздухе на входе во вторую камеру:

Г =_^__(3)

Ц £¿+1,54^+1,76'

где 5/к =(£/;,р.,[/а)/(18ц/п) - критерий Стокса; /„ - характерный размер элементов межкамерной перегородки, обтекаемых запыленным воздухом. Концентрация пыли на выходе из мельницы равна:

С2 -спр + (С, -спр)ехр -

V а ср

Аспирационный вынос пыли из второй камеры мельницы:

= С/АсС2. (5)

Средняя скорость движения крупных частиц вдоль мельницы:

г, и'А'°< +Э"Д/' - ^ Д/ + Д/

(4)

(6)

Вынос аспирационным потоком тонких фракций цемента способствует загрублению дисперсного состава готового продукта. Поэтому при возвращении уловленной пыли в готовый продукт, его дисперсный состав будет иметь более высокое содержание фракции +80. Цемент из разгрузочной цапфы поступает в аспирационную шахту в виде сыпучего материального потока Ом и в виде аспирационного выноса Оа (рис. 1):

ог

Рис. 1. Схема материальных и аэроматериальных потоков вентилируемой цементной мельницы: 1 - мельница; 2 - аспирационная шахта; 3 - циклон; 4 — фильтр; 5 — вентилятор

Выход готового продукта с учетом уловленной пыли имеет вид:

Сг = (Сп-0,026(1 - фц)(1 - Ффхад + епш)386)/^-86.

(7)

Относительное содержание фракции +80 в готовом продукте определяется зависимостью:

~ (8)

Объемный расход подсасываемого воздуха:

6^=0,65^

Гидравлическое сопротивление г'-го участка аспирационного тракта:

АР

АЯ =

(9)

(10)

где X, - коэффициент сопротивления трения; Ь, - длина участка; Д- гидравлический диаметр; £4/ _ сумма коэффициентов местного сопротивления; Рм — динамическое давление:

Р» =

2 2Р? 2р^2 ' Плотность воздуха на I — том участке аспирационного тракта:

Р; =

р„(1-Л/>/101325) (1 + Г, / 273)(1 + / 0,804)

- + С,.

(П)

(12)

Диаметры воздуховодов, обеспечивающие условие предотвращения образования пылевых отложений на горизонтальных участках аспирационных воздуховодов:

£> =

46 пи.

Общий коэффициент сопротивления всего аспирационного тракта:

^общ У.^ОІ' і

£ =

ЬОі Ьі „

Р/І7^

р,

(14)

Характеристика аспирационного тракта в зависимости от объемного расхода отсасываемого воздуха 0„ при различных значениях коэффициента сопротивления аспирационного тракта имеет вид:

д р = £ -Ві

ат Ъобщ ^

р

\ г0 У

(15)

Мощность электрического привода вентилятора определяется по формуле:

АР6" , кВт. (16)

1000фвф„ '

Условия предотвращения конденсации водяных паров в смешанном запыленном потоке воздуха имеет вид:

7СМ рем

ф« =- а -< 0,95. (17ч

У (0,621 + с/см)Рнп(/ ) К '

Величину теплопотерь через стенки оборудования можно оценить по формуле:

= --5 (18)

"о

ан

Здесь а»„, а„ - коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхности стенки:

а = 5,6 + 4£/, Вт/(м 2К)), (20)

где II - скорость воздуха, обтекающего поверхность, м/с; 8,, )•., - толщины и теплопроводности отдельных слоев стенки.

Совместное решение вышеизложенных уравнений позволяет определить параметры смешанного воздушного потока на всех участках аспирационного тракта, прогнозировать возможность конденсации водяных паров, а при необходимости рассчитать теплоизоляцию воздуховодов или / и подачу подогретого воздуха.

В третьей главе приведено описание лабораторной установки, применяемой для исследования процесса аспирации при измельчении в шаровой мельнице; описания и характеристики используемых контрольно-измерительных приборов; характеристики материалов, используемых для исследований; методики проведения экспериментов и измерений.

Для проведения экспериментальных исследований с целью подтверждения теоретических положений работы, была использована экспериментальная модель установки помольного агрегата с шаровой мельницей, предназначенная для работы в открытом цикле в непрерывном режиме, позволяющая задавать и контролировать основные технологические параметры (рис. 2). Установка работает следующим

образом. Предварительно измельченный и отсеянный материал из ячейкового питателя 1 по течке поступает на измельчение в шаровую мельницу 2 типоразмером 0 0,3 х 0,8 м. С помощью вентилятора центробежного типа 6 через мельницу непрерывно просасывается аспирационный воздух, который захватывает частицы материала и выносит их в аспирационную систему. Очистка воздуха осуществляется в батарее циклонов 3 и в зернистом фильтре 4. После очистки воздух выбрасывается в атмосферу.

Рис. 2. Модель установки помольного агрегата: 1 - ячейковый питатель; 2 - шаровая мельница; 3 - батарея циклонов; 4 - зернистый фильтр; 5 - диафрагма; 6 - вентилятор центробежного типа;7 - пульт управления;

8 - манометры

Привод мельницы центральный и осуществляется от асинхронного электродвигателя 8 переменного тока АИР100Ь4 мощностью 4 кВт через червячный редуктор 10 с передаточным числом (і = 41) и клиноременную передачу 9 (і = 0,734). Частота вращения барабана мельницы изменяется при помощи частотного преобразователя (тип LS600-4010 компании Long Shenq Electronic Co. LTD мощностью 7,5 кВт) путем изменения частоты питающей сети в пределах от 0 до 50 Гц с точностью 0,5 %.

Мельница работает следующим образом. Исходный материал из барабанного питателя подается в загрузочный бункер и по трубошнеку полой загрузочной цапфы поступает в камеру грубого помола барабана мельницы. Процесс измельчения материала в ШБМ сопровождается постоянным просасыванием аспирационного воздуха. Воздух под действием разрежения, создаваемого центробежным вентилятором, поступает совместно с материалом через полую цапфу. Проходя в полости барабана, аспирационные потоки подхватывают мельчайшие частицы

измельчаемого материала и через отверстия разгрузочной решетки, полую цапфу, выносят их в полость аспирационной коробки. Далее воздух с частицами материала выводится через патрубок в верхней части аспирационной коробки, в аспирационную систему - батарею циклонов, где происходит предварительная очистка пылевоздушной смеси от твердых частиц. Дальнейшая очистка пылевоздушной смеси осуществляется в зернистом фильтре.

С помощью лазерного анализатора Мкго81гег 201 выполнено исследование зернового состава порошкообразных материалов, используемых при проведении испытаний.

Рассчитывалась величина перепада давления для заданных значений расхода воздуха. При этом расход воздуха определялся с учетом коэффициента загрузки камеры помола. Скорость воздуха в барабане мельницы определялась с помощью контроля расхода воздуха в аспирационной системе, посредством диафрагмы, дифференциального жидкостного манометра и дифференциального цифрового манометра «ДМЦ-01М». Регулирование расхода воздуха осуществлялось посредством изменения частоты вращения ротора вентилятора.

Программой экспериментальных исследований предусматривалось определение влияния различных конструктивных и технологических факторов на эффективность работы мелышцы, а ее реализация дала возможность определить рациональные значения конструктивных и технологических параметров мельницы. Для определения области значений исследуемых факторов был проведен ряд поисковых экспериментов. По их результатам выявлено, что основными значимыми факторами являются: объем (? аспирационного воздуха, температура г клинкера, живое сечение т] межкамерной перегородки и коэффициент <р2 заполнения камер мельницы материалом.

В качестве функций отклика, определяющих характер протекания процесса, были выбраны часовая производительность в ШБМ, мощность Р, потребляемая приводом мельницы, остаток Л на сите №008 порошка, получаемого в мельнице, удельная поверхность 5 готового продукта и удельные затраты электроэнергии д.

При определении рациональных значений конструктивных и технологических параметров мелышцы был реализован один из методов математического планирования эксперимента: центральный композиционный рототабельный план полного факторного эксперимента ПФЭ ЦКРП 24. Уровни варьирования факторов определены по результатам поисковых экспериментов на следующих диапазонах значений: объем аспирационного воздуха 0 = (10 - 90) м3/ч; температура клинкера /= (30 - 90) °С; живое сечение межкамерной перегородки ц = (0,11 - 0,19) доли ед.; коэффициент заполнения камер мельницы материалом <р2 = (0,06 - 0,22) доли ед.

В четвертой главе выполнен анализ результатов экспериментов по исследованию процесса измельчения в шаровой барабанной мельнице.

Полученные уравнения регрессии позволили оценить влияние рассматриваемых факторов 2 (*,); / (х,)\ ц (*,); <р2 (*•/) на параметры оптимизации <3 (У,); Р (Г,); Л008 (Гз): 5(1^); 9 (У,).

Уравнение регрессии, описывающее зависимость производительности мельницы от исследуемых факторов в кодированной и натуральной форме имеет следующий вид:

У, = 42,4+ 2,75.x, - 1,03*2 + 1,92*3 + 4,02*4 + +2,03 *,*2 + 0,94*1*3- 0,82х,*4 - 0,76*2*3 - 1,52\"2*4 +1,18*з*4 + (21) + 1,62*,: + 0,88*22 + 2,05*32 + 1,38*42.

G = 193- 1,09 Q - 0,56 t - 1537,5 rj - 83 <p2 + +0,01 Q t+ 2,35 g r} - 1,03 Q <p2-3,8 t rj - 3,8 t <p,+ 1475 r\ <p3 + (22) +0,004 g2 + 0,0088 t2 + 5125 r\2 + 862,5 <p22.

Уравнение, характеризующее зависимость потребляемой приводом мельницы мощности от исследуемых факторов в кодированной и натуральной форме имеет вид:

Y2 = 2534,6+ 12,32*1 + 17,54.Х2 - 9,56*3 + 36,17*4 -- 6,52 *,*2 - 3,18*,*3 + 8,36*1*, -4,14*2*з + 11,21*2*4 + 10,72*з*4- (23) - 6,3*,2 - 5,7*22 - 6,3*32 + 8,47*42.

Р =2094,71+ 3,88 Q + 9,41 t + 4010,5 г\ - 4792 <?2 --0,033 Q t- 7,95 Q 4 +10,45 Q <р2- 20,7 t >/ + 28,025 t tp2+ 13400 4 q>2 - (24) -0,016 ß2 - 0,057 t1 - 15750 tj2 + 5293,75 <p2.

Уравнение, характеризующее зависимость тонкости помола от исследуемых факторов в кодированной и натуральной форме имеет вид: У3 = 8,16+ 3,21*1-2,65*2+5,16*3 + 6,24*4 + +1,75 *|*2+ 0,96*1*з + 2,34*1*4 + 0,99*2*з + 4,15*2*4+ 1,47*3*4 - (25) - 0,85*i2 - 1,09*22 - 2,16*32 + 1,97*Д

Rao« = 48,588- 0,92 Q - 1,59 t + 1203,75 )/ - 1233,125 <р2 + +0,009 Q t+ 2,4 Q 4 + 2,93 Q <р,+ 4,95 / tj + 10,375 t y2+ 1837,5 ц <p2- (26) -0,002 Ö2-0,011 t2 - 5400 r]2+ 1231,25 <p22.

Уравнение, характеризующее зависимость удельной поверхности от исследуемых факторов в кодированной и натуральной форме имеет вид: Yj = 358,6 - 32,6*, -24,8*а + U,7*3 - 40,2 *4 --10,8 *i*2- 8,5*!*з + 7,6*|*4 - 12,3*2*3 + 21,5*2*4- 16,7*3*4+ (27) + 8,3*i2 + 6,5*22 + 7,4 6*32 - 10,2*42.

S= 427,15 + 1,392g - 5,88 t+ 2665 г/ + 211,25 (р2 -- 0,054 Q t- 21,25 Q г, + 9,5 Q <р2- 61,5 trj + 53,75 t ^-20875 q <p2+ (28) +0,021 Q2 + 0,065 t2 + 18650 172 - 6375 <p22.

Уравнение, характеризующее зависимость удельного расхода энергии от исследуемых факторов в кодированной и натуральной форме имеет вид: Ys = 44,7 + 1,38*, + 0,72*2 - 0,56*3 + 1,17 *4 + +0,09 *1*2+ 0,83*1*з- 1,16 *,*4 + 0,19 *2*з + 0,44 *2*4 + 0,96*3*4+ (29) + 0,36*,2 + 0,44*22 - 0,63 6*32 + 0,92*42.

q = 80,37 - 0,156g - 0,775/ + 120,25 ц - 305,25 <р2 + + 0,0004 Q t+ 2,075g tj - 1,45g cp2+ 0,95 t ij + 1,1 t tp2+ 1200 4 <?,+ (30) +0,0009 g 2 + 0,0044 t2 -1590 tj2 + 575 <p22.

В работе приведены графические зависимости, построенные на основе уравнений регрессии (рис.3 — рис.6).

G. 70 кг/ч 60

SO 40 30

»4fC

2730

Р.

2680

-2 ЙЬ -1 Вт 2630

0 2580

1 2530

■■■ 2 2480

2430

2380

Xl

Рис.3. Зависимость G-f(xi) при х2 = 0; ,x3 = 0 и х4 изменяющимся от -2 до +2.

-2 —1 О

-1 2

Xi

Рис.4. Зависимость Р =/(*]) при = 0; х4= О и jc2 изменяющимся от -2 до +2.

Rous, %

-2 -1

0

1 2

5. м2/кг

600 500 400 300 200 100 О

"ras™

2

~в—1 О

2

Л*4

Рис.5. Зависимость R00,s =/(лг) при .х, - 0; jc4 = 0 и изменяющимся от -2 до +2.

Рис.6. Зависимость 5 =/(л4) при xi - 0; ,х3 = 0 и х2 изменяющимся от -2 до +2.

Совместный анализ уравнений регрессии при выполнении следующих условий: G —> max, Р—»min, Runs-* min, 5 -»max, q —» min позволил определить рациональный режим работы ШБМ. Для решения поставленной задачи использовался метод Монте-Карло.

Анализ уравнения регрессии G (х,, х2, х3, х4) и графических зависимостей показал, что условие G —» max выполняется при следующих значениях факторов: Q = 90 м3/ч , t = 30 °С , г] = 0,19 , q>2 = 0,22. Условие Р —> min в уравнении регрессии Р (xi, х2, х3, х4) выполняется при значениях факторов: g = 10 м /ч , f = 30 °С , г) = 0,19 . <р3 =0,06. Условие »min в уравнении регрессии R„0,v (xt, х2, х3, х4)

выполняется при значениях факторов: О = 10 м3/ч, ! = 50 °С, г) =0,15. = 0,06. Условие S—» max в уравнении регрессии S (хь х2, х3, х4) выполняется при значениях факторов: О = 10 м3/ч, t = 30 °С , rj = 0,13, <р2 = 0,22. Условие 9-» min в уравнении регрессии q (Х|, х2, х3, х4) выполняется при значениях факторов: Q = 50 м /ч, t = 50 °С . /? =0,15, = 0,19.

Исследованы зависимости производительности мельницы, потребляемой мощности, тонкости помола, удельной поверхности, удельного расхода энергии от каждого фактора при найденных рациональных параметрах остальных конструктивно-технологических параметров, позволяющие выделить области значений факторов, при которых все функции имеют наиболее рациональные значения. Установлено, что наибольшая эффективность процесса измельчения, при которой G—» max, Р -» min, ÄeM-»min, S -»max, q -» min достигается при следующих граничных условиях: 10 < Q (м /ч) < 30 ; 35 <t (°С) < 45;

0,18< (р2 (долиед.) < 0,22: 0,16 < г/ (доли ед.) <0,18.

С), 5, КВТ'Ч(Т м:/кг % Р, Вт а, кг/ч

30 322 25 2600 97

23.5 315,5 23.1 2585.6 96

И ЗС9 20.8 2571.2 9г

аа.5 302,5 58,2 2556,8 34

23 296 15.6 2542.4 93

27.5 289.5 13 2528 92

27 285 10.4 2513.6 91

26.5 275.5 " »,8 2499,2 90

270 " 5,2 2484,6 89

25.5 263.5 2,6 2470,4 83

25 257 О 2456 87

д. М'/Ч

10 50 50 70 90

Рис. 7. Зависимость производительности мельницы, мощности, потребляемой приводом, тонкости помола, удельной поверхности, удельного расхода энергии от объема аспирационного воздуха (б, /', Я,¡ох, Ч от О).

у, 5, Ляи, р, кВт-чЛ м2/кг % Вт О, кг/ч

45 334 33 2665 91

43.2 328.9 30,6 2649.6 87.8

41,4 323,8 28,2 2634.2 | 84,6

39,6 318,7 25,8 2618.3 : 81.4

37.8 313,6 23.4 2бйз,4 ; 78.7

36 зив,ь 21 2588 | »

34.2 303,4 18,6 2572.6 71Я

32.4 298,3 16,7 2557.2 : 63.6

30.6 293.2 13.8 254.1,8 [ 65/1

28.8 288.1 11.4 2526,4 : 62.2

27 283 9 2511 59

Рис. 8. Зависимость производительности мельницы, мощности, потребляемой приводом, тонкости помола, удельной поверхности, удельного расхода энергии от температуры клинкера (б, Р, Л<»,у, 5, д от г).

В пятой главе приведен алгоритм расчета аспирационного режима шаровой барабанной мельницы.

Экспериментально подтверждена адекватность полученных математических описаний и теоретических соотношений для определения температуры цемента. Сравнительный анализ этих результатов показывает, что расхождения между расчетными и экспериментальными данными не превышают 7,5 % при температуре клинкера 60 °С и 6 % при температуре клинкера 100 °С.

Приведены результаты промышленных испытаний на цементной мельнице 3,2 х 15 м (№ 10). Показана эффективность работы ШБМ при использовании рекомендаций, предложенных в работе. В процессе работы мельницы контролировалась потребляемая мощность привода, производительность мельницы, тонкость помола, удельная поверхность, разрежение в загрузочной горловине, в аспирационной шахте, до фильтра и перед вентилятором; температура и влажность шихты (клинкер, гипс, шлак); температура воздуха по тракту; температура цемента.

На основании анализа результатов промышленных испытаний с учетом проведенных расчетов по разработанной нами методике было предложено увеличить коэффициент загрузки первой камеры мельницы до 0,26, провести мероприятия по уплотнению мест подсоса внешнего воздуха в аспирационную шахту, в систему разгрузки уловленного цемента в фильтре. Результаты проведенных мероприятий представлены в виде диаграммы помола (рис. 9) и диаграммы зернового состава (рис.10 ).

Рис. 9. Диаграмма помола

—Уд-поверхносгъ., м2/к!

:;■) -

1)!»1 ;

I а> • І ..Ч1 : 2.7;.->' ""

к- і о-- •:•»_■ г-с;;

<!* ('.41 - " М Г^Л'

:•» 7..ГІ - X Г:' ?.» XV

.-і її- • і-: 'Г 1-і і>. -

М,1 - 29 .4 ;

га.я- іч-і і

36.4 - 4-1.5 І

- і «:< . :і -іВ!

І.»8 .: н> 7.16 5«.$ і>«і 1-ї і 24.1 31.4 •«.< «і.«)

І» ; 5)1 'Кі .41- ''<Ф V хі. ' м,- .....,;;;,

15 -' І» я., , ' ......о..........

П іИ&тьл ічнаикінкя чіячеилч юеЩии* слзсржаыихк* к аім?»ад ?лі«цла млилкпиашкм» мл

Рис. 10. Диаграмма зернового состава цемента.

Производительность мельницы возросла и составила 47,1 т/час. Удельный расход энергии - 30,16 кВт-ч/т. Остаток на сите 008 в первой камере мельницы снизился с 53 % до 46 %; остаток на сите 02 снизился с 19,5 % до 10 %. Удельная поверхность готового продукта возросла с 316 м2/кг до 333 м2/кг.

Приведены результаты промышленных испытаний на цементной мельнице 3,2 х 15 м, во второй камере которой установлено внутримельничное классифицирующее устройство (ВКУ). Применение разработанной нами методики привело к увеличению производительности мельницы до 50 т/ч, снижению удельного расхода энергии с 30,14 до 28,6 кВтч/т, т.е. на 1,54 кВт-ч/т или на 5 %. Температура цемента на выходе из барабана мельницы составила 105 °С.

Нами установлено, что реализация процесса измельчения с соблюдением всех требований к качеству готового продукта возможна при меньших на 17 % скоростях и на 20 % объемах воздуха технологической аспирации. Это важный вывод нашей работы, который позволяет не только снизить нагрузку на пылеулавливающие аппараты, повысить эффективность и надежность их работы, но и уменьшить пропорционально нагрузку на привод вентилятора.

Реализация разработанной нами методики на цементных мельницах 3,2 х 15 м на ЗАО «Осколцемент» в результате стабилизации аспирационного режима обеспечила повышение тонкости помола (качества цемента) с 316 м2/кг до 357 м2/кг, т.е. на 41 м2/кг или на 12,9 %; снижение удельного расхода энергии на 5 %; производительность мельницы возросла с 47 до 50 т/ч, т.е. на 3 т/ч или на 6,3 %.

Выполнена оценка экономической эффективности от внедрения результатов работы. Предполагаемый годовой экономический эффект составит 1,224 млн. руб.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе анализа состояния и направлений развития техники и технологии измельчения материалов в шаровых барабанных мельницах выявлено влияние режимов технологической аспирации на эффективность процесса измельчения и качество готового продукта; показана необходимость разработки методики расчета и установление рациональных параметров аспирации с учетом конструкции внутримельничных устройств и характеристики измельчаемой шихты.

2. Обоснована целесообразность комплексного подхода к моделированию и расчету режимов технологической аспирации, объединяющего совместное рассмотрение трех наиболее существенных режимов работы аспирации -температурно-влажностного, пылединамического и аэродинамического.

3. Исследованы физико-механические свойства газоматериальных потоков аспирируемой шаровой барабанной мельницы; выведены соотношения для определения дисперсного состава измельчаемого материала, плотности, влагосодержания, вязкости и точки росы влажного аспирационного воздуха с учетом величины коэффициента динамической вязкости аспирационного воздуха.

4. На основании уравнения материального баланса процесса измельчения разработана математическая модель температурно-влажностного режима аспирируемой мельницы, позволяющая рассчитать: различные варианты ее охлаждения при отсутствии конденсации водяных паров внутри барабана мельницы и объем аспирационного воздуха, обеспечивающий требуемую температуру цемента на выходе из барабана мельницы.

5. Исследована пылединамика аспирационного потока, получены аналитические выражения для расчета концентрации пыли во внутримельничном пространстве, учитывающие конструкцию внутримельничных устройств, футеровки барабана мельницы, режим работы мелющих тел, позволяющие прогнозировать аспирационный вынос измельчаемого материала.

6. Разработан метод расчета влияния режима аспирации на дисперсные характеристики готового продукта; получено уравнение для определения размера частиц ¿/50 - улавливаемых в системе аспирации с эффективностью 50 %, в котором учитываются конструктивно-технологические параметры пылеулавливающих устройств.

7. Рассмотрено моделирование и рассчитаны аэродинамические режимы системы аспирации шаровой барабанной мельницы; определены коэффициенты местного сопротивления ряда внутримельничных устройств и их гидравлические сопротивления; рассчитаны требуемая производительность и разрежение, которые должны создаваться вентилятором мельницы; рассчитана требуемая мощность привода вентилятора с учетом обеспечения требуемого аспирационного режима.

8. Аналитически определены условия, предотвращающие конденсацию водяных паров в барабане мельницы и элементах аспирационного тракта, учитывающие влагосодержание и температуру шихты, наружного и подогретого воздуха, величину теплопотерь через стенки барабана мельницы и аспирационного тракта.

9. Разработана методика и алгоритм комплексного расчета системы аспирации шаровых барабанных мельниц открытого цикла измельчения, позволяющая рассчитать все параметры режимов аспирации с учетом конструктивных особенностей внутримельничных устройств, режима процесса измельчения, позволяющая определить объем, напор и мощность вентилятора.

10. С применением методов математического планирования проведены всесторонние экспериментальные исследования, получены уравнения регрессии в кодированном и натуральном виде: (G; Р; Rous; S; ¡7) =/(Х1,Х2,Хз,х4); (G; Р; R,m; S; q)=f(Q, t, tj, <p2), позволившие оценить влияние каждого из исследуемых факторов и эффективность их взаимодействия на формирования уровней параметров оптимизации.

11. Выявлен рациональный режим работы и аспирации мельницы, при котором обеспечивается G —► шах, Р —* min, Roan-* min, S—> max, q —> min: Q = 10 - 30 м3/ч , t = 35 - 45 °C,ri =0,16-0,18, ^, = 0,18-0,22.

12. Внедрение результатов работы на мельнице 3,2 х 15 м на ЗАО «Осколцемент» обеспечило годовой экономический эффект 1,224 млн. руб. в год за счет снижения удельного расхода энергии на 1,54 кВт-ч/т или на 5 %.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

а) в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Бажаноеа, О.И. Технологическая аспирация цементных мельниц / О.И. Бажанова, B.C. Богданов, В.Г. Шаптала // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2012. - № 3. - С. 95-98.

2. Бажанова, О.И. Моделирование температурно-влажностного режима цементной мельницы / О.И. Бажанова, B.C. Богданов, В.Г. Шаптала // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2012. - № 4. - С. 91-95.

3. Богданов, B.C. Влияние аспирации шаровых мельниц замкнутого цикла на кинетику процесса измельчения / B.C. Богданов, P.P. Шарапов, О.И. Бажанова, P.P. Шарапов мл. // Цемент и его применение. - 2012. -№ 5. - С. 78 - 81.

б) в других изданиях:

4. Богданов, B.C. Выбор оптимального способа измельчения /В.С.Богданов, О.И. Бажанова // Межвузовский сборник статей. Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов. Белгород, 2009. - вып. VIII - С. 38-42.

5. Позднякова, О.С. Определение скорости истечения сыпучего материала через выпускное отверстие просеивающей поверхности / О.С. Позднякова, В.П. Воронов, Д.С. Ханин, О.И. Бажанова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова -Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. - № 4. - С. 91 - 95.

6. Позднякова, О.С. Моделирование движения шаровой загрузки мельниц барабанного типа при каскадном режиме работы /О.С.Позднякова, В.П.Воронов, Д.С. Ханин, О.И. Бажанова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова - Белгород: Изд-во БГТУ, 2009. - № 4. - С. 88 - 90.

7. Бажанова, О.И. Влияние аспирации на работу цементных мельниц / О.И. Бажанова // Материалы IV международного научного симпозиума «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии», Орел, 2010. - С. 280 -283.

8. Богданов, B.C. Технологический расчет цементной мельницы/ B.C. Богданов, О.И. Бажанова, Д.В. Богданов // Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (XIX научные чтения), Белгород, 2010. - С. 21-27.

9. Богданов. B.C. К вопросу расчета гидравлических сопротивлений цементной мельницы / B.C. Богданов, О.И. Бажанова, Д.В. Богданов // Сборник докладов Международной научно-практической конференции «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (XIX научные чтения), Белгород, 2010. - С. 44-50.

10. Бажанова, О.И. Расчет и проектирование системы аспирации цементных мельниц / О.И. Бажанова, B.C. Богданов // Сборник докладов Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2010», Белгород, 2010.-С. 39-43.

11. Богданов, B.C. Влияние аспирации цементной мельницы на эффективность ее работы / B.C. Богданов, О.И. Бажанова // Межвузовский сборник статей «Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов». Белгород, 2010. - вып. IX- С. 40-42.

Основные условные обозначения

и>к, wr, viv w - влажности клинкера, гипса, шлака, шихты, %;

d- влагосодержание материала, кг/кг;

d4 - размер частиц, мкм;

d' - характеристический размер;

v - скорость перемещения измельчаемого

материала вдоль оси барабана мельницы,

м/с;

С - концентрация пыли в аспирационном воздухе, кг/м3 (г/м3); рм - плотность частиц измельчаемого материала, кг/м3;

рв - плотность воздуха, газа, кг/м3; рсв - плотность сухого воздуха, кг/м3; ра - плотность чистого аспирационного воздуха, кг/м3;

d„ - пылесодержание аспирационного воздуха, кг/кг;

Рсв, /'п /'а - давления сухого воздуха, водяного пара и аспирационного воздуха, Па;

тс„, т„ - массы сухого воздуха и пара, кг;

¿4, /а - влагосодержание и температура аспирационного воздуха; U— скорость потока воздуха, м/с; Э^ - скорость осажденных частиц, м/с; Гц - температура цемента, °С; G.i, G0B- интенсивность аспирации и расход охлаждающей воды; Ga- пылевынос из мельницы, кг/с; G„- массовый расход шихты, кг/с;

ра - коэффициент динамической вязкости, Н-с/м2;

у - относительная частота вращения мельницы;

D,p - коэффициент турбулентной диффузии;

g — плотность поступления пыли в свободное пространство мельницы, кг/(с-м3);

V-скорость частиц материала, м/с; Нср - высота свободного внутримельничного пространства, м; vt - турбулентная вязкость воздушной среды, м2/с;

А - корректирующий множитель;

Си, общие эффективности улавливания

пыли в циклоне и фильтре;

бпш - объемный расход воздуха,

подсасываемого в аспирационную шахту,

м3/ч;

8Ш - площадь поперечного сечения шахты;

dSo - размер частиц улавливаемых на 50%, мкм;

04 - среднее квадратичное отклонение распределения частиц по размерам;

5 - живое сечение перегородки; (Ашз - коэффициент разрыхленности шаровой загрузки;

Q - объемный расход аспирационного

воздуха, м3/ч;

Re - число Рейнольдса.

Подписано в печать 21.03.13 Формат 60x84/16

Усл. печ. л. 1,19_Тираж 100_Заказ № 106

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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. В. Г. ШУХОВА»

На правах рукописи

04201356766

БАЖАНОВА ОЛЬГА ИВАНОВНА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АСПИРАЦИЯ ШАРОВЫХ БАРАБАННЫХ

МЕЛЬНИЦ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Специальность: 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(строительство)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Богданов Василий Степанович

Белгород - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА

АСПИРАЦИИ ШАРОВЫХ БАРАБАННЫХ МЕЛЬНИЦ...............................13

1.1. Анализ существующих технологических схем измельчения..........13

1.1.1. Влияние аспирации на процесс измельчения.......................15

1.1.2. Характеристика аспирационных систем шаровых барабанных мельниц..........................................................................................18

1.1.3. Зависимость эффективности процесса измельчения от режима аспирации..............................................................................................22

1.1.4. Влияние режима аспирации на дисперсность и качество цемента.............................................................................................................24

1.1.5. Циклы измельчения................................................................25

1.2. Конструкция барабана мельницы и внутримельничных устройств, их влияние на процесс измельчения и режим аспирации................................37

1.2.1. Барабан мельницы................................................................40

1.2.2. Конструкции межкамерных перегородок и разгрузочной части.............................................................................................................43

1.3. Анализ существующих методик расчета процесса аспирации.. .47

1.4. Обоснование необходимости комплексного подхода к моделированию процесса аспирации шаровых барабанных мельниц.........51

1.5. Выводы..........................................................................................53

Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СИСТЕМЫ АСПИРАЦИИ ШАРОВЫХ БАРАБАННЫХ МЕЛЬНИЦ ОТКРЫТОГО ЦИКЛА

2.1. Физико-механические и теплофизические свойства газоматериальных потоков в шаровых барабанных мельницах...................54

2.1.1. Свойства потока измельчаемого материала.......................54

2.1.2. Свойства потока аспирационного воздуха.........................58

2.2. Моделирование температурно-влажностного режима шаровой барабанной мельницы.....................................................................................66

2.3. Моделирование пылединамики шаровой барабанной мельницы..........................................................................................................72

2.3.1. Анализ факторов формирования запыленности внутримельничного пространства..................................................................72

2.3.2. Моделирование массопереноса пыли в первой камере мельницы..........................................................................................................81

2.3.3. Исследование и расчет аспирационного выноса пыли........85

2.3.4. Влияние интенсивности аспирации на тонкость помола готового продукта............................................................................................88

2.4. Моделирование аэродинамического режима аспирационных мельниц............................................................................................................93

2.4.1. Расчет гидравлического сопротивления аспирационного тракта и подбор вентилятора..........................................................................93

2.4.2. Условия предотвращения конденсации водяных паров в аспирационных воздуховодах.......................................................................101

2.5. Методика комплексного инженерного расчета системы аспирации цементной мельницы.....................................................................................103

2.6. Выводы........................................................................................107

Глава 3. ПЛАН И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ

3.1. Поисковые эксперименты..........................................................108

3.2. План и программа экспериментальных исследований.............109

3.3. Описание экспериментальной установки и средств контроля.........................................................................................................113

3.4. Методика проведения измерений..............................................120

3.5. Воспроизводимость экспериментальных данных.....................122

3.6. Проверка адекватности уравнений регрессии и оценка значимости его коэффициентов....................................................................123

3.7. Выводы........................................................................................124

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШАРОВОЙ БАРАБАННОЙ МЕЛЬНИЦЫ

4.1. Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения в шаровой барабанной мельнице............................125

4.2. Влияние исследуемых факторов на параметры оптимизации.... 134

4.2.1. Анализ результатов исследований зависимости часовой производительности мельницы G =f(Q, t, rj, ср2).......................................134

4.2.2. Анализ результатов исследований зависимости потребляемой приводом мельницы мощности Р =f(Q, t, Г], (р2)...............140

4.2.3. Анализ результатов исследований остатка на сите №008 порошка, получаемого в мельнице Rons =f(Q, t, rj, cp2)...............................145

4.2.4. Анализ результатов исследований удельной поверхности готового продукта S =/(Q, t, rj, <р2).............................................................150

4.2.5. Анализ результатов исследований удельных затрат электроэнергии д =f(Q, t, rj, <р2)..................................................................154

4.3. Выбор рационального режима работы шаровой барабанной мельницы.......................................................................................................159

4.4. Выводы.......................................................................................166

Глава 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

5.1. Алгоритм и пример расчета аспирационного режима шаровой барабанной мельницы...................................................................................167

5.2. Внедрение результатов работы на ЗАО «Осколцемент»..........171

5.3. Технико-экономические результаты работы.............................182

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..................................................183

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................186

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................201

ВВЕДЕНИЕ

При производстве многих материалов возникает необходимость тонкого измельчения (до размеров менее 100 мкм) исходного сырья [6, 7, 14, 16, 17, 19, 28, 29, 33, 35, 47, 48, 53, 57, 67, 85, 100 -103]. Измельчение материалов в порошок осуществляется операциями помола в различных помольных агрегатах: шаровых, стержневых, трубных, роликовых, валковых, ролико-маятниковых, аэробильных, шахтных, вибрационных, струйных мельницах, мельницах бесшарового измельчения [100].

Независимо от конструкций мельниц измельчение материала в них осуществляется преимущественно ударом, раздавливанием и истиранием. Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что не более 5% подводимой энергии расходуется непосредственно на процесс измельчения, а остальная энергия преобразуется в тепловую, звуковую и преодоление потерь в механических передачах [6, 7, 16, 27, 33, 48, 85, 86, 113, 151].

Несмотря на многообразие конструкций мельниц в мировой практике самое большое распространение получили шаровые барабанные мельницы: в России их доля составляет 95 %, за рубежом - 80 %. [27, 123, 139, 148].

Качество производимого цемента и эффективность технологии в большей степени определяются процессом измельчения портландцементного клинкера и добавок, в ходе которого формируются дисперсные характеристики цемента, влияющие на его технологические свойства. Однако процесс измельчения является очень металле- и энергоемким. Удельные энергозатраты на измельчение цемента в шаровых барабанных мельницах нормальной дисперсности с удельной поверхностью 8 = 300 — 320 м /кг составляют 40 - 50 кВт-ч/т [10, 29, 84, 89 - 91, 98, 99, 110, 150]. Повышение активности цемента на одну марку связано с увеличением его дисперсности и приводит к росту удельных энергозатрат на 20 - 30%.

Эффективность процесса измельчения клинкера и добавок в шаровых барабанных мельницах зависит от следующих режимов [90, 91, 93]:

физико-химического режима, в ходе которого создаются рациональные температурно-влажностные и адсорбционные условия;

гидродинамического режима, направленного на обеспечение рациональных концентраций материала в зоне измельчения и скорости движения материальных и воздушных потоков;

- энергетического режима, обеспечивающего рациональный состав и предельную крупность мелющих тел, создание дифференциального скоростного режима работы мелющей загрузки, при котором осуществляется постепенное изменение вида и уровня измельчающих воздействий в радиальном и осевом направлениях.

Эффективность реализации этих режимов осуществляется посредством разработки рациональных конструкций бронефутеровок и диафрагм, обеспечивающих наилучшие режимы работы мелющей загрузки в поперечном и осевом направлениях, внедрения высокопроизводительных помольных систем с применением стадийно-поточных схем измельчения и эффективных конструкций сепараторов, применения способов интенсификации путем создания адсорбционно-активной среды в мельницах с помощью ПАВ, а также разработки способов пылеподавления, эффективных систем пылеулавливания и рационального аспирационного режима работы мельницы.

За годы применения шаровых мельниц их конструкция, а в особенности конструкция внутримельничных устройств претерпели значительные изменения, что повлияло на аспирационный режим их работы. В процессе модернизации в барабан устанавливали энергообменные устройства, различные конструкции межкамерных перегородок, трубы рецикла и т.д. Несмотря на интенсификацию режима работы мелющих тел, эффективность процесса измельчения при этом практически не изменилась, т.к. вентилятор и система очистки газа при этом остаются без изменения. На процесс измельчения в шаровых барабанных мельницах, наряду с такими факторами, как соотношение диаметра, длины барабана и камер, конструкция

внутримельничных устройств, физико-механические свойства измельчаемого материала, состав мелющих тел, существенное влияние оказывает аспирационный режим [1, 5, 7, 10, 11, 24, 27, 29, 38, 42, 43, 47, 48, 45, 54, 65].

Установлено, что одноименные мельницы, выпускающие один и тот же вид цемента, но оснащенные различными аспирационными устройствами (циклоны, фильтры, вентиляторы) имеют существенно отличные технологические показатели работы [37, 44, 45, 47, 48, 61, 65, 74, 116].

Вопросу разработки рационального аспирационного режима работы мельницы и совершенствованию аспирационных систем уделено недостаточно внимания, несмотря на то, что это позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели, повысить эффективность измельчения клинкера и добавок. Кроме того, процесс аспирации абсолютно необходим для стабильной работы помольных систем. Если остановить аспирацию мельницы вместе с находящимся в ней материалом, это приведет к её запариванию, налипанию измельчаемого материала на мелющие тела и футеровку, и процесс измельчения в таких условиях будет неосуществим.

Скорость воздуха в свободном пространстве барабана над мелющими телами составляет около 0,7 м/с. При помоле шихты с исходной температурой 80 - 90 °С, температура корпуса мельницы повышается до 200 °С, цемента до 140 °С, аспирационного воздуха до 120 °С. Через барабан мельницы необходимо просасывать 1,5 - 2,0 м'5 воздуха на 1 кг материала. Если остановить систему аспирации, то температура барабана мельницы и мелющих тел (без материала) повышается до 400 - 450 °С. В таком режиме мельница не сможет работать. Это приведет к выплавке или заклиниванию подшипников и, в конечном итоге, к их разрушению. Однако установлено, что при рекомендуемой скорости аспирационного воздуха 0,7 м/с в шаровых барабанных мельницах открытого цикла измельчения интенсивность аспирации первой камеры мельницы недостаточна. Увеличение объема просасываемого воздуха через мельницу приведет к резкому пылевыбросу из второй камеры мельницы и загрублению помола [45, 47, 48, 64, 66, 67].

Оптимизировать аспирационный режим процесса измельчения можно в основном за счет снижения гидравлического сопротивления внутримельничных устройств, загрузочной горловины и течек без существенного увеличения объема просасываемого воздуха [92, 93].

Известные методики расчета гидравлических сопротивлений основаны на использовании уравнения Де Арси и не учитывают конструктивных особенностей мельниц, режима работы мелющих тел, запыленности и температуры аспирационного воздуха. Экспериментальное определение гидравлического сопротивления мельниц и его элементов связано с инструментальными измерениями, ведение которых на работающей мельнице затруднено, либо вообще неосуществимо.

Поэтому, необходимо разработать методику расчета аспирационного режима ШБМ, которая бы позволяла на стадии проектирования, либо реконструкции при заданном технологическом параметре режима аспирации рассчитывать конструкцию внутримельничных устройств, и наоборот, учитывая конструкцию внутримельничных устройств и технологические параметры измельчаемой шихты, рассчитывать режим аспирации: скорость и требуемый объем воздуха, просасываемого через барабан мельницы. Рабочая гипотеза.

Повысить эффективность процесса измельчения клинкера и добавок в шаровых барабанных мельницах (ШБМ), стабилизировать качество готового продукта (цемента) возможно за счет обеспечения рационального режима аспирации барабана мельницы. Научная идея.

Рациональный режим аспирации ШБМ должен учитывать не только количество и состав компонентов измельчаемой шихты, но и конструкцию, гидравлическое сопротивление всех элементов внутримельничных устройств, температуру, влажность, размер частиц исходного и готового продукта.

Цель работы - разработка, апробация методики расчета параметров технологической аспирации ШБМ с учетом конструкции внутримельничных устройств и режимов работы мельницы, определение рациональных параметров процесса аспирации. Задачи исследований.

1. Получить уравнения для определения параметров измельчаемой шихты, при которых предотвращается конденсация водяных паров в аспирационном воздухе; установить зависимости давления водяного пара в аспирационном воздухе от влагосодержания в зависимости от разряжения аспирационного воздуха.

2. Выявить зависимость коэффициента динамической вязкости аспирационного воздуха от влагосодержания при различных значениях температуры; получить уравнения для расчета количества аспирационного воздуха в зависимости от температуры цемента и клинкера.

3. Установить факторы и их влияние на формирование запыленности внутри барабана мельницы; разработать уравнения для расчета массопереноса пыли в барабане мельницы.

4. Разработать уравнения для расчета размера частиц готового продукта в зависимости от интенсивности аспирации; разработать уравнения для расчета гидравлического сопротивления внутримельничных устройств в зависимости от их конструкции и режима процесса измельчения.

5. Получить уравнения для расчета объема аспирационного воздуха и мощности привода вентилятора с учетом конструкции внутримельничных устройств и теплофизических условий процесса измельчения.

6. Разработать инженерную методику расчета технологических параметров процесса аспирации.

7. Исследовать влияние основных факторов на технологические параметры процесса аспирации мельницы.

8. Осуществить апробацию методики расчета технологической аспирации ШБМ в лабораторных и промышленных условиях.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Обоснована необходимость комплексного подхода к моделированию и расчету параметров технологической аспирации ШБМ на основе совместного рассмотрения трех условий процесса измельчения: температурно-влажностного, пылединамического и аэродинамического.

2. Получены математические зависимости для расчета дисперсного состава измельчаемого материала с учетом его плотности, влагосодержания, вязкости и точки росы влажного аспирационного воздуха.

3. Получены уравнения для расчета температурно-влажностного режима аспирируемой мельницы, позволяющие установить различные варианты ее охлаждения, предотвращающие конденсацию водяных паров.

4. Найдены аналитические выражения для распределения концентрации пыли во внутримельничном пространстве, позволяющие прогнозировать аспирационный вынос пыли и количественно устанавливать влияние режима аспирации на дисперсные характеристики готового продукта.

5. Получены уравнения для расчета гидравлических сопротивлений внутримельничных устройств с учетом их конструкций и режимов процесса измельчения, положенных в основу определения количества аспирационного воздуха и мощности привода вентилятора.

6. Установлены условия, при которых предотвращается конденсация водяных паров в элементах аспирационного тракта и пылеулавливающих устройствах.

Практическая ценность работы и ее реализация.

1. Предложенный подход моделирования режима аспирации ШБМ с учетом физико-механических и теплофизических свойств газоматериальных потоков может быть использован как при модернизации работающих, так и �