автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Трубная шаровая мельница с внутренним рециклом загрузки

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В ТРУБНЫХ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦАХ(ТШМ).

1.1 Совершенствование процесса измельчения в ТШМ.

1.1.1 Увеличение габаритных размеров ТШМ.

1.1.2 Многотрубные шаровые мельницы.

1.1.3 Совершенствование футеровки.

1.1.4 Снижение поверхностной энергии.

1.1.5 Охлаждение ТШМ.

1.1.6 Внутримельничные энергообменные устройства.

1.1.7 Совершенствование схем организации процесса измельчения.

1.2 Технические решения организации внутримельничной классификации, рецикла и байпаса.

1.3 Предлагаемое конструктивно — технологическое решение.

1.4 Анализ методик расчета трубных шаровых мельниц.

1.4.1 Мощность, потребляемая приводом ТШМ.

1.4.2 Производительность ТШМ.

1.4.3 Закономерности измельчения материала в ТШМ.

1.5 Мощность потребляемая трубошнеком.

1.6 Цели и задачи исследований.

1.7 Выводы.

ГЛАВА 2 РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ТШМ С РЕЦИКЛОМ

ИЗМЕЛЬЧАЕМОГО МАТЕРИАЛА.

2.1. Массовые потоки в ТШМ, оборудованной ВКУ.

2.2 Среднее время измельчения материала.

2.3 Математическая модель движения загрузки в полости лифтера ВКУ.

2.3.1 Начальный момент относительного движения тела по поверхности лифтера.

2.3.2 Относительное движение материальной точки по внутренней поверхности лифтера ВКУ.

2.4 Движение загрузки в трубошнеке ВКУ.

2.5 Расчет пропускной способности внутримельничного устройства.

2.6. Производительность ТШМ, оборудованной ВКУ.

2.7 Затраты мощности на взаимодействие конструкции ВКУ с шароматериальной загрузкой.

2.7.1 Изменение затрат энергии на трение в подшипниковых узлах, связанное с изменением массы подвижной части ТШМ и массы загрузки мелющими телами.

2.7.2 Затраты энергии на перемещение загрузки в трубошнеке ВКУ.

2.7.3 Мощность, затрачиваемая на перемещение загрузки в лифтерах.

2.7.4 Затраты на преодоление сопротивления загрузки прохояедению сквозь нее лифтеров.

2.7.5 Изменение затрачиваемой энергии за счет смещения центра тяжести загрузки.

2.8 Выводы.

ГЛАВА 3 ПЛАН И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Основные положения экспериментальных исследований.

3.2 Описание экспериментальных установок применяемого оборудования и средств контроля.

3.3 Методики экспериментальных исследований.

3.4 Поисковые эксперименты.

3.5 План проведения многофакторного эксперимента для определения эффективности измельчения.

3.6 Характеристики исследуемого материала.

3.7 Выводы.

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ ТШМ, ОБОРУДОВАННОЙ ВКУ.

4.1 Исследование влияния основных факторов на эффективность процесса измельчения.

4.1.1 Анализ уравнения регрессии производительности

ТШМ, оборудованной ВКУ.

4.1.2 Анализ уравнения регрессии мощности потребляемой главным приводом ТШМ, оборудованной ВКУ.

4.2 Выбор рационального режима процесса измельчения.

4.3 Выводы.

ГЛАВА 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ НА ЦЕМЕНТНОЙ

МЕЛЬНИЦЕ.

5.1 Внедрение на ОАО «Михайловцемент».

5.2 Внедрение на ЗАО «Белгородский цемент».

5.3 Внедрение на ЦЗ «Пролетарий».

5.4 Технико-экономический результат работы.

5.5 Выводы.

Актуальность темы диссертационной работы.

В настоящее время в РФ происходит подъем строительной индустрии. Это влечет за собой необходимость постоянного увеличения объемов производства строительных материалов. Выпуск базового строительного материала, цемента, с 1990 по 1998 г. был снижен с 83 до 26 млн т в год. Начиная с 1998 г. объемы производства цементной промышленности постепенно наращивались, и в 2004 г. выпуск цемента составил 45,6 млн т в год.

К 2008 г. для обеспечения внутреннего рынка страны по планам правительства РФ годовой выпуск портландцемента необходимо увеличить до 70 — 80 млн т в год.

Это достаточно сложная задача, если учитывать нынешнее состояние цементной промышленности т.к. износ основных фондов по оценке отраслевых экспертов составляет более 70 %. За период с 1992 по 2002 гг. в цементной промышленности введено лишь две технологические линии общей мощностью около 1 млн. т. [55].

В связи с длительным сроком окупаемости инвестиционных проектов, обусловленным технологическими особенностями и высокой капиталоемкостью приток инвестиций от сторонних инвесторов маловероятен.

Серьезной проблемой, усугубляющей ситуацию в отрасли, является сезонный характер работ, нередко это приводит к аварийным ситуациям и повышенному износу оборудования. Рентабельность цементного производства по данным Госстроя РФ составляет около 10%. Этих средств недостаточно для внедрения современного технологического оборудования [55].

Большой проблемой отрасли в целом является то, что за годы перестройки прекратили работу практически все отраслевые научно-исследовательские, технологические и проектные институты, утрачено отраслевое машинострое-• ние.

В связи с этим стоящие перед отраслью задачи по увеличению выпуска цемента в ближайшие годы без существенных инвестиций не представляется возможным.

В такой ситуации необходимо проведение мероприятий по модернизации существующего парка машин, повышению эффективности его использования путем не дорогостоящих, но научно обоснованных и эффективных мероприятий.

Одним из основных технологических переделов, формирующих строительно-технологические свойства цемента, является помол. Задавая удельную поверхность, зерновой состав, вводя различные добавки мы можем в процессе помола в широких пределах регулировать свойства цемента.

В настоящее время в РФ, а также странах СНГ помол портландцементного клинкера осуществляют преимущественно в трубных шаровых мельницах (ТШМ). Повышение эффективности работы этого агрегата является одной из задач, решение которых приведет к росту объемов выпуска и повышения качества продукции цементных предприятий.

Рабочая гипотеза — повысить эффективность процесса измельчения портландцементного клинкера в ТШМ можно путем организации в полости помольного агрегата рециркулирующих потоков, что позволит увеличить среднее время пребывания измельчаемого материала в зоне измельчения.

Научная идея - необходимо исследовать такие режимы помола в ТШМ, при которых внутри барабана мельницы осуществляется рецикл измельчаемого матриала, сопровождающийся процессами классификации и вывода готового продукта, что в целом изменяет условия процесса измельчения.

Цель работы - интенсификация процесса помола портландцементного клинкера в ТШМ путем организации рециркулирующих потоков и байпаса измельчаемого материала в зоне тонкого помола; определение рациональных режимов ее работы; разработка методик расчета основных параметров ТШМ с рециклом.

Задачи исследований. 1. Разработать методику расчета конструктивно-технологических и кинематических параметров ТШМ с рециклом измельчаемого материала.

2. Разработать математические модели движения загрузки в элементах внутриfci мельничного классифицирующего устройства (ВКУ) ТШМ.

3. Создать экспериментальную модель, разработать методики исследований ТП1М с потоками рециркуляции и байпаса в зоне тонкого помола.

5. Исследовать влияние режимов работы ВКУ ТШМ на эффективность процесса измельчения.

6. Выявить рациональные конструктивные и технологические параметры ТШМ, оборудованной ВКУ.

7. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработать алгоритм расчета ТШМ с организацией рецикла и процесса классификации измельчаемого материала.

Научная новизна.

1. Разработана методика определения среднего времени измельчения материа-^ ла в ТШМ, оборудованной внутримельничным классифицирующим устройством (ВКУ), учитывающая рециркуляцию материала в камере тонкого помола.

2. Получены аналитические выражения, описывающие движение загрузки в трубошнеке, в полости лифтера ВКУ. Научно обоснован эффект вылета части загрузки из полости лифтера, установлен характер рассредоточения загрузки при движении в лифтере, определена доля загрузки лифтера ВКУ, которая подлежат вылету из него.

3. Разработаны методики определения: пропускной способности ВКУ по мелющим телам и измельчаемому материалу; производительности и изменения мощности ТШМ, оборудованной ВКУ. Методики учитывают конструктивно - технологические особенности ВКУ и режимы работы ТШМ.

Практическая ценность работы.

На основании результатов исследований разработано принципиально новое внутримельничное классифицирующее устройство для ТШМ, конструкция ^ которого защищена патентом РФ, № 2246355. ВКУ позволяет повысить эффективность измельчения материала в ТШМ.

Автор защищает.

1. Математическую модель определения среднего времени измельчения материала в ТШМ, оборудованной ВКУ.

2. Уравнения, описывающие движение частиц в лифтерах и трубошнеке ВКУ.

3. Результаты экспериментальных исследований в виде регрессионных моделей, позволяющие определить влияние основных факторов на формирование функций отклика: производительность и мощность ТШМ.

4. Патентно-чистую конструкцию ВКУ для ТШМ.

Реализация работы. Результаты работы внедрены на ОАО «Михайлов-цемент», ЗАО «Белгородский цемент», ЦЗ «Пролетарий», ПРУП «Кричев-цементношифер» при помоле портландцементного клинкера, а также в учебном процессе Белгородского государственного технологического университета имени В.Г. Шухова на кафедре «Механического оборудования предприятий промышленности строительных материалов».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях, проводимых в БГТУ им. В.Г. Шухова; международных научно-технических конференциях — «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» в 2003г и 2005г; «Образование, наука, производство» в 2004г.; международной интернет-конференции «Технологические комплексы, оборудование предприятий строительных материалов и стройиндустрии» в 2004г.; на заседаниях технических советов ОАО «Михайловцемент», ЗАО «Белгородский цемент», ЦЗ «Пролетарий», ПРУП «Кричевцемнтношифер» в 2002-2005гг.

Публикации. По результатам работы опубликовано 7 печатных работ, получен патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 116 наименований. Работа изложена на 150 страницах, в том числе содержит 66 рисунка, 10 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе анализа направлений развития трубных шаровых мельниц, показана эффективность организации внутримельничного рецикла и классификации измельчаемого материала.

2. Разработаны: аналитические уравнения движения мелющих тел в лифтерах и трубошнеке ВКУ; методика определения среднего времени пребывания материала в ТШМ, оборудованной ВКУ.

3. Разработаны методики определения производительности ТШМ оборудованной ВКУ и пропускной способности ВКУ. Установлено, что максимальная эффективность измельчения достигается при коэффициенте загрузке камеры тонкого помола 0,23-0,25 (при условии отсутствия контакта сегмента загрузки с трубошнеком). Расхождение аналитических и экспериментальных данных, полученных на промышленной цементной мельнице, не превышает

10%.

4. Разработана уточняющая методика определения мощности потребляемой главным приводом ТШМ, оборудованной ВКУ, учитывающая расход энергии на движение загрузки в лифтерах, трубошнеке, сопротивление движению лифтеров со стороны загрузки камеры помола, смещение центра масс загрузки ТШМ, а также изменения потерь на трение в узлах подшипников.

5. На основании реализации плана многофакторного эксперимента получены уравнения регрессии (Q, N)=f((p, у, и, а). Выявлено влияние исследуемых факторов на формирование функций отклика. Дана оценка влияния, как отдельных факторов, так и эффектов взаимодействия, на уровни параметров оптимизации.

6. Решена задача оптимизации. Установлен оптимальный режим работы ТШМ, оборудованной ВКУ, при котором выполняются эти условия: ф = 0,23 — 0,27; ф = 0,729 - 0,74; d = 0,3 - 0,45 м/с; а =14 - 20°.

7. Разработана принципиально новая конструкция ВКУ для ТШМ, защищенная # патентом РФ №2246355, которая позволяет повысить эффективность процесса измельчения в ТШМ.

8. Промышленное внедрение результатов работы на ОАО «Михайловцемент», ЗАО «Белгородский цемент» и ЦЗ «Пролетарий», в виде ВКУ для цементных мельниц, подтвердило эффективность применения разработанной конструкции. Установлено, что с помощью организации внутримельничного рецикла сопровождающегося процессами классификации и вывода готового продукта из зоны измельчения удельные энергозатраты снизились на 23 %, при незначительном (3,8%) снижении производительности, либо повысить производительность на 8,6 % при снижении удельных энергозатрат на 9,4 %.

9. Экономический эффект от внедрения результатов диссертации в виде ВКУ для ТШМ за счет повышения производительности и снижения удельных

•) энергозатрат составил 2835,7 тыс. руб. в год. Щ

1. А.с. 831171 СССР, МКИ В 02 С 17/06. Барабанная многокамерная мельница / В.С.Богданов, Н.С.Богданов, Д.Н.Солодовников; БТИСМ им.

2. И.А.Гришманова.-2796010/29-33; Заявлено 17.07.1979; Опубл. 23.05.1981; Бюл. №19.- С.З.

3. А.с. 1678448 СССР, МКИ В 02 С 17/00 Шаровая Мельница / B.C. Богданов, С.Ф. Зеленков, Ю.М. Фадин и др; БТИСМ им. И.А. Гришманова.-Опубл. 15.07.91, Бюл. № 35.-С.6.

4. А.с. 583718 СССР, МКИ В 02 С 17/06. Трубная мельница / Бент Хернинг; Ф.Л. Смидт и КО А/С 2010873/29-33; Заявлено 21.03.74; Опубл. 05.12.1977; Бюл. №45,- С.5.

5. Анурьев В .И. Справочник конструктора машиностроителя В 3 т. Т. 1 М.: Машиностроение. 1979.-728 с.

6. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя В 3 т. Т.2.-М.: Машиностроение. 1978.-559 с.

7. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя В 3 т. Т.З.-М.: Машиностроение. 1979 557 с.

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

9. Богданов B.C. Новое внутримельничное классифицирующее устройство для шаровых трубных мельниц / B.C. Богданов, Ю.М. Фадин,

10. В.Г. Дмитриенко, С.С. Латышев, И.С. Сыроватский // Вестник БГТУ им.В.Г. Шухова, 2003.- №6.- Ч. III.- С.254 257.

11. Богданов B.C. Повышение эффективности работы трубных мельниц открытого цикла измельчения / B.C. Богданов, Ю.М. Фадин, С.С.Латышев, и др. // Цемент и его применение, 2005 №1— С.49 — 53.

12. Богданов B.C. Снижение энергоемкости процесса измельчения /

13. B.C. Богданов, B.C. Платонов, Н.С. Богданов // Цемент, 1984 №12 —1. C.7-9.

14. Богданов B.C. Трубные шаровые мельницы с внутренним рециклом /

15. B.C. Богданов, B.C. Севостьянов, B.C.Платонов // Цемент, 1989 №1 .1. C.15-16.

16. Богданов B.C. Шаровые барабанные мельницы (с поперечно-продольным движением загрузки).- Белгород: БелГТАСМ, 2002 285 с.

17. Богданов B.C., Воробьев Н.Д. Определение длин камер трубных мельниц с наклонными перегородками / B.C. Богданов, Н.Д. Воробьев // Цемент, 1986.-№7 С.10 - 12.

18. Велецкий Р.К. Измерение параметров пылегазовых потоков в черной металлургии /Р.К.Велецкий, Н.Н.Григина.-М.: Металлургия, 1979.- 80 с.

19. Вердиян М.А. Оптимизация процесса измельчения в цементных мельницах: Автореф. дисс. канд. техн. наук / НИИЦемент М., 1971- 20 с.

20. Вычислительная техника в инженерных и экономических расчетах. Учебник для вузов. / Под. ред. Б.В. Анисимова М.: Высшая школа, 1975302 с.

21. Глухарев Н.Ф. Повышение производительности цементных мельниц с использованием устройства «Экофор» // Цемент и его применение, 2000 № 1.- С.20 - 22.

22. Глухарев Н.Ф. Технология «ЭКОФОР» за рубежом // Цемент и его применение, 2003.—№1.—С.23 -25.

23. Глухарев Н.Ф. Энергосбережение в производстве цемента с использованием устройства «Экофор»// Цемент и его применение, 2002—№1-С.19-21.

24. Григорьев A.M. Винтовые конвейеры-М.: Машиностроение, 1972 — 184 с.

25. Григорьев A.M. К вопросу о расчете грузовых винтов // Труды Казанского химико-технологического института им. С.М.Кирова-Казань, 1957.-Вып.22.- С.59 62.

26. Григорьев A.M. О наклоне шнека // Труды Казанского химико-технологического института им. С.М.Кирова-Казань, 1957.-Вып.22-С.63-75.

27. Григорьев A.M. Элементы теории винтовых конвейеров.- Казань: КХТИ, 1957.-73 с.

28. Движение тела в лифтере внутримельничного классифицирующего устройства трубной шаровой мельницы / Н.Д.Воробьев, В.П.Воронов, Ю.М. Фадин, С.С. Латышев, Д.В. Богданов // Вестник БГТУ им.В.Г. Шухова, 2005.- №11.- Ч. III.- С. 149 153.

29. Дешко Ю.И. Измельчение материалов в цементной промышленности / Ю.И. Дешко, М.Б. Креймер, Г.С. Крытхин М.: Стройиздат, 1966. - 275 с.

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

31. Дуда В. Цемент / Пер. с нем. Е.Ш. Фельдмана.- М.: Стройиздат, 1981. -464 с.

32. Дун И.Ф. Влияние профиля футеровки барабана на процесс измельчения и износа в шаровой мельнице / И.Ф. Дун, В.А. Цукерман // Бюллетень "Обогащение руд", 1974.- №3.- С.ЗО 35.

33. Евневич А.В. Грузоподъемные и транспортирующие машины на заводах строительных материалов.- 2-е изд., испр. и доп.— М.: Издательство машиностроительной литературы., 1962.-365 с.

34. Журавлёв В.М. Безболтовое крепление бронефутеровки шаровых мельниц. / В.М. Журавлёв, А.К. Лидумис //Цемент, 1964- №1.- С. 19 20.35