автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Винтовой классификатор сырьевого цементного шлама

На права^укописи

005052170

Тетерин Константин Константинович

ВИНТОВОЙ КЛАССИФИКАТОР СЫРЬЕВОГО ЦЕМЕНТНОГО ШЛАМА

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 ДПР 2013

Белгород 2013

005052170

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: Федоренко Михаил Алексеевич

доктор технических наук, профессор «Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова», профессор кафедры технологии машиностроения;

Гибелев Евгений Иванович кандидат технических наук, главный научный сотрудник Старооскольского завода обогащенного мела.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Воронежский государственный

архитектурно-строительный университет (ВГАСУ).

Защита диссертации состоится 19 марта 2013 г. в 1230 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» (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242).

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

Автореферат диссертации разослан «. » февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Уваров В.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время в России производство цемента в основном осуществляется по мокрому способу с приготовлением в качестве сырьевого продукта, так называемого шлама.

Основным элементом в производстве сырьевого цементного шлама является карбонатный компонент. При этом в зависимости от вида карбонатного компонента выбирается и схема приготовления сырьевого цементного шлама. При использовании мела в качестве карбонатной составляющей шлама в современных схемах его приготовления на первой стадии измельчения используются мельницы самоизмельчения «Гидрофол». Окончательное измельчение шлама происходит в коротких шаровых мельницах. Однако, как показали исследования, после «Гидрофола» на доизмельчение направляется большое количество (до 50. ..60 %) частиц, соответствующие по своему размеру готовому продукту, и направлять их на измельчение в шаровую мельницу нецелесообразно. Выделение таких частиц из потока должно повысить эффективность работы шаровой мельницы и всего производства цемента в целом. Применение для этих целей аппаратов известных конструкций решает проблему извлечения мелкой фракции из шлама на короткое время ввиду особенностей реологических характеристик мелового шлама.

Поэтому одной из важнейших задач по повышению эффективности приготовления сырьевого цементного шлама на базе мела является разработка классификатора сырьевого цементного шлама способного работать длительное время.

Цель работы - разработка винтового классификатора сырьевого цементного шлама, обеспечивающего повышение производительности помольного агрегата на 15...20 % и методики расчета основных конструктивно-технологических параметров разработанного классификатора.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

- разработка конструкции винтового классификатора сырьевого цементного шлама, обеспечивающего повышение эффективности измельчения в сырьевых шаровых мельницах на 15...20 %;

- исследование дисперсных характеристик твердой фазы мелового шлама, установление зависимости основных физико-механических и технологических свойств шлама от содержания твердой фазы и его зернового состава;

- установление закономерности осаждения частиц тела в водной среде под действием центробежно-гравитационного силового поля с

учетом их полидисперсности, формы и стесненности движения;

- разработка математической модели вращательного движения шлама в рабочем объеме винтового классификатора и нахождение зависимости для определения радиуса ядра потока, угловой скорости его вращения, а так же полного ускорения частиц в центробежно-гравитационном поле;

- получение аналитических выражений для общего сопротивления фильтрованию и технологических характеристик продуктов разделения шлама. Определение зависимости выхода фильтрата от конструктивно-технологических параметров винтового классификатора;

- получение аналитических выражений функции разделения винтового классификатора, его граничного зерна, а так же соотношения для расчета зернового состава твердой фазы фильтрата и густого шлама;

- разработка инженерного метода расчета винтового классификатора шлама, позволяющего по его заданным конструктивно-технологическим параметрам прогнозировать выход и основные характеристики продуктов разделения сырьевого цементного шлама;

- исследование многофакторного воздействия параметров винтового классификатора сырьевого цементного шлама на его выходные характеристики;

- промышленное внедрение результатов работы в производственные условия.

Научная новизна работы:

- установлены закономерности осаждения частиц в водной среде под действием центробежно-гравитационного силового поля с учетом их полидисперсности, формы и стесненности движения;

- разработана математическая модель вращательного движения шлама в рабочем объеме винтового классификатора, найдены зависимости для определения радиуса ядра потока, угловой скорости его вращения, а так же полного ускорения частиц в центробежно-гравитационном поле;

- получены аналитические выражения общего сопротивления фильтрованию и технологических характеристик продуктов разделения шлама - их выхода, плотности, влажности, содержания твердой фазы;

- установлена зависимость выхода объема фильтрата от конструктивно-технологических параметров винтового классификатора, согласующаяся с экспериментальными данными с точностью до 10 %;

- получены аналитические выражения функции разделения винтового классификатора, его граничного зерна, а так же соотношение для расчета зернового состава твердой фазы фильтрата и густого шлама.

Практическая значимость работы: на основе теоретических и . экспериментальных исследований создана конструкция винтового классификатора сырьевого цементного шлама, обеспечивающая повышение производительности помольного агрегата на 15...20 %. Разработаны инженерная методика и соответствующее программное обеспечение винтового классификатора сырьевого цементного шлама. Результаты работы в виде рекомендаций по полученным конструктивным параметрам и режимам работы винтового классификатора могут быть использованы в строительной, химической, металлургической и

других отраслях промышленности.

Апробация работы. Основные положения диссертации и практические результаты обсуждались и получили одобрение: на международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, на заседаниях технического совета ЗАО «Белгородский цемент», заседаниях кафедры механического оборудования БГТУ им. В.Г. Шухова.

Реализация работы. Результаты работы внедрены на предприятии ЗАО «Белгородский цемент» холдинга «Евроцемент Групп» для разделения грубомолотого шлама перед сырьевой мельницей домола в сырьевом цеху, в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механического оборудования предприятий промышленности строительных материалов» БГТУ им. В.Г. Шухова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе в аннотированных ВАК изданиях - 1 и без соавторов - 2, получен патент на полезную модель РФ.

Автор защищает следующие основные положения:

1. Математическую модель вращательного движения шлама в рабочем объеме винтового классификатора.

2. Аналитические выражения для расчета общего сопротивления фильтрованию и технологических характеристик продуктов разделения шлама - их выхода, плотности, влажности, содержания твердой фазы.

3. Зависимость выхода количества фильтрата от конструктивно-технологических параметров винтового классификатора.

4. Аналитические выражения функции разделения винтового классификатора, его граничного зерна, а так же соотношение для расчета зернового состава твердой фазы фильтрата и густого шлама.

5. Инженерный метод расчета винтового классификатора сырьевого цементного шлама, позволяющий по заданным конструктивно-технологическим параметрам прогнозировать выход и основные характеристики продуктов разделения шлама.

6. Результаты экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и промышленных условиях на винтовом классификаторе сырьевого цементного шлама.

7. Патентно-чистую конструкцию винтового классификатора сырьевого цементного шлама, обеспечивающую повышение производительности помольного агрегата на 15...20 %.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографического списка (108 наименований) и приложений, которые включают результаты промышленных исследований в виде таблиц; акты внедрения и промышленных испытаний. Общий объем диссертации состоит из 157 страниц, содержащих 140 страниц основного текста, включающего 52 рисунка и 15 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 основное технологическое оборудование для разделения «шламов и основные направления его развития на основе трудов П.И. Михайлова (ВНИИЦеммаш, г. Тольятти), Б.В. Ки-зельватера, В.В. Добровольского, В.И. Паршенкова, М.Я. Сапожнико-ва, конструкций разработанных Днепропетровским горным институтом, компаниями Dutch State mines (Государственное управление шахт, Лимбург, Нидерланды), Bartles (Великобритания), польской компании ОСО. Сделан вывод о том, что классификаторы, работающие на принципе фильтрации шлама через разделительные перегородки могут быть конкурентоспособными по своей эффективности с другими типами классификаторов, а при разделении сырьевого цементного шлама эффективность их работы выше.

Предложена конструкция винтового классификатора, позволяющая повысить эффективность процесса разделения сырьевого цементного шлама (рис. 1).

Винтовой классификатор работает следующим образом. Исходный сырьевой цементный шлам, содержащий крупные и мелкие частицы по тангенциальному патрубку 2 под давлением подается во внутреннюю полость цилиндрической части фильтрующей решетки 5.

Шибер 3 предназначен для регулирования скорости и направления подачи исходной смеси. Исходная смесь тангенциально подается на цилиндрическую поверхность 5 фильтрующей решетки, где под дей-

Рис. 1. Схема винтового классификатора сырьевого цементного шлама

ствием центробежных сил прижимается к этой поверхности, и мелкие частицы меси, мельче отверстий щели фильтрующей решетки проходят через лее, составляя готовый продукт.

Далее исходная смесь переходит на коническую часть 6 фильтрующей решетки, где продолжается отделение мелких частиц из исходной смеси. С целью удержания вращающегося потока на поверхности конической части фильтрующей решетки 6 внутри нее установлена направляющая винтовая спираль 7. Весь прошедший через щели цилиндрической и конической частей фильтрующей решетки материал составляет готовый продукт и отводится через патрубок 4.

Не прошедший через фильтрующую решетку материал по направляющей винтовой спирали 7 сходит в патрубок 8, образуя грубый продукт, который направляется на домол в мельницу.

На основании вышеизложенного определены цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрен процесс разделения сырьевого цементного шлама в винтовом классификаторе. Для описания процесса разделения цементного шлама в предлагаемом классификаторе предложено пользоваться расчетной схемой (рис. 2).

Исходными данными для расчета винтового классификатора для разделения сырьевого цементного шлама являются физико-механические

свойства шлама и его конструктивно-технологические параметры.

Коэффициент живого сечения сетки, т.е. отношение суммаоной

площади отверстий к площади сетки, может быть найден по формуле:

Рис. 2. Расчетная схема вин тового классификатора для разде ления сырьевого цементного шла ма: 1 - подводящий патрубок, 2 -фильтрующая решетка; 3 - направ ляющая

ЬА

=о,г

(і)

Гидравлическое сопротивление сетки может быть представлено в

виде:

АР = ^

(2)

(3)

Разделительные свойства сетки характеризуются ее сопротивлением фильтрованию Лрп, м-1, входящим в закон Дарси, который для разделительной перегородки можно представить в виде:

Ар

V =—2—'

" К*

Исходя из этого, для размера выпускаемого отверстия классификатора вытекает следующие условие:

Я2 > 0,346+ ЯК). (4)

Для апроксимации функции распределения по размерам частиц шлама и продуктов его разделения используется логарифмически-нормальный закон:

-ІЬкіХ^а

ехр

-->

дд а,

где

Ф(0 =

л/2л

ехга -

ск-

Реологические свойства шлама определяются его вязкостью:

Иш =И

1 + 2,5С„^- + 0,0275 Рт

Рш Рт

ехр 16,6 С„

Рш рт

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

В винтовом классификаторе из-за тангенциального подвода шлам закручивается вокруг его оси. В результате этого на частицы дисперсной фазы кроме силы тяжести, действует также направленная по радиусу, т.е. перпендикулярно силе тяжести, центробежная сила, вызывающая центробежное осаждение частиц, аналогичное гравитационному осаждению (рис. 3).

Повышение содержания частиц твердой фазы вблизи разделительной перегородки характеризуется коэффициентом неоднородности:

х = -

с. 1-е

(10)

Рис. 3. Схема осаждения частиц в центробежно-гравитационном поле

Зависимости радиуса ядра потока и радиуса корпуса классификатора от продольной координаты г имеют вид:

Яя(-) =

Д(г) =

ДЯ1,0 <:<Ни

Н«

Л„0<;<Яц

Ни< = <Н

п.

(П)

(12)

Среднеобъемное значение центробежного ускорения на частицу определяется следующим двойным интегралом:

2л [Г аи(г,2)гс1гсЬ Л«р-_с____(13)

Ус

Для цилиндрической части рабочего объема интеграл (13) вычисляется аналитически, а для конической части аналитическое интегрирование возможно лишь по переменным г:

" Ус Я\3 А'Я1; Уа3 я1\з Ля (г) Г ^ '

Полное центробежное давление на разделительной перегородке определяем, интегрируя зависимость:

"(/>у2 (г)

/>„(*) = Рш / (15)

о г

где - реальный, т.е. относящийся к определенному значению г радиус разделительной перегородки, м.

Подставив зависимость окружной скорости вращения шлама от радиуса в формулу (15) и выполнив интегрирование, найдем центробежное давление шлама на разделительную перегородку:

Л.ОО = рш

я» М

|о)2г<Л-+ |

От =ршю2^ --

з ад

(16)

«.о ' )

Гидростатическое давление шлама на глубине х равно:

А.=Рш£(#«+*)- (17)

Секундный объем фильтрата, проходящего через разделительную перегородку, находящуюся на уровне г определяется соотношением:

2л Рщ

И^обш эт

Полную производительность классификатора по фильтрату найдем интегрированием:

"-•(( . Уч V» , * ^

(19)

Л£Ф =

2л ри

^общ^па

(/?(-) - Пя + 8(НЦ + =)Щ=)

По приведенной выше методике получены конструктивно-технологические параметры винтового классификатора, работающего с мельницей домола на ЗАО «Белгородский цемент».

На рис. 4 приведены результаты расчетов производительности экспериментальной установки в зависимости от влажности исходного шлама при следующих технологических параметрах: давление шлама на входе в классификатор 0,4 МПа, размер отверстия сита фильтрующей решетки 0,6 мм и качества конечного продукта, определяемого на контрольном сите с размером ячейки

200 мкм (весь продукт менее 200 мкм) (линия 1) и результаты, полученные при проведении экспериментальных исследований на этой установке (линия 2).

Рис. 4. Зависимость производительности винтового классификатора от влажности сырьевого цементного шлама при й = = 0,6 мм: / - теоретическая зависимость; 2 -экспериментальная зависимость

Ошибка расчетных и экспериментальных данных не превышает 9,7 %.

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 разделения сырьевого цементного шлама и установлены уровни их варьирования.

В качестве плана эксперимента выбран план полного факторного эксперимента ЦКРП 24. В табл. 1 представлены основные факторы и уровни их варьирования.

В качестве функций отклика, характеризующих процесс разделения сырьевого цементного шлама в разработанном винтовом классификаторе приняты:

- производительность винтового классификатора, Q, кг/ч;

- качество готового продукта, определяемое остатком на сите с размером ячейки 200 мкм, Ш)2, %.

В качестве материала, подлежащего разделению в разработанном винтовом классификаторе, использовался сырьевой цементный шлам Белгородского цементного завода.

Таблица 1

Исследуемые факторы и уровни варьирования ПФЭ ЦКРП 24

Факторы Код. обозн. Интервал варьирования X—2 (звездный Уровень) Х = -\ (нижний уровень) Х = 0 (средний уровень) Х=+1 (верхний уровень) Х=+2 (звездный уровень)

Давление шлама, р, кПа-10"2 Л| 0,3 3,4 3,7 4,0 4,3 4,6

Влажность шлама, IV, % Хг 2 34 36 38 40 42

Размер отверстия сита на цилиндрическом участке, ¿1, мм Х} 0,1 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Размер отверстия сита на коническом участке, ¿2, мм X, 0,1 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

На рис. 5 представлена фотография экспериментального винтового классификатора сырьевого цементного шлама, на котором проводились работы по плану экспериментальных исследований.

Рис. 5. Фотография винтового классификатора сырьевого цементного шлама: I - патрубок подвода исходного продукта (шлама); 2 - корпус классификатора; 5 - патрубок отвода грубого продукта (крупки); 4 - опоры винтового классификатора

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, получены и проанализированы уравнения регрессии, осуществлен выбор рационального режима процесса разделения сырьевого цементного шлама в винтовом классификаторе.

В ходе экспериментальных исследований и статистической обработки их результатов по влиянию исследуемых факторов на производительность винтового классификатора по разделению шлама получено уравнение регрессии в кодированном виде, кг/ч:

Q = 2420 + 566,7 + 132,5 Х2 + 333,3 Х3 + 533,8 X, +4IX, Х2+ + 28,6 Х\ Х4 + 15,7X3X3 +34,2 Х3Х4 + 131,5 Х\ + 37,7 Х22+ + 81,5 Х32+ 106,5 Х42. (20)

Уравнение регрессии, выражающее качество готового продукта, определяемое остатком на сите с размером ячейки 200 мкм, получаемого в винтовом классификаторе от исследуемых факторов в кодированном виде имеет вид, %:

R02 = 1,9 + 0,45 X, + 0,36 Х2 + 0,24 Х3 + 0,85 Х4 - 0,04Х, Х2+ + 0,02 X, X, - 0,02 ХХз + 0,05 Х3Х4 + 0,08 X2 + 0,06 Х22 + + 0,0375 Х32 + 0,075 Х42. (21)

По уравнениям регрессии (20 и 21) были построены графические зависимости парного влияния варьируемых факторов на функции отклика.

На основании экспериментальных данных, полученных на базе уравнения регрессии (20), для зависимости Q =/(р, W, dh d2) сделаны следующие выводы:

- с увеличением давления р на напорной магистрали до 0,46 МПа наблквд. гтся повышение производительности винтового классификатора сырьевого цементного шлама в режиме его разделения;

- с увеличением параметра влажности W сырьевого цементного шлама до 42 % производительность винтового классификатора сырьевого цементного шлама повышается, что объясняется большей подвижностью частиц шлама и увеличением вероятности их попадания в готовый продукт;

- с увеличением размера d\ отверстия фильтрующего сита на цилиндрическом участке винтового классификатора, независимо от других факторов, производительность винтового классификатора возрастает;

- увеличение размера d2 отверстия фильтрующего сита на коническом участке винтового классификатора также повышает производительность винтового классификатора по подрешетному продукту.

По результатам анализа выражения (21) установлено, что:

- с увеличением величины р наблюдается загрубление готового продукта, получаемого в винтовом классификаторе цементного шлама;

- с увеличением параметра W при прочих равных условиях повышается величина R02;

- с увеличением размера отверстия сита d\ на цилиндрическом участке винтового классификатора, независимо от других факторов, наблюдается увеличение среднего размера подрешетного продукта;

- повышение размера отверстия сита d2 на коническом участке винтового классификатора ведет к увеличению остатка на контрольном сите с размером ячейки в 200 мкм.

Определены рациональные значения работы разработанного классификатора при условии максимума производительности (Q —► шах) и качества сырьевого цементного шлама, соответствующего остатку на сите 02 в (1,5...2)%, т.е. (1,5 <R02 <2)%.

Анализ уравнений регрессии показал, что максимальная производительность винтового классификатора при параметре R02 = = (1,5...2,0) % наблюдается при следующих значениях варьируемых факторов р = (0,38...0,42) МПа, W = (37...39) %, dx = (С 5..0,6) мм и d2 = (0,6...0,7) мм.

В пятой главе приведены данные по промышленному внедрению винтового классификатора на ЗАО «Белгородский цемент» холдинга «Евроцемент Групп» в цеху приготовления сырьевого шлама для разделения грубомолотого шлама перед подачей его в мельницу домола.

На рис. 6 представлена фотография винтового классификатора сырьевого цементного шлама, внедренного в сырьевом цеху ЗАО «Белгородский цемент».

Рис. 6. Фотография винтового классификатора сырьевого цементного шлама, внедренного в сырьевом цеху ЗАО «Белгородский цемент»

В табл. 2 представлены основные результаты промышленных испытаний разработанного винтового классификатора сырьевого це-

ментного шлама.

Таблица 2

_Основные результаты промышленных испытаний_

№ п.п. Показатели Един. Измерения Величина

До внедрения После внедрения

1 Винтовой классификатор: - диаметр - размер щели решетки - площадь фильтрации - производительность - остаток на сите 02 м мм м2 т/ч % - 1,2 0,6 3,8 45 1

2 Мельница шаровая: - масса мелющих тел - потребляемая мощность - производительность - остаток на сите 02 т кВт т/ч % 3x8,5 м 70 910 195 2 3x8,5 м 70 910 190 2

3 Производительность общая т/ч 195 235

4 Удельный расход энергии на помол шлама кВт-ч/т 4,67 3,87

Основные результаты и выводы

1. На основе анализа направлений развития и совершенствования техники и технологии классификации жидких шламов установлено, что применение классификационного оборудования в сочетании с работой шаровых мельниц мокрого измельчения обеспечивает максимальную эффективность процесса измельчения. Показано, что при совершенствовании конструкции классификаторов, принцип работы которых основан на фильтрации шлама через сито, по эффективности работы они могут быть сопоставимы с другими классификаторами.

2. Установлены закономерности осаждения частиц тела в водной среде под действием центробежно-гравитационного силового поля с учетом их полидисперсности формы и стесненности движения.

3. Получены:

- аналитические выражения общего сопротивления фильтрованию и технологических характеристик продуктов разделения шлама - их выхода, плотности, влажности, содержания твердой фазы, учитывающие конструктивно-технологические параметры винтового классификатора сырьевого цементного шлама;

- аналитические выражения для функции разделения винтового классификатора, его граничного зерна, а так же соотношение для расчета зернового состава твердой фазы фильтрата и густого шлама с учетом физико-механических свойств сырьевого цементного шлама.

Предложенные зависимости согласуются с экспериментальными данными с точностью до 9,7 %.

4. Разработана инженерная методика расчета винтового классификатора сырьевого цементного шлама, учитывающая конструктивные параметры винтового классификатора, характеристику исходного сырьевого цементного шлама и дисперсный состав твердой фазы.

5. В качестве основного плана эксперимента выбран центральный композиционный ротатабельный план (ЦКРП) 24 полного факторного эксперимента. На основе поисковых экспериментов определены исследуемые факторы: давление на напорной магистрали винтового классификатора (р), влажность шлама (IV) и размер отверстий на цилиндрическом и коническом участках винтового классификатора (<1Х и Аг.) и уровни их варьирования; для исследования процесса разделения цементного шлама разработана экспериментальная установка винтового классификатора сырьевого цементного шлама.

6. Исследовано влияние варьируемых факторов на производительность винтового классификатора и на качество конечного продукта, получаемого в винтовом классификаторе. Получены уравнения регрессии для Q, Ш)2 =/(р, IV, с1и с12) при работе винтового классификатора в

режиме разделения сырьевого цементного шлама.

7. Установлены рациональные режимы работы винтового классификатора для р, W, d\ и d2, при которых достигается максимальное значение Q и минимальное значение R02 при которых они соответственно равныр = (0,38...0,42) МПа, W= (37...39) %, d{ = (0,5...0,6) мм и </2 = (0,6...0,7) мм.

8. Осуществлено промышленное внедрение винтового классификатора сырьевого цементного шлама на ЗАО «Белгородский цемент». Доказано, что применение винтового классификатора при разделении сырьевого цементного шлама позволяет повысить эффективность его приготовления. Установка винтового классификатора на линии подачи грубоизмельченного шлама в шаровую мельницу домола после мельницы самоизмельчения «Гидрофол» в цехе приготовления шлама ЗАО «Белгородский цемент» обеспечила повышение производительность линии с 195 до 235 т/ч при снижении удельного расхода электроэнергии на помол сырьевого цементного шлама с 4,67 до 3,87 кВт ч/т.

Библиографический список

Гамонин, А. Н. Сепаратор цементного шлама / А. Н. Гамонин, К. К. Тетери н // Энергосберегающие комплексы и оборудование для производства строительных материалов : Межвуз. сб. статей /Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород, 2009. - С. 71-72.

Тетерин, К. К. Основы расчета сепаратора шлама / К. К. Тетерин, А. Н. Гамонин // Энергосберегающие комплексы и оборудование для производства строительных материалов : Межвуз. сб. статей /Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород, 2009. - С. 247-249.

Лукьянов, Н. А. Аналитические исследования винтовых сепараторов цементного шлама / H.A. Лукьянов, К. К. Тетерин, // Энергосберегающие комплексы и оборудование для производства строительных материалов : Межвуз. сб. статей /Белгор. гос. технол. ун-т. — Белгород, 2010. -С. 242-244.

Тетерин, К. К. Повышение эффективности измельчения цементного шлама / К. К. Тетерин // Энергосберегающие комплексы и оборудование для производства строительных материалов : Межвуз. сб. статей /Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород, 2010. - С. 363-364.

Винтовой классификатор. Патент на полезную модель № 109022 от 06.06. 2011 В03В 5/62 Богданов B.C., Шарапов P.P., Тетерин К.К.

Шарапов, P.P. Исследование процесса разделения частиц твердой шлама в винтовом классификаторе / P.P. Шарапов, К. К. Тетерин, B.C. Богданов, A.B. Пеленицын // Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, 2012. -С. 67-70.

Лукьянов, Н. А. Аналитические исследования винтовых сепарато-

ров цементного шлама / H.A. Лукьянов, К. К. Тетерин, // Энергосберегающие комплексы и оборудование для производства строительных материалов : Межвуз. сб. статей /Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород, 2010. - С. 242-244.

Тетерин, К.К. Повышение эффективности производства цементного шлама / К.К. Тетерин, A.B. Пеленицын // Международная научно-практическая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова /Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород, 2012

Тетерин, К. К. Влияние конструктивно-технологических параметров винтового классификатора на его производительность // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов : Межвуз. сб. статей /Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород, 2012. - Вып. XI. С. 425-428.

Тетерин, К.К. Влияние конструктивно-технологических параметров винтового классификатора на качество цементного шлама / К.К. Тетерин, Ю.А. Шеховцова, А.Н. Масловская // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов : Межвуз. сб. статей /Белгор. гос. технол. ун-т. -Белгород, 2012. - Вып. XI. С. 429-435.

Пелиницын, A.B. Аналитические модели поведения компонентов цементного шлама при его активации / A.B. Пелиницын, К.К. Тетерин // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов : Межвуз. сб. статей /Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород, 2012. - Вып. XI. С. 279-282.

Пелиницын, A.B. Активация цементного шлама после его тонкого измельчения / A.B. Пелиницын, К. К. Тетерин // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов : Межвуз. сб. статей /Белгор. гос. технол. ун-т. -Белгород, 2012. - Вып. XI. С. 276-278.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ b\Vib2- толщина и толщина колосников, мм; d\, d2 - диаметр отверстия сита на цилиндрическом и коническом участках, мм; d, - размер частиц определяемого класса, мкм; Cm(R), CV(R), c(R) - значения показателей содержания твердой фазы вблизи разделительной перегородки, кг/м3; g - ускорение силы тяжести, м/с2; Я - глубина слоя шлама в классификаторе, м; Я, и Яц - высота конической и цилиндрической поверхности классификатора, м; /?я(г) - радиус ядра потока, м; Rpn — сопротивление фильтрованию разделительной перегородки; R(z) - реальный радиус разделительной перегородки, м; R02 - качество готового продукта, определяемое остатком на сите 200 мкм, %; £ф — выход фильтрата, м3/с; р — рабочее давление шлама на входе в класси-

фикатор, Па; Q - производительность винтового классификатора, кг/ч; IV-влажность шлама, %; у«- скорость осаждения, м/с; у0К[)- окружная скорость вращения потока шлама, м/с; ц - коэффициент динамической вязкости жидкой фазы шлама, Па с; со - угловая скорость вращения сырьевого цементного шлама, с"1; £, - коэффициент местного сопротивления сетки; рт, рш - плотность, соответственно, твердой фазы и шлама, кг/м3.

Подписано в печать Oв■0Z. УЗ

Усл. печ. л. 1,1. Тираж 100 экз.

Формат 60x84/16 Заказ № 5?

Отпечатано в ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. ШУХОВА

ВИНТОВОЙ КЛАССИФИКАТОР СЫРЬЕВОГО ЦЕМЕНТНОГО ШЛАМА

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д-р техн. наук, проф. B.C. Богданов

Белгород 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .........................................................................................................7

1. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ВИНТОВОГО КЛАССИФИКАТОРА СЫРЬЕВОГО ЦЕМЕНТНОГО ШЛАМА ..................................................11

1.1. Анализ конструкций классификаторов шлама...................................11

1.2. Обзор фильтровальных материалов.....................................................28

1.3. Обзор существующих теорий расчета гидроклассификаторов шлама......................................................................................................32

1.4. Цель и задачи исследований ................................................................36

1.5. Выводы ...................................................................................................39

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ВИНТОВОГО КЛАССИФИКАТОРА СЫРЬЕВОГО ЦЕМЕНТНОГО ШЛАМА............41

2.1. Анализ целесообразности и технических возможностей совершенствования технологии приготовления сырьевого

цементного шлама..................................................................................41

2.1.1. Особенности существующей технологии

приготовления сырьевого цементного шлама.............................41

шлама ........................................................................................

2.4. Закономерности разделения сырьевого цементного шлама в винтовом классификаторе....................................................

2.5. Прогнозирование зернового состава дисперсной фазы продуктов разделения сырьевого цементного шлама ......................69

2.6. Разработка метода расчета винтового классификатора сырьевого цементного шлама...............................................................74

2.7. Выводы ...................................................................................................78

3. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК........80

3.1. План экспериментальных исследований ...........................................80

3.2. Методики проведения исследований .................................................88

3.3. Стендовая установка винтового классификатора

сырьевого цементного шлама .............................................................90

3.4. Выводы .................................................................................................96

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА РАБОТУ ВИНТОВОГО КЛАССИФИКАТОРА СЫРЬЕВОГО ЦЕМЕНТНОГО ШЛАМА .........98

4.1. Реологические свойства сырьевых шламов цементного производства .........................................................................................98

4.2. Исследование процесса разделения сырьевого цементного шлама

в винтовом классификаторе ..............................................................102

4.3. Производительность винтового классификатора

сырьевого цементного шлама ...........................................................115

4.4. Качество сырьевого цементного шлама, получаемого в винтовом классификаторе .................................................................124

4.5. Выводы.................................................................................................132

5. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ В ПРОИЗВОДСТВО............134

5.1. Разработка винтового классификатора сырьевого

цементного шлама...............................................................................134

5.2. Выводы .................................................................................................141

6. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ .............................................................................142

Библиографический список...........................................................................144

Приложения ....................................................................................................155

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ А - величина, являющаяся функцией радиуса решетки R мм, его центрального угла и скорости подачи исходной смеси v, м/с; Аг - число Архимеда; Ь\ и Ь2 - толщина и толщина колосников, мм; Ьт - основание треугольного сечения продольных проволок, м; Ьп - диаметр поперечных стягивающих проволок, м; d - ширина направляющей лопасти, м; d\, d2 - диаметр отверстия сита на горизонтальном и наклонном участках, мм; dK - наименьший размер частиц грубого продукта, не прошедшего через сито, мкм; drp - граничный размер частиц, м; CD - коэффициент сопротивления жидкой среды; С^ - концентрация твердой фазы, кг/м ; dj - размер частиц определяемого класса, мкм; Cmv(R), CV(R), s(R) - значения показателей содержания твердой фазы вблизи разделительной перегородки, кг/м3; dM - наибольший размер частиц готового продукта, мкм; dn - диаметр (эквивалентный) питающего патрубка, м; d3д - эквивалентный диаметр частицы неправильной формы, м; dp - размер ячейки сита, допускающий проход р-ой доли массы просеиваемого материала, м; d0>5 ~ медианный размер частиц, допускающий проход половины материала, м; я?ср— среднеповерхностный размер частиц твердой фазы шлама, м;

Dtp - коэффициент турбулентной диффузии частиц; F - площадь живого сечения решетки, м ; g — ускорение силы тяжести, м/с ; hQ - начальная толщина потока или размер питающего патрубка, мм; Н- глубина слоя шлама в классификаторе, м; #ц - высота цилиндрическую поверхность классификатора, м; Rr и Rn - отношения жидкого к твердому соответственно в исходном продукте и в сливе; Дрп - разделительные свойства сетки характеризуются ее сопротивлением фильтрованию, м-1; Rr{z) - радиус ядра потока, м; Rm, Rpn - сопротивление фильтрованию взвешенного осадка и разделительной перегородки; R{z) - реальный радиус разделительной перегородки, м; г0 - удельное объемное сопротивление взвешенного осадка, 1/м ; R02, R02 - качество готового продукта, определяемое остатком на сите 200 мкм, %; Ка - поправка на диаметр гидроциклона; KD - поправка на угол конусности гидроциклона; Ьф -

л

выход фильтрата, м /с; Ьш - объемный расход питания классификатора, м /с; т - масса пробы, г; п - коэффициент, зависящий от содержания твердого в питании; N - число фракций; р - рабочее давление шлама на входе в классификатор, Па; ро - рабочее давление пульпы на входе в гидроциклон, МПа; Ре

- число Пекле; Рт - пластическая прочность, дин/см ; Рк - условно-динамический предел текучести, дин/см ; 5 - ширина щели, мм; 5о - шаг направляющей лопасти, м; Бм - площадь миделевого сечения частицы; £уД-

удельная поверхность твердой фазы, м2/кг; производительность винтового классификатора, кг/ч; V, У0\ - удельные объемы фильтрата, получаемые соответственно при давлении р и давлении, равном 0,1 МПа; Ус - объем класси-

л

фикатора, м ; ¡¥ш - влажность шлама, %; уф - скорость фильтрования м/с; уос

- скорость осаждения, м/с; ри и (Зг - содержание мелкого класса соответственно в исходном материале и в сливе, доли, ед.; у - угол наклона направляющей лопасти, град.; уп - объемный выход готового материала, доли, ед.; е,

- эффективность извлечения в готовый продукт г-го класса, доли ед.; Ево -пористость взвешенного осадка; ц - коэффициент динамической вязкости жидкой фазы шлама, Па-с; коэффициент расхода отверстия, равный 0,6; ^ - коэффициент местного сопротивления сетки; рт, рш - плотности твердой

3 2

фазы и шлама, кг/м ; ф - угол дуги грохота, м ; х ~ коэффициент неоднородности распределения твердой фазы; - безразмерная эмпирическая посто-

р

янная; г\хт - наименьшая пластическая вязкость, Па; —-— динамическая пла-

1 1 2 стичность, с" ;--коэффициент подвижности; см /дин-с; Др - перепад дав-

п1

лений на решетке, Па.

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности производства различных материалов невозможно без совершенствования применяемого технологического оборудования, как вновь разработанного, так и модернизируемого. Изучение существующих технологических процессов и механизмов позволяет установить основные закономерности их функционирования, на основании чего становится возможным установить их недостатки и наметить пути их устранения.

Тонкое измельчение (размер частиц менее 100 мкм) является основной технологической операцией при производстве различных материалов. При этом объемы измельчения превышают многих десятков млрд. тонн в год. Базовыми агрегатами для измельчения во всем мире являются шаровые мельницы, получившие такое широкое распространение ввиду простоты своей конструкции и удобства в обслуживании. Однако, дальнейшего распространения эти мельницы не получили вследствие весьма низкого КПД, который колеблется в пределах 0,5...2,0 % [4, 108]. В связи с этим необходимо уделять значительное внимание вопросам повышения эффективности работы шаровых мельниц.

В производстве цемента шаровые мельницы также являются основными помольными агрегатами. При этом энергоемкость производства при любом способе его производства превышает 100 кВтч/т. На процессы помола сырьевых компонентов и цементного клинкера расходуется до 70 % электроэнергии при примерном соотношении 30 : 40. При ежегодном мировом производстве цемента более 2,5 миллиарда тонн годовые затраты на тонкое измельчение в цементном производстве превышают многих миллиардов долларов США.

Как показали многие исследователи [69, 108], сдерживающим фактором в повышении эффективности работы шаровых мельниц является неэффективная работа мелющей загрузки, в которой основное количество столкновений происходит между шарами, а не между шарами и измельчаемой средой.

Одним из возможных путей повышения эффективности работы шаровых мельниц является перевод их в замкнутый цикл измельчения. Многими исследователями [4, 59, 60, 69, 108] отмечается, что использование замкнутого цикла повышает качество конечного продукта при одновременном повышении производительности помольной установки до 10...25 % в зависимости от применяемой схемы измельчения и эффективности применяемого сепарирующего устройства.

Однако, если для сухого помола созданы и широко внедряются в промышленность воздушные сепараторы, обеспечивающие эффективность разделения до 80 %, то для шаровых мельниц мокрого измельчения отсутствуют достаточно эффективные классифицирующие устройства, позволяющие повысить эффективность измельчения цементного шлама и, значить эффективность всего цементного производства.

Цель работы. Разработка винтового классификатора сырьевого цементного шлама, обеспечивающего повышение производительности помольного агрегата на 15...20 % и методики расчета основных конструктивно-технологических параметров разработанного классификатора.

Объектами исследований являлись лабораторные и промышленные винтовые классификаторы сырьевого цементного шлама.

Научная новизна работы:

- установлены закономерности осаждения частиц в водной среде под действием центробежно-гравитационного силового поля с учетом их полидисперсности, формы и стесненности движения;

- разработана математическая модель вращательного движения шлама в рабочем объеме винтового классификатора, найдены зависимости для определения радиуса ядра потока, угловой скорости его вращения, а так же полного ускорения частиц в центробежно-гравитационном поле;

- получены аналитические выражения общего сопротивления фильтрованию и технологических характеристик продуктов разделения шлама - их выхода, плотности, влажности, содержания твердой фазы;

- установлена зависимость выхода объема фильтрата от конструктивно-технологических параметров винтового классификатора, согласующаяся с экспериментальными данными с точностью до 10 %;

- получены аналитические выражения функции разделения винтового классификатора, его граничного зерна, а так же соотношение для расчета зернового состава твердой фазы фильтрата и густого шлама.

Автор защищает следующие основные положения:

1. Математическую модель вращательного движения шлама в рабочем объеме винтового классификатора.

2. Аналитические выражения для расчета общего сопротивления фильтрованию и технологических характеристик продуктов разделения шлама - их выхода, плотности, влажности, содержания твердой фазы.

3. Зависимость выхода количества фильтрата от конструктивно-технологических параметров винтового классификатора.

4. Аналитические выражения функции разделения винтового классификатора, его граничного зерна, а так же соотношение для расчета зернового состава твердой фазы фильтрата и густого шлама.

5. Инженерный метод расчета винтового классификатора сырьевого цементного шлама, позволяющий по заданным конструктивно-технологическим параметрам прогнозировать выход и основные характеристики продуктов разделения шлама.

6. Результаты экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и промышленных условиях на винтовом классификаторе сырьевого цементного шлама.

7. Патентно-чистую конструкцию винтового классификатора сырьевого цементного шлама, обеспечивающую повышение производительности помольного агрегата на 15.. .20 %.

Практическая значимость работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований создана конструкция винтового классификатора сырьевого цементного шлама, обеспечивающая повышение производитель-

ности помольного агрегата на 15...20 %. Разработаны инженерная методика и соответствующее программное обеспечение винтового классификатора сырьевого цементного шлама. Результаты работы в виде рекомендаций по полученным конструктивным параметрам и режимам работы винтового классификатора могут быть использованы в строительной, химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены на предприятии ЗАО «Белгородский цемент» холдинга «Евроцемент Групп» для разделения грубомолотого шлама перед сырьевой мельницей домола в сырьевом цеху, в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Механического оборудования предприятий промышленности строительных материалов» БГТУ им. В.Г. Шухова.

Апробация работы. Основные положения диссертации и практические результаты обсуждались и получили одобрение: на международной научно-технической конференции молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, на заседаниях технического совета ЗАО «Белгородский цемент», заседаниях кафедры механического оборудования БГТУ им. В.Г. Шухова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе в аннотированных ВАК изданиях - 1 и без соавторов - 2, получен патент на полезную модель РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографического списка (108 наименований) и приложений, которые включают результаты промышленных исследований в виде таблиц; акты внедрения и промышленных испытаний. Общий объем диссертации состоит из 160 страниц, содержащих 143 страниц основного текста, включающего 52 рисунка и 15 таблиц.

и

1. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ винтового

КЛАССИФИКАТОРА СЫРЬЕВОГО ЦЕМЕНТНОГО ШЛАМА

1.1. Анализ конструкций классификаторов шлама

При обогащении руд, производстве строительных материалов, минеральных добавок, всевозможных пигментов, наполнителей и других материалов процессы измельчения занимают важное место. Получение этих материалов связано с тонким измельчением (размер частиц меньше 100 мкм) [4, 8, 59, 60, 63, 69, 108]. Используемые материалы значительно отличаются друг от друга по своим физико-механическим свойствам: влажности, абразивности, прочности, начальной и конечной крупности и др.

Однако все существующие конструкции сырьевых мельниц [4, 7, 8, 10, 11, 12, 14, 16, 21, 41, 42, 63, 65, 66, 68, 69, 80, 82, 87, 89, 94, 97, 102, 104...106, 108] не решают в полной мере проблему повышения эффективности их работы. Повысить качество продуктов измельчения при одновременном повышении производительности помольного агрегата возможно при переводе мельницы в замкнутый цикл. Однако, большое разнообразие разработанных установок для классификации жидких шламов требует подробного изучения их конструкций и принципа действия на основании которых возможно выявить их недостатки и наметить пути их устранения.

Процессы разделения продуктов измельчения широко используются в различных отраслях промышленности, т.к. исходный продукт представляет собой неоднородную по крупности смесь и содержит различные примеси и включения.

Оборудование для этих процессов основывается на механическом, воздушном, электромагнитном или гидравлическом принципе действия.

Механический способ разделения является самым распространенным и самым древним из них. Первое упоминание о применении ситовой технологии относится к Древнему Египту (1500 лет до нашей эры) [90]. За прошедшее время создано большое количество механических грохотов [60, 63, 69, 90] отли-

чающихся как конструктивно, так и по принципу действия [63, 69, 90, 104]. Процесс основан на том, что на плоских или криволинейных плоскостях с отверстиями заданного диаметра происходит разделение, как правило, под действием силы тяжести разделяемого материала. Процесс механического разделения хорошо отлажен и в некоторых случаях эффективность процесса превышает 90 %. Однако, недостатками этого способа является то, что эффективность процесса резко падает при размере разделяемого продукта 1...2 мм, а также чрезмерное пыление и шум, сопровождаю�