Проект ударно-центробежной мельницы

+Т. Схема (A1).cdw

Регулятор частоты вращения вала
Электродвигатель привода шнека
Технологическая схема
центробежной мельницы
Приводной электродвигатель

+курсоваяМиАХПDEN..doc

Министерство образования Республики Беларусь
УО: «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра машин и аппаратов химических
и силикатных производств
по дисциплине «Машины и аппараты химических производств»
на тему «Проект опытной установки ударно-центробежной мельницы»
Курсовой проект включает пояснительную записку объемом 58 страниц содержащую 18 рисунков 3 таблицы 15 формул 37 литературных источников и 2 листа формата А1 графического материала.
ДРОБИЛКА ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬ МЕЛЬНИЦА ПОМОЛ ОПЫТНАЯ УСТАНОВКА СИЛЬВИНИТ УДАР ЭНЕРГОЁМКОСТЬ.
В курсовом проекте разработана экспериментальная установка для исследования новой конструкции ударно-центробежной мельницы метательного типа. Цель проекта – улучшение качества готовой продукции и снижение энергопотребления при измельчении.
Указанная цель достигается использованием специальной конструкции рабочего органа (ротора с лопатками). Дано техническое обоснование использования такого решения.
Проведен расчет и разработаны чертежи установки рабочего органа и его деталей; приведены результаты экспериментальных исследований и их анализ.
Мельница предназначена для проведения различного рода исследований последующего создания её промышленных вариантов и внедрения их в различные сферы народного хозяйства.
Задание на курсовое проектирование . ..2
Литературный обзор 7
1. Анализ современного состояния теории измельчения 7
2. Анализ современного состояния техники измельчения 13
Разработка и описание конструкции экспериментальной
установки ударно-центробежной мельницы 37
Описание методики проведения экспериментальных работ и
анализ полученных результатов исследований . .. 42
1. Методика проведения экспериментальных работ 42
2. Обработка и анализ результатов исследований 44
Расчет ударно-центробежной мельницы .. 50
1. Расчет мощности привода мельницы 50
2. Определение диаметра приводного вала 53
Список использованных источников 57
Энергоемкость является основным из показателей любого технологического процесса. Одним из наиболее энергоемких является процесс измельчения материалов и особенно тонкого то есть помола. Мощность привода барабанной шаровой мельницы в ряде производств в настоящее время достигает 15 тысяч киловатт а расход электроэнергии на измельчение составляет около 10% её мирового производства. Такой расход энергии обусловлен не только большими объёмами материала подвергаемого измельчению но и низкой эффективностью машин применяемых для этих целей. Например барабанные шаровые мельницы которые с незначительными усовершенствованиями эксплуатируются в производстве более ста лет и на сегодня продолжают оставаться основным мельничным агрегатом в большинстве производств имеют КПД около 1% а остальные 99% энергии в конечном итоге безвозвратно теряются в виде тепла в окружающую среду. В тоже время несмотря на то что ежегодно патентуется большое количество новых конструкций мельниц более простой и надежной в эксплуатации особенно в крупнотоннажном производстве мельницы чем барабанная на сегодня не существует чем и объясняется её долгожительство.
Исследованиями и широкомасштабными внедрениями последних лет доказано что для среднего и мелкого дробления а также для грубого и среднего помола весьма эффективными оказались ударно-центробежные измельчители метательного типа. Принцип измельчения в таких конструкциях весьма прост и заключается в том что в центр вращающегося ротора подается исходный материал где он за счет центробежной силы инерции направляется в разгонные каналы и на выходе из них с высокой скоростью ударяется об отражательную стенку где и происходит измельчение. Высокие скорости на выходе из каналов позволяют кускам материала двигаться поштучно и удар их о стенку получается не стесненный а свободный. Это позволяет достигать высокой степени измельчения всех кусков с получением продукта более равномерного состава что является очень ценным в некоторых производствах например в комбикормовой промышленности. В таких конструкциях ударно – центробежных мельниц продукты легко удаляются из зоны измельчения а в некоторых осуществляется его классификация с возвратом крупной фракции на повторное доизмельчение. В ряде докладов отмечаются и другие
достоинства таких конструкций измельчителей а именно:
параметры работы измельчителей поддаются точному регулированию путем изменения скорости вращения ротора причем стабильный грансостав продукта обеспечивается даже при значительном износе рабочих органов;
дробление и помол материалов можно осуществлять практически любой крепости и твердости;
материал после дробления имеет форму близкую к кубической что очень важно например при получении щебня идущего для дорожного покрытия и приготовления качественных бетонов;
высокая энергонапряженность в рабочей зоне измельчителей обеспечивает им низкую металлоемкость низкие капитальные и эксплуатационные затраты простоту обслуживания и высокую ремонтоспособность.
Очень важные результаты получены на ряде горно-обогатительных по селективному измельчению минеральных руд. Путем подбора соответствующего режима измельчения достигается селективное разрешение руды при котором минералы имеющие меньшую прочность разрушаются а более прочные остаются целыми. Следовательно полное раскрытие кристаллов извлекаемого из горной породы вещества наступает при большей крупности продуктов измельчения чем измельченного например в барабанной мельнице. При этом при последующем флотационном разделении степень извлечения полезных минералов из более крупного продукта измельчения становится более высокой.
1 Анализ современного состояния теории измельчения.
1.1. Общие сведения.
Под измельчением понимается процесс разрушения твердых тел до размеров заданной крупности путем воздействия внешних сил преодолевающих внутренние силы сцепления элементарных частиц твердого тела.
Ввиду того что процессы измельчения очень широко распространены во многих отраслях промышленности измельчаемые материалы могут быть твердыми мягкими хрупкими вязкими липкими термически неустойчивыми нейтральными химически активными огне- и взрывоопасными вредными и безвредными для окружающих. Однако основными физико–механическими свойствами измельчаемых материалов оказывающими наибольшее влияние на процесс измельчения и на его энергоемкость являются прочность хрупкость и абразивность.
Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению при возникновении внутренних напряжений появляющихся в результате какого- либо нагружения (например при механическом сжатии).
Количественными показателями этого свойства служат так называемые пределы прочности на сжатие (сж) и на растяжение (р) которые определяются экспериментально.
Хрупкость — свойство материала разрушаться при ударной нагрузке без заметных пластических деформаций. Хрупкие материалы имеют незначительную разницу между пределом прочности на сжатие и пределом прочности на растяжение.
Кроме этого следует также отметить что с увеличением хрупкости материала как правило уменьшается энергоемкость и возрастает производительность измельчающих машин.
Абразивность — способность перерабатываемого материала изнашивать рабочие органы машины. Абразивность горных пород особенно важно знать при определении рациональной области использования оборудования применяемого для переработки материалов. По методике разработанной ВНИИстройдормашем абразивность выражают в граммах износа эталонных бил отнесенных к 1 тонне измельченного в роторной дробилке материала 6 7.
Процесс измельчения материалов может осуществляться различными способами. Под способом измельчения понимается вид воздействия разрушающей силы на куски материала с целью их измельчения. На практике широкое применение получили в основном способы механического разрушения материалов. Основными из механических способов измельчения являются следующие:
) Раздавливание. При раздавливании кусок материала зажимается между двумя поверхностями и раздавливается при сравнительно медленном нарастании внешней нагрузки. Разрушение происходит тогда когда внутренние напряжения в материале превысят его предел прочности на сжатие. В результате такого разрушения получаются частицы различного размера и формы.
) Удар. Удар считается быстропротекающим процессом раздавливания материала под действием динамической нагрузки. Различают разрушение тела стесненным и свободным ударом. При стесненном ударе тело разрушается между двумя рабочими органами измельчителя. Эффект такого разрушения зависит от кинетической энергии ударяющего тела. При свободном ударе разрушение тела наступает в результате столкновения его с рабочим органом измельчителя или другим телом в полете. Эффект такого разрушения определяется скоростью их столкновения независимо от того движется разрушающее тело или рабочий орган измельчителя.
) Раскалывание. Раскалывание куска материала на части происходит в местах концентрации наибольших напряжений под действием сосредоточенной нагрузки передаваемой клиновидными рабочими элементами дробильно-помольной машины. Образующиеся при этом частицы более однородны по размерам и форме хотя форма как и при раздавливании непостоянна. Способ раскалывания по сравнению с раздавливанием позволяет регулировать крупность получаемых частиц.
) Излом. В процессе излома материал разрушается под действием изгибающих сил. Размеры и форма частиц получаемых при изломе примерно такие же как и при раскалывании.
) Истирание. Истирание применяется для получения мелкого порошкообразного продукта путем воздействия сжимающих растягивающих и срезающих сил. Это достигается за счет трения материала между движущимися поверхностями или мелющими телами а также при трении кусков материала друг о друга 8 9.
За последние 30 лет в области измельчения кроме механических был разработан целый ряд новых способов измельчения. Сюда относятся: электрогидравлический ультразвуковой гравитационный способ измельчения световым лучом полученным при помощи квантового генератора кавитационный а также способ измельчения быстро сменяющимися высокими и низкими температурами. Все эти способы пока находятся в стадии исследований и не получили широкого промышленного применения.
Основными технико-экономическими показателями работы дробильно-помольных машин являются степень измельчения и удельный расход энергии на измельчение единицы объема (массы) готовой продукции 8 10.
Степень измельчения представляет собой отношение размеров кусков (зерен) исходного продукта к размеру кусков (зерен) конечного продукта и показывает во сколько раз уменьшился размер куска (зерна) материала при его измельчении.
В настоящее время общепринято условно разделять процесс измельчения на дробление и помол а измельчающие машины соответственно на дробилки и мельницы. Кроме этого в зависимости от размера кусков исходного сырья и конечного продукта измельчение условно делят на несколько классов 11 (табл. 1.1.)
Размер кусков до измельчения мм
Размер кусков после измельчения мм
В настоящее время для дробления кусковых материалов в промышленности в основном применяются щековые конусные валковые роторные молотковые дробилки. Устройство и принцип работы этих дробилок подробно изложены в работах 8 9 12 – 16. Согласно вышеприведенным литературным источникам удельный расход электроэнергии на измельчение материалов в щековых конусных валковых роторных и молотковых дробилках незначительно отличается а их КПД довольно высокий и составляет 25 ÷ 60 %. Однако исследования по совершенствованию конструкций дробилок с целью снижения энергозатрат на измельчение материалов продолжаются и по сей день. Ярким тому примером является создание новых конструкций виброщековых вибророликовых конусных инерционных дробилок и т. д. 17.
1.2. Особенности механизма измельчения твердых тел ударом.
Механизм измельчения твердых частиц материала ударом имеет свои особенности. По сравнению с другими способами измельчения материалов измельчение ударом характеризуется большой скоростью удара и кратковременностью процесса. При измельчении ударом напряжения создаются силами инерции которые возникают при столкновении частицы материала с отбойной (ударной) плитой или другой частицей.
Так как запас энергии измельчаемой частицы зависит только от скорости то для достижения интенсивного измельчения следует выбирать скорость возможно более высокой. Больший запас энергии ведет к образованию большей поверхности разрушения и тем самым получается большее количество мелкого продукта.
Как отмечалось ранее у большинства частиц горных пород подвергаемых измельчению ударом имеется достаточно много внутренних и поверхностных дефектов а также микротрещин которые в поле напряжения создаваемом в теле могут быть источником образования излома (или разрушения) частицы.
У хрупких материалов (кварц стекло) при достаточно высокой скорости удара (V>200 мс) наблюдается спонтанное разрушение частицы. Несмотря на кратковременность процесса измельчения ударом отдельные его фазы имеют явно выраженную очередность и представляют большой научный интерес для теории удара. Продолжительность процесса разрушения является функцией от размера частицы 18.
Некоторые представления о характере измельчения частицы ударом дает упрощенная модель разрушения шарика (рис. 1.1) предложенная И.Примером 19 которая подтверждается экспериментальными исследованиями Е. Рейнерса и Г. Щлауга 20. В экспериментах ими были использованы специально изготовленные стеклянные шарики с минимальными внутренними и наружными дефектами и остаточными напряжениями.
И. Пример разделил поперечное сечение шарика на зоны в зависимости от дисперсности получаемых при разрушении осколков (см. рис. 1.1):
Нижний конус тонкоизмельченного материала образовавшийся в зоне контактирования.
Остаточный конус который в основном не разрушается.
Зона боковых осколков.
Относительный объем указанных зон в наибольшей степени зависит от скорости удара. Высокоскоростные фотосъемки процесса измельчения полученные Е. Рейнерсом при нормальном ударе (α = 90°) стеклянных шариков со скоростью до 800 мс о твердую ударную плиту подтверждают правдоподобность модели И. Примера и свидетельствуют о двух интересных фактах:
Схема разрушения частиц при ударе по Рейнерсу – Примеру
— зона нижнего конуса (тонкоизмельченный материал); 2 — зона остаточного конуса; 3 — зона боковых осколков.
стеклянный шарик в течение всего процесса удара сохраняет свою форму;
осколки стеклянного шарика в первой стадии процесса не отскакивают от ударной плиты в произвольном направлении а разлетаются от центра удара в радиальных направлениях по ударной плите.
В процессе измельчения сферической частицы ударом об отбойную плиту наблюдается три фазы 21:
) Измельчение под действием упругих волн. При столкновении частицы с ударной плитой из центра удара по частице распространяются упругие волны скорость которых равняется скорости звука в данном материале (теория упругой волны Герца).
Деформация частицы происходит в результате упругой волны которая проходит через частицу отражается от ее наружной поверхности обратно затем снова проходит через частицу и т.д.
При достаточном запасе энергии и амплитуды волн за упругими волнами последует фронт разрушения со скоростью до 038 от скорости продольной волны. Первичные трещины и изломы берут начало от центра удара. В работах Г. Шлауга и Б. Рейнерса 20 приведены кинограммы на которых видно что фронт упругой волны движется впереди фронта разрушения.
Вторичные трещины и изломы не исходят из центра удара а образуются при отражении упругой волны и волны разрушения при торможении и отражении волн от зон структурной негомогенности локальных препятствий и т. п.
Роль упругих волн в процессе измельчения возрастает с увеличением скорости удара. Так например при скорости V>400 мс упругая волна измельчает стеклянный шарик диаметром 15 ÷ 20 мм так что последующее измельчение едва ли возможно из-за небольшого размера частиц и незначительного влияния дефектов структуры.
) Измельчение частиц на ударной плите под действием сжимающих нагрузок. Е. Рейнерс и Г. Шлауг 20 установили что в широком диапазоне скоростей удара в процессе измельчения частицы участвуют кроме упругих волн и сжимающие силы (нагрузки) возникающие при контактировании частицы с ударной плитой.
Экспериментально установлено что при ударе частицы об острие когда доведено до минимума действие сжимающих сил средний размер частиц продукта значительно меньше чем при соударении с плоской плитой.
Соответствующие расчеты показывают что в диапазоне скоростей 214 ÷ 378 мс давление на ударной плите значительно выше технологической прочности стекла (800 МПа). Можно полагать что местные давления окажутся еще выше т.к. контактная поверхность частицы не является гладкой.
Как показывают результаты экспериментов часть пылевидной фракции из конуса тонкого материала плотно прижатой к поверхности ударной плиты может под действием высоких сжимающих нагрузок агломерироваться 21.
Измельчение в облаке частиц разлетающихся в радиальном направлении. Результаты анализа высокоскоростных снимков процесса удара стеклянного шарика 20 показывают что тонкоизмельченная пыль конуса тонкой фракции вытесняется из центра удара в радиальном направлении со скоростью (Vr мс) достигающей четырехкратной скорости удара (V мс) (рис. 1.2). Е. Рейнерс считает что содержание твердой фазы в видимом на кинограмме облаке составляет около 4 % по объему. При такой плотности материала в облаке резкие различия в скоростях отдельных частиц приводят к их частым столкновениям.
Как видно из приведенных кинограмм (см. рис. 1.2) существуют реальные возможности для взаимных столкновений частиц поскольку размеры зоны измельчения существенно больше их диаметра. Подводя итог всему вышесказанному можно отметить что механизм ударного разрушения твердых частиц того или иного материала представляет собой сложный процесс состоящий из различных протекающих одновременно явлений. При механическом воздействии образование и развитие трещин в телах сопровождается тепловыми химическими электрическими явлениями и структурным преобразованием материала.
Оценить многообразие явлений имеющих место непосредственно в ходе процесса измельчения твердых частиц ударом представляет собой весьма сложную а подчас и невыполнимую задачу.
Схема разрушения (измельчения) стеклянного шарика при соударении о твердую преграду (V = 378 мс; α = 90°; d = 15 мм; по данным Е. Рейнерса).
2. Анализ современного состояния техники измельчения.
2.1. Критический анализ современных измельчающих машин
В настоящее время известно большое количество различных конструкций машин для измельчения материалов. Конструктивные особенности этих агрегатов определяются непосредственно тем или иным способом измельчения. В свою очередь способ измельчения выбирается в зависимости от физико-механических свойств измельчаемого материала и от крупности частиц готового продукта.
Все применяемые машины для измельчения материалов условно подразделяются на две группы: дробилки и мельницы. В большинстве литературных источников конструкции дробилок и мельниц принято рассматривать отдельно по конструктивным признакам по принципу действия по технологическому назначению и т. д. Так П.М.Сиденко 11 предлагает все конструкции измельчителей разделить на следующие основные группы:
)раскалывающего и разламывающего действия
)раздавливающего действия;
)истирающе-раздавливающего действия;
)ударно-истирающего действия.
В основу этой классификации положен основной способ измельчения с помощью которого осуществляется разрушение материала в том или ином измельчающем агрегате. С этой точки зрения указанная классификация измельчителей является наиболее удобной.
Необходимые для разрушения кусков материала усилия развиваются в дробильно-помольных машинах конструкции которых обеспечивают осуществление определенного способа измельчения. В условиях непрерывного процесса вследствие неупорядоченности размещения кусков в рабочем пространстве измельчающей машины наблюдаются все вышеприведенные способы измельчения но всегда главную роль играет тот способ для осуществления которого сконструирована данная машина.
Из соображений конструктивного характера а также вследствие нежелательности переизмельчения в современной практике измельчения
применяются дробильно-помольные машины работающие главным образом посредством раздавливания и удара при дополнительных истирающих и изгибающих воздействиях на измельчаемый материал 8.
По мнению С. Е. Андреева 7 и Е. Е. Серго 6 крупное среднее и мелкое дробление твердых (прочных) и хрупких материалов целесообразно производить раздавливанием а твердых и вязких материалов – раздавливанием с участием истирания. Крупное дробление мягких и хрупких материалов целесообразно выполнять раскалыванием и изломом а среднее и мелкое – ударом. Все полезные ископаемые измельчаются ударом с участием истирания.
Несмотря на существующее многообразие способов измельчения материалов многие исследователи второй половины нынешнего столетия отдают предпочтение именно ударному измельчению как наиболее эффективному способу разрушения основных твердых материалов.
Так например Е.М.Гутьяр 22 доказывает что при динамическом нагружении материалов возникающие напряжения вдвое больше чем при статическом. В. Краус 23 на основании исследований по ударному разрушению стеклянных шаров утверждает что средняя работа измельчения ударом составляет приблизительно 42% от работы измельчения раздавливанием. Это объясняется тем что при ударе сила сжатия возникает в определенном сечении так быстро что трещина образуется до того как в частице материала устанавливается равновесное распределение энергии результатом чего является уменьшение количества энергии необходимое для осуществления разрыва.
На предпочтительность ударного измельчения обращает внимание и Гийо Роже 24 который считает что эффективность измельчения зависит при всех прочих равных условиях от продолжительности приложения внешней силы и температуры тела.
На основании всего вышесказанного можно сделать вывод о том что в настоящее время очень перспективным в области измельчения является использование ударного способа разрушения материалов в виду его высокой эффективности и низкой энергоемкости. На практике данный способ разрушения материалов реализуется в различных конструкциях измельчителей ударного действия.
Однако по каким бы признакам мы ни рассматривали конструкции измельчающих машин все они имеют существенные недостатки. Поэтому поиск новых более совершенных конструкций измельчителей продолжается по следующим направлениям:
а) снижение расхода энергии и металла на единицу измельчаемого материала;
б) снижение громоздкости измельчителей и повышение их коэффициента полезного действия;
в) создание измельчающих машин для тонкого помола материалов с размером частиц готового продукта в несколько микрон или долей микрона т. к. потребность в тонко измельченных материалах в последнее время все более возрастает;
г) создание измельчающих машин обеспечивающих высокую чистоту продуктов измельчения.
Как уже отмечалось в предыдущем разделе главным недостатком процесса помола является его высокая энергоемкость хотя непосредственно на измельчение материала затрачивается незначительная часть энергии потребляемой машиной. Основная часть ее теряется в виде тепла звука а также на изнашивание рабочих органов машины и т.д.
Так как ежегодно во всем мире тонкому измельчению подвергаются сотни миллионов тонн различных материалов то становится экономически очевидной необходимость совершенствования этого процесса и машин для его осуществления.
В современном крупнотоннажном производстве для помола в основном используются барабанные мельницы которые с определенной натяжкой можно отнести к измельчителям ударного действия. Однако очень низкий КПД этих мельниц заставляет исследователей работать над их усовершенствованием а также разрабатывать и применять мельницы других конструкций. Все большее применение в процессах тонкого измельчения начинают находить такие мельницы как среднеходовые ударные роторно-вихревые и многие другие.
Классическая барабанная мельница представляет собой пустотелый барабан закрытый торцовыми крышками в центре которых имеются полые или литые цапфы. Цапфы опираются на подшипники и барабан вращается вокруг горизонтальной оси. Барабан заполняется примерно на 30 % объема дробящими телами (шары стержни цильпебсы). При вращении барабана дробящие тела благодаря трению и центробежной силе увлекаются его внутренней поверхностью поднимаются на некоторую высоту и свободно падают или перекатываются вниз. Материал подаваемый в барабан на измельчение подвергается воздействию дробящих тел измельчается ударом истиранием и раздавливанием.
По принципу действия барабанные мельницы подразделяются на периодические и непрерывные а по способу измельчения – сухого и мокрого помола.
Мокрый помол применяется в тех случаях когда измельченный материал в дальнейшем подвергается обработке в виде суспензий например при обогащении полезных ископаемых методом флотации или при извлечении определенных химических компонентов химических путем.
Преимущества мокрого помола перед сухим следующие:
)меньшее потребление энергии в расчете на одну тонну материала;
)выше (приблизительно на 15 %) производительность мельницы отсутствие пылеобразных и соответственно аспирационных систем вентиляции и очистки воздуха;
)облегчение транспортировки и распределения материала; можно использовать гидротранспорт;
)мокрая классификация более эффективна по сравнению с воздушной классификацией.
Однако если после измельчения материала дальнейшая технология требует использовать его в сухом виде то сухое измельчение оказывается экономически более целесообразным из-за большого расхода тепла на сушку.
Анализируя конструктивные особенности и принцип работы барабанных мельниц легко заметить что они просты по устройству принципу действия и надежны в эксплуатации. Поэтому в настоящее время они нашли широкое применение в крупнотоннажных производствах. Однако эти мельницы обладают существенным недостатком заключающемся в том что по мере повышения тонины помола снижается их производительность и повышается удельный расход электроэнергии. Расчеты показывают что при тонком измельчении материала в барабанных мельницах на образование новых поверхностей расходуется менее одного процента подводимой энергии. Такое нежелательное явление объясняется тем что при помоле часть частиц достигнув требуемого размера не выводится из мельницы а оставаясь в общей массе материала воспринимает на себя часть ударов мелющих тел гасит их и сама переизмельчается. Кроме того при достижении очень мелких размеров частицы начинают взаимодействовать друг с другом и коагулироваться. На разрушение коагуляционных структур также затрачивается значительная доля энергии.
Значительно улучшить процесс измельчения различных материалов в барабанной мельнице а также снизить энергозатраты на единицу размолотого продукта можно следующим образом:
)путем разбивки полого барабана мельницы на несколько камер за счет установки решетчатых перегородок и применения измельчающих тел различного размера и массы (крупные измельчающие тела загружаются ближе к входу в первую камеру мельницы а мелкие тела – в последнюю камеру ближе к выходу из мельницы);
)путем перевода барабанной мельницы с открытого цикла работы на замкнутый с использованием сепаратора и последующей продувки камеры мельницы воздухом (рис. 1.3). При этом по данным С.Е.Андреева 7 производительность мельницы в сравнение с открытым циклом возрастет на 20% при одновременном снижении энергозатрат на 15 ÷ 25 %. Кроме этого будет иметь место также снижение расхода мелющих тел и возрастет срок службы футеровки.
Схемы работы барабанной мельницы
а — по открытому циклу; б — по замкнутому циклу; 1 — барабан мельницы; 2 — элеватор; 3 — сепаратор.
Для организации непрерывного и высокоэффективного удаления готового продукта из зоны помола в барабанной мельнице может быть предложен следующий вариант реконструкции данного измельчителя (рис. 1.4.).
Весь барабан мельницы по длине разделен решетчатыми перегородками на большое количество камер с расстоянием между камерами например 1 ÷ 2 метра. Между камерами устанавливается не одна решетчатая перегородка а две с расстоянием между перегородками 025 ÷ 04 м. В пространстве между перегородками на стенке барабана закреплены лопасти аналогично как в барабанной сушилке.
Схема реконструкции барабанной мельницы
— барабан; 2 — торцовые крышки; 3 — цапфы; 4 — решетчатые перегородки; 5 — лопасти.
В этом случае материал измельчается в камере проходит через первую решетчатую перегородку и попадая на лопасти поднимается вверх и сверху просыпается вниз. Так как лопастей много то падающими частицами буде перекрываться практически все поперечное сечение мельницы. Воздух двигаясь в продольном направлении будет пронизывать падающий поток частиц охлаждать их и в зависимости от скорости будет подхватывать частицы определенных размеров и уносить с собой. Такой процесс сепарирования будет наблюдаться после каждой камеры. Скорость воздуха должна быть такой чтобы частица граничного размера подхваченная воздушным потоком прежде чем осесть смогла пролететь всю длину камеры. Для промышленных мельниц применяемых при помола цемента скорость воздуха в свободной полости барабана должна быть в пределах 07 ÷ 14 мс.
Таким образом с помощью такого несложного усовершенствования барабанной мельницы будет осуществляться непрерывное удаление измельченных частиц заданного диаметра интенсифицируется процесс охлаждения частиц материала а также процесс адсорбции влаги на их поверхности что значительно повышает производительность мельницы при одновременном снижении энергозатрат.
В настоящее время для получения тонкоизмельченного порошкообразного материала в странах СНГ и за рубежом выпускают большое количество различных типов мельниц ударного действия. Так например в ОСТ 26-01-515-79 «Измельчители с диапазоном измельчения 500 ÷ 05 мкм. Типы и основные параметры» предусмотрены следующие измельчители – мельницы ударного действия: пальцевые с одним вращающимся диском пальцевые с двумя вращающимися дисками струйные с трубчатой и плоской камерами вихревые и молотковые вертикальные. За рубежом помимо перечисленных типов выпускаются центробежно-ударные молотковые горизонтальные различные мельницы универсального и специального назначения. В ряде случаев нет четкого разграничения типов мельниц и условно можно говорить о мельницах комбинированного действия 21.
В мельницах ударного действия измельчение материала происходит под действием ударных нагрузок. При этом разрушение куска материала в зависимости от конструкции и принципа действия машины может быть преимущественно результатом его соударения с твердой неподвижной поверхностью взаимного соударения двух или более частиц или соударения с движущимся рабочим элементом. При этом кинетическая энергия относительного движения в первый период соударения практически полностью превращается в работу деформации а возникающее напряжение зависит от скорости удара и радиуса кривизны в месте удара. В настоящее время для тонкого помола материалов применяются скорости удара от 50 до 180 мс. Учитывая сложность траектории движения куска измельчаемого материала и его частиц в измельчителе можно считать что в процессе диспергирования материала имеют место все вышеуказанные виды взаимодействия. Естественно что один из видов разрушения предопределяемый конструкцией измельчителя может быть превалирующим.
Классическими измельчителями ударного действия являются молотковые и роторные мельницы-дробилки с горизонтальным валом. Основным рабочим органом этих измельчителей является вращающийся ротор с закрепленными на нем неподвижно или шарнирно билами или молотками (соответственно роторные или молотковые мельницы). Окружная скорость вращения ротора достигаег 50 ÷ 100 мс. В роторных и молотковых мельницах-дробилках куски исходного материала измельчаются вследствие удара по ним бил или молотков ротора а также при последующем ударе образующихся осколков о броню мельницы и друг о друга.
При измельчении материала в роторных или молотковых мельницах образующиеся частицы размолотого продукта отличаются широким диапазоном дисперсного состава. С целью организации отвода из мельницы в виде готового продукта тонко помолотой фракции материала и возврата крупных частиц на домол мельницы ударного действия в большинстве случаев работают в комплексе с различными конструкциями сепараторов. Более подробное описание конструктивных особенностей и принципа действия роторных и молотковых мельниц-дробилок изложено в работах 8 9 12 ÷ 16.
Широкое применение в промышленности мельниц ударного действия объясняется наличием ряда существенных преимуществ данных измельчителей по сравнению с дробильно–помольными машинами других типов (щековыми валковыми конусными дробилками барабанными среднеходными мельницами и некоторыми другими):
)высокая энергонапряженность в зоне измельчения что обеспечивает высокую степень помола;
)стабильность гранулометрического состава готового продукта который практически не зависит от износа рабочих органов машины и влажности перерабатываемого материала;
)простое и эффективное воздействие на гранулометрический состав готового продукта путем изменения скорости вращения ротора измельчителя;
)низкая энергоемкость и металлоемкость;
)высокая производительность и степень измельчения;
)низкий уровень капитальных затрат;
)простой контроль износа рабочих органов машины и низкая трудоемкость ее технического обслуживания;
)возможность дополнительного измельчения при соударении частиц материала;
)возможность избирательного измельчения;
)простота конструкции и возможность получения продукта желаемой формы (например кубикообразной).
Стоимость измельчителей ударного действия в 15 ÷ 55 раза ниже стоимости валковых и щековых той же производительности. При одинаковой производительности этих измельчителей масса ударных машин в 4 ÷ 5 раза меньше и в 15 ÷ 2 раза меньше их установленная мощность. К. Г. Пугин в своей диссертационной работе 25 показывает что для ударных мельниц расход электроэнергии на единицу измельченного материала может быть в 14 ÷ 20 раза меньше чем в среднеходных мельницах и в 45 ÷ 5 раз меньше по сравнению с барабанными мельницами.
Несмотря на широкое применение ударных измельчителей в различных отраслях промышленности (например производство стройматериалов в горнорудной химической и других отраслях) по мнению некоторых исследователей например И. Р. Клейса и X.X.Ууэмыйса 21 не вполне ясен вопрос о рациональности их использования для измельчения высокоабразивных горных пород вследствие значительного повышения интенсивности изнашивания рабочих органов. В связи с этим измельчители данного типа рекомендуется применять для обработки материалов твердость которых не превышает 3 ÷ 4 по шкале Мооса.
Основным недостатком всех без исключения дробильно-помольных машин ударного действия при обработке прочных и твердых материалов является относительно низкий ресурс их рабочих органов (бил молотков лопастей и т. п.) что требует их частой замены или полного восстановления и повышает тем самым эксплуатационные расходы.
Так как роторные и молотковые мельницы в большинстве случаев работают в комплексе с различными конструкциями воздушных сепараторов то эффективность их работы в значительной степени зависит от качества разделения частиц измельченного материала в этих сепараторах. В то же время многие авторы на основании экспериментальных исследований современных промышленных воздушных сепараторов 26 27 отмечают что данные классификаторы обладают низкой эффективностью разделения и около 40 ÷ 70 % готового тонкоизмельченного материала снова возвращается на помол в рабочую камеру мельницы. Некоторые направления и пути дальнейшего усовершенствования конструкций воздушных сепараторов подробно изложены в работах 27.
Еще одним существенным недостатком роторных и молотковых мельниц кроме выше перечисленных является также и то обстоятельство что в них менее половины от всей энергии затрачиваемой на измельчение материала расходуется именно на измельчение ударом а большая часть – на измельчение истиранием. Данное обстоятельство обусловлено тем что в применяемых в промышленности роторных и молотковых мельницах классификация размолотого материала осуществляется в большинстве случаев при помощи сита расположенного в нижней части измельчителя. Это в свою очередь приводит к тому что измельчаемый материал в процессе классификации под действием ударных нагрузок со стороны бил или молотков ротора вращается внутри помольной камеры мельницы по кольцу вдоль поверхности сита и измельчается за счет истирания.
Согласно исследованиям В. И. Сыроватко 28 в роторных и молотковых мельницах крупные частицы измельченного материала располагаются ближе к просеивающей поверхности а мелкие частицы – дальше. Таким образом доступ тонкоизмельченных частиц материала к отверстиям сита затруднен и они как следствие переизмельчаются. Это в свою очередь способствует увеличению энергоемкости процесса измельчения различных материалов (особенно с высокими прочностными характеристиками) в мельницах данного типа.
Более эффективными и менее энергоемкими помольными агрегатами ударного действия по сравнению с рассмотренными выше являются так называемые центробежно-ударные мельницы 21.
Основным элементом центробежно-ударных мельниц является ротор расположенный на вертикальном валу и вращающийся с окружной скоростью до 180 мс. Ротор снабжен разгонными элементами (ребра лопасти каналы и т. п.). Материал подлежащий измельчению подается в центральную часть ротора (через верх) ускоряется разгонными элементами и с высокой скоростью выбрасывается на отражательные поверхности расположенные на периферии помольной камеры где и разрушается в результате удара. Основное отличие центробежно-ударных мельниц от других агрегатов ударного действия состоит в том что акт измельчения у них практически полностью перемещен с вращающегося рабочего органа (как например в роторных или молотковых мельницах – дробилках) на периферическую отражательную поверхность. Ротор при этом выполняет только разгонную функцию и в общем случае это призвано обеспечить значительное снижение его износа в процессе работы. В зависимости от того что представляет собой отражательная поверхность (жесткую преграду – бронь или слой измельчаемого материала) различают мельницы типа «камень о металл» и «камень о камень» т. е. с самоизмельчением. Практически траектории движения частиц материла в рабочей камере ударно-центробежной мельницы могут быть весьма разнообразны при этом имеют место все вышеупомянутые механизмы разрушения но разрушение ударом о преграду или о слой материала – «обращенный» удар – превалирует.
О перспективности применения высокоскоростных центробежно-ударных измельчителей в цементной промышленности говорят исследования проведенные В. В. Колобовой 29 с целью определения влияния вида и скорости диспергирования (измельчения) на технологические свойства порошка цементного клинкера.
Результаты полученные В. В. Колобовой при разрушении единичного зерна были проверены ею же при селективном измельчении материалов в машинах различной конструкции в которых реализуется тот или иной способ разрушения. Исследовались три конструкции мельниц: шаровая вибрационная и центробежно-ударная типа «камень о металл».
Наибольшую прочность при одинаковой удельной поверхности имели образцы изготовленные из измельченного в центробежно-ударной мельнице цементного клинкера. Это в свою очередь свидетельствует о более высокой активности порошка полученного в высокоскоростном измельчителе. Необходимо также отметить что в этом плане вибрационная мельница имеет преимущество перед шаровой. Следовательно увеличение скорости измельчения материалов приводит к росту количества энергии накопленной в тонкодисперсном порошке.
На основании всего вышесказанного В. В. Колобова делает вывод о том что способ разрушения и вид измельчителя оказывают большое влияние на технологические свойства порошка цементного клинкера. И в этом плане наиболее перспективными в настоящее время являются высокоскоростные центробежно-ударные мельницы.
В дополнении к исследованиям В. В. Колобовой следует также отметить и тот факт что на 7-ом Международном конгрессе по измельчению который состоялся в Париже в 1980 году было вынесено постановление о перспективности применения в производстве стройматериалов центробежно-ударных мельниц и о целесообразности их дальнейшего развития. В частности в этом постановлении отмечалось что новое поколение машин для измельчения материалов будет основано на валковых мельницах а последующее – на центробежно-ударных. По нашему мнению данное обстоятельство объясняет все возрастающий интерес в настоящее время к измельчителям ударного действия во многих отраслях промышленности.
2.2. Обзор типовых конструкций вихревых мельниц для тонкого
Анализ современного состояния теории измельчения основных способов разрушения материалов и современных измельчителей ударного действия показывает что наиболее эффективным в плане энергозатрат способом измельчения твердых материалов является высокоскоростной центральный удар который на практике реализуется в мельницах центробежно–ударного действия. Значительное снижение энергозатрат на помол того или иного материала в центробежно–ударных мельницах может быть достигнуто за счет применения в данных измельчителях процесса непрерывный классификации (удаления) тонкодисперсной фракции помолотого материала из зоны измельчения.
В настоящее время на кафедре «Машины и аппараты химических и силикатных производств» Белорусского государственного технологического университета разработано около десятка новых конструкций вихревых мельниц где в результате комбинирования процессов высокоскоростного ударного измельчения и непрерывной классификации тонко помолотого материала в конечном итоге достигается высокое качество помола готового продукта при минимальных энергозатратах.
Одна из таких конструкций вихревой мельницы с непрерывной проточной классификацией готового продукта схематично представлена на рис. 1.5.
Данная вихревая мельница состоит из цилиндрического корпуса 1 нижняя часть которого жестко соединена посредством болтов с приемным бункером 2. К нижней плите 3 корпуса 1 с помощью болтов крепится электродвигатель 4 вертикальный вал которого проходит внутри рабочей камеры мельницы. Внутри корпуса 1 на валу электродвигателя 4 с помощью ступицы установлен ротор состоящий из диска 5 и радиальных рабочих лопастей 6. Конструкция ротора — сварная. Сверху к корпусу 1 приварен фланец 13 к которому при помощи болтов крепится крышка 7 с питательным патрубком 8. Внутри корпуса 1 вдоль цилиндрической обечайки по окружности жестко закреплены отражательные стержни 9 изготовленные из износостойкой стали. В зависимости от требуемой тонины помола стержни 9 устанавливаются друг относительно друга с определенным зазором = (1 ÷ 5)·10-3 м что подразумевает под собой наличие необходимого количества наборов стержней 9 с различными размерами выступов. К наружной поверхности плиты 3 снизу приварена внутренняя цилиндрическая обечайка 12 жестко соединенная посредством болтов с приемным бункером 2.
Вихревая мельница с непрерывной проточной классификацией
– корпус; 2 – приемный бункер; 3 – нижняя плита; 4 – электродвигатель; 5 – диск; 6 – лопасти; 7 – крышка; 8 – питательный патрубок; 9 – отражательные стержни; 10 – патрубок удаления воздуха; 11 – патрубок выгрузки готового продукта; 12 – внутренняя цилиндрическая обечайка; 13 – фланец ; – ширина зазора между отражательными стержнями 9 мельницы м.
Таким образом цилиндрическая обечайка корпуса 1 и внутренняя обечайка 12 образуют кольцевой канал по которому осуществляется выгрузка из рабочей камеры мельницы в приемный бункер 2 тонкоизмельченного материала. Бункер 2 имеет коническую форму и заканчивается внизу патрубком 11 с затвором для выгрузки готового продукта. Для удаления воздуха из премного бункера 2 в верхней его части имеется специальный патрубок 10 к которому подсоединяется фильтр.
При работе мельницы электродвигатель 4 приводит во вращение роторный диск 5 с окружной скоростью по концам лопастей 6 не менее 50мс. Подлежащий измельчению материал через питательный патрубок 8 равномерно подается в центральную часть мельницы на роторный диск 5. За счет центробежной силы материал отбрасывается на периферию. Частицы материала равномерно очень тонким слоем распределяются по лопастям 6 и срываясь с них соударяются с отражательными стержнями 9. Когда передняя часть частицы резко останавливается отбойной поверхностью отражательного стержня 9 силы инерции развивают внутри частицы значительные напряжения которые превышают механическое сопротивление и ее передняя часть превращается в тонкодисперсный размолотый продукт. После этого от точки контакта вдоль поверхностей наименьшего сопротивления немедленно начинают образовываться трещины которые распространяются к задней части частицы и приводят к ее полному разрушению.
В процессе измельчения мельница одновременно работает и как вентилятор. В рабочую камеру воздух поступает за счет вращения ротора через питательный патрубок 8. Крупные частицы материала после удара об отражательные стержни 9 отскакивают назад и попадают под удар вращающихся лопастей 6 или частиц материала сходящих с ротора что в свою очередь приводит к их полному разрушению. Более мелкие же частицы подхватываются воздушным потоком и начинают вращаться внутри рабочей камеры вдоль стержней 9 многократно ударяясь об них.
Таким образом в данной конструкции вихревой мельницы процесс измельчения осуществляется как при ударе рабочих лопастей 6 о частицы материала так и при ударе частиц об отражательные стержни 9 или же в результате соударения частиц материала между собой. За счет центробежной силы у поверхности стержней 9 создается зона повышенного давления воздуха. Это способствует тому что воздух вместе с частицами тонкодисперсного материала беспрепятственно проходит через щели между стержнями 9 в кольцевой канал и далее двигаясь вниз поступает в приемный бункер 2. Таким образом в данной конструкции вихревой мельницы осуществляется непрерывный отвод тонкодисперсного материала из зоны помола. После этого измельченный материал осаждается в бункере 2 а запыленный воздушный поток через патрубок 10 поступает в фильтр на очистку.
Ввиду того что тангенциальная скорость воздуха и измельченных частиц материала внутри рабочей камеры у поверхности отражательных стержней 9 значительно выше чем их радиальная скорость в щелях то естественно что радиальный поток воздуха будет подхватывать только тонкодисперсные частички материала размер которых намного меньше размера самих щелей.
Помимо вихревой мельницы с непрерывной проточной классификацией готового продукта (рис. 1.5) для получения в промышленных условиях высокодисперсного тонко помолотого материала при сравнительно низких энергозатратах также могут быть успешно использованы и вихревые мельницы со встроенным пластинчатым и выносным полочно-каскадными классификаторами.
Конструкция вихревой мельницы со встроенным пластинчатым классификатором схематично представлена на рис. 1.6.
Вихревая мельница со встроенным пластинчатым классификатором
– корпус; 2 – днище; 3 – электродвигатель; 4 – фланец; 5 – крышка; 6 – питательный патрубок; 7 – спиралеобразный разгрузочный патрубок; 8 – отбойные пластины; 9 – отражательные стержни; 10 – диск; 11 – лопасти; α' – угол наклона отбойных пластин 8 к плоскости крышки 5 мельницы.
Эта мельница состоит из цилиндрического корпуса 1 и днища 2 к которому с помощью болтов крепится электродвигатель 3. По центру мельницы на вал электродвигателя 3 насажен рабочий диск 10 с приваренными к нему радиальными лопастями 11. В верхней части корпуса 1 приварен фланец 4 к которому с помощью болтов крепится крышка 5. Материал в мельницу подается через питательный патрубок 6 расположенный по центру крышки 5. На периферии крышки 5 имеется тангенциальный канал к которому сверху приварен спиралеобразный разгрузочный патрубок 7. Снизу под тангенциальным каналом крышки 5 крепятся отбойные пластины 8 выполняющие роль классификатора. В зависимости от требуемой тонины помола пластины 8 устанавливаются наклонно по ходу вращения ротора под различным углом к плоскости крышки 5. Внутри корпуса 1 вплотную к цилиндрической обечайке и друг к другу установлены отражательные стержни 9 изготовленные из износостойкой стали.
При работе мельницы электродвигатель 3 приводит во вращение рабочий диск 10 с окружной скоростью по концам лопастей 11 не менее 50 мс. Подлежащий измельчению материал через питательный патрубок 6 равномерно подается в центральную часть мельницы и попадает на диск 10. Далее радиальные лопасти 11 отбрасывают материал на периферию где он измельчается при ударе об отражательные стержни 9. В процессе измельчения мельница одновременно работает и как вентилятор. Поэтому вместе с материалом в нее через питательный патрубок 6 поступает и воздух. Воздух в мельницу поступает за счет вращения рабочих лопастей 11. Приобретя вращательное движение воздух поднимается вверх вдоль стенки рабочей камеры подхватывая одновременно тонкодисперсные частицы материала. Далее воздух с частицами измельченного материала направляется в спиралеобразный разгрузочный патрубок 7 а из него уже поступает в циклон на разделение. Аэрозольный поток двигаясь в спиралеобразном патрубке 7 проходит через зазоры между отбойными пластинами 8. Так как поток подходит к тангенциальному каналу по восходящей спирали то для того чтобы пройти вверх между пластинами 8 классификатора он должен изменить траекторию своего движения. В этом случае крупные частицы материала двигаясь по инерции ударяются о пластины проточного классификатора и отскакивают вниз т. е. возвращаются на домол а мелкие частицы вместе с газовым потоком уносятся в циклон на разделение. Таким образом в данной конструкции вихревой мельницы осуществляется непрерывный отвод тонкодисперсного материала из зоны измельчения и возврат крупных частиц на домол.
2.3. Обзор типовых конструкций ударно-центробежных мельниц и пути их дальнейшего совершенствования.
Типичной конструкцией ударно-центробежной однороторной мельницы является мельница «Торнадо» выпускаемая фирмой «Верко стил» США (рис. 1.7).
Ударно-центробежная мельница «Торнадо»
— питательная труба; 2 — крышка корпуса; 3 — ротор; 4 — разгонные ребра; 5 — отбойные плиты; 6 — электродвигатель; 7 — клиноременная передача; 8 — распределительный конус.
В мельнице «Торнадо» применен ротор 3 открытого типа выполненный в виде диска с установленными на его периферии радиальными разгонными ребрами 4. В центральной части диска располагается распределительный конус 8. Конструкция ротора – сварная. Цилиндрический корпус мельницы закрыт крышкой 2 на замках обеспечивающих удобный доступ в помольную камеру. Коаксиально разгонному ротору в крышке располагается загрузочный бункер переходящий в питающую трубу 1. Отбойные плиты 5 крепятся непосредственно к внутренней стенке корпуса. Ротор мельницы вводится во вращение при помощи электродвигателя 6 через клиноременную передачу 7. В этой мельнице материал измельчается только за счет удара об отбойные плиты.
В промышленных условиях мельница «Торнадо» чаще всего работает в замкнутом цикле с воздушным сепаратором и ей присущи все те же достоинства и недостатки что и большинству измельчителей ударного действия. Более высокая эффективность помола того или иного материала в данной конструкции ударно-центробежной мельницы достигается за счет высоких по сравнению с роторными или молотковыми измельчителями скоростей ударного взаимодействия частиц материала с отбойной поверхностью.
Существенный прогресс в производстве ударно-центробежных мельниц и резкое расширение сферы их применения в последние десятилетия связаны главным образом с внедрением мельниц «камень о камень». Ярким представителем мельниц этого типа является ударно-центробежная мельница Австрийской фирмы СБМ (рис. 1.8). Эту мельницу отличает широкое использование самофутеровки основных элементов – ротора и отражательной поверхности.
Ударно-центробежная мельница фирмы «СБМ»
а – принципиальная схема работы мельницы; б — горизонтальное сечение ротора мельницы; 1 — вал; 2 — ротор; 3 — автогенная самофутеровка; 4 — клиноременная передача; 5 — питающая труба; 6 — разгрузочный бункер; хордовые разгонные ребра ротора; 8 — уголок.
Мельница СБМ снабжена ротором закрытого типа 2 имеющим верхний и нижний диски цилиндрическую обечайку с окнами для выгрузки материала. Горизонтальное сечение ротора мельницы СБМ представлено на рис. 1.8 б.
Хордовые разгонные ребра 7 ротора мельницы заканчиваются угловыми тупиками 8. В образованном ребром и тупиком кармане образуется слой самофутеровки поверхность которой имеет форму фрагмента логарифмической спирали. Таким образом разгон измельчаемого материала происходит не по металлической поверхности а по слою самофутеровки что существенно снижает износ. В центральной части ротора находится распределительный конус с одноболтовым креплением закрывающий выход главного вала 1 мельницы. Хордовые разгонные ребра располагаются под углом к радиусу и достаточно близко к теоретической линии самофутеровки. Таким образом масса материала образующего самофутеровку сравнительно невелика что ограничивает нагрузки на металлоконструкцию. На концах разгонных ребер расположены монтажные планки к которым на болтах крепятся изнашиваемые пластины содержащие на рабочей кромке вставки из карбида вольфрама. Верхний и нижний диски ротора с внутренней стороны защищены от износа литыми футеровочными пластинами. Наружная поверхность обечайки ротора закалена с целью снижения износа от рикошетирующего материала.
Материал самоизмельчается в основном в помольной камере мельницы куда он поступает через питающую трубу 5. Высокоскоростной поток частиц ускоренный ротором взаимодействует с автогенным слоем самофутеровки 3 отражательной поверхности. Поверхность слоя самофутеровки расположена под углом естественного откоса к горизонту поэтому значительная часть осколков после удара отражается вверх. Перед разгрузкой в бункер 6 готового продукта осколки подвергаются воздействию новых порций материала поступающих из ротора.
Эффективность использования кинетической энергии кусков на их разрушение при ударе в мельницах «камень о камень» ниже чем в аналогичных условиях в мельницах «камень о металл». Часть энергии расходуется на стратификацию частиц самофутерующегося слоя. Большая чем при измельчении о броню часть энергии выделяется в виде тепла. Кроме того удар всегда происходит под острым углом что также снижает эффективность ударного взаимодействия. Кроме этого если в мельницах «камень о металл» разрушение кусков материала связано в основном с действием растягивающих нагрузок при свободном ударе о преграду то в мельницах «камень о камень» имеет место также интенсивное истирание скалывание и как следствие значительно возрастает удельный расход энергии на единицу измельченного продукта.
Данная мельница содержит два спиральных корпуса 1 соединенных между собой тангенциальным каналом 2. При этом оба корпуса 1 размещены в одной плоскости и в каждом корпусе имеется ротор 3 который состоит из вала 4 и диска 5 на котором закреплены разгонные лопасти 6 изогнутые в сторону вращения ротора. На крышке каждого корпуса установлено по одному загрузочному патрубку 7. Па спиральной поверхности обоих корпусов 1 имеется по одному разгрузочному патрубку 8. Оба корпуса мельницы смонтированы на общей плите 9. В тангенциальном канале 2 имеется патрубок 10 выгрузки готового продукта равноудаленный от осей вращения роторов 3.
Мельница работает следующим образом. Измельчаемый материал через загрузочные патрубки 7 одновременно подается на разгонные лопасти 6 обоих роторов 3. Ввиду того что загрузочные патрубки 7 смещены относительно осей вращения роторов 3 измельчаемый материал в каждый промежуток времени подается только на одну из разгонных лопаток 6. Частицы попавшие на разгонные лопатки. изогнутые в сторону вращения ротора накапливаются на них за счет неизбежных сил и сил трения. Процесс накопления протекает до тех пор пока измельчаемый материал не заполнит изгибы разгонных лопаток.
Следующие частицы начинают скользить по накопившемуся материалу и отбрасываться с обоих роторов. В зависимости от размера и свойств измельчаемого материала загрузочные патрубки 7 смещаются относительно оси вращения ротора 3 и тангенциального канала 2 так чтобы частицы мельче готового продукта отбрасывались в зону разгрузочного патрубка 8 а грубая фракция – непосредственно в тангенциальный канал 2 где частицы с обоих роторов разрушаются при совместном соударении друг с другом. Готовый продукт через патрубок 10 направляется в бункер – накопитель.
Высокая тонина помола (100% менее 10 мкм) достигается за счет того что измельчаемый материал разрушается при взаимном соударении частиц друг с другом в тангенциальном канале при скоростях нагружения частиц равных сумме скоростей частиц каждого ротора. Скорость нагружения частиц при этом достигает 300 ÷ 400 мс.
Кроме того высокая тонина помола достигается и тем что тонкие фракции в силу меньшей инерционности выводятся через разгрузочный патрубок 8 и они не мешают тем самым процессу помола грубых фракций в тангенциальном канале.
Анализируя современные конструкции ударно-центробежных мельниц можно отметить что в большинстве случаев им присущи все те же достоинства и недостатки что и классическим измельчителям ударного действия. Поэтому разработка и исследование новых конструкций ударно-центробежных измельчителей не прекращается и по сей день как в странах СНГ так и за рубежом. Все это лишний раз доказывает перспективность и целесообразность применения ударных мельниц в различных отраслях промышленности.
Ударно – центробежная мельница Н. М. Смирного и В. Н. Блиничева
– спиральный корпус; 2 — тангенциальный канал; 3 — ротор; 4— вал;5 – диск; 6 — разгонные лопасти; 7 — загрузочный патрубок; 8— разгрузочный патрубок; 9 — нижняя плита; 10 — патрубок выгрузки готового продукта.
На основании вышеприведенного критического анализа конструктивных особенностей современных промышленных измельчителей ударного действия (их достоинства и недостатки) можно выделить следующие основные направления их дальнейшего усовершенствования:
)применение износостойких материалов для изготовления или армирования рабочих органов измельчителя;
)усовершенствование конструкций рабочих органов или отдельных узлов измельчителя;
)применение износостойких материалов с одновременным усовершенствованием конструкции измельчителя.
Наиболее эффективным из перечисленных направлений является последнее.
2.4. Обзор и анализ материалов применяемых при изготовлении измельчителей ударного действия.
В настоящее время известно большое количество как металлических так и неметаллических материалов применяемых в борьбе с износом а также различных технологических способов обеспечения износостойкости покрытий (наплавка напыление поверхностная закалка термодиффузионные методы облицовка резиной применение биметаллических профилей и т. д.). С целью эффективного размола материалов углы атаки в ударных измельчителях обычно выбирают большими и равными α = 60 ÷ 90°. В таких условиях мягкие и пластичные стали более износостойки чем закаленные. Этот факт установлен исследованиями И.Р. Клейса 21. Кроме того с увеличением скорости удара износостойкость закаленных сталей начинает резко падать. На практике термообработанные стали (например такие как сталь 45 У8 ШХ15 С60Н и другие) применяют для изготовления рабочих органов ударных измельчителей довольно редко даже при размоле материалов средней прочности. Объясняется это тем что еще лучшие результаты в плане износостойкости дает применение некоторых литых материалов (специальных чугунов) о которых будет сказано чуть ниже.
Наиболее широкое применение при изготовлении рабочих органов ударных измельчителей (бил молотков лопастей отбойных плит и т. д.) получила высокомарганцовистая сталь типа 110Г13Л разработанная Р. А. Гадфильдом еще в 1888 г. У этой стали как известно твердость поверхностного слоя под давлением увеличивается до 3 раза достигая HV 700. Однако при помоле кварца ее износостойкость ниже износостойкости обычных углеродистых сталей. Но при размоле в молотковой мельнице коксика (DCP 2 мм) стойкость стали 110Г13Л превышает стойкость стали СтЗ в 27 раза. Высокомарганцовистая сталь 110Г13Л успешно применяется также при помоле известняка гранита и угля в ударных измельчителях. По данным В. Н. Виноградова 30 легирование стали 110Г13Л ванадием (045 %) приводит к повышению ресурса молотков для измельчения известняка на 50 %.
При помоле материалов средней твердости лучшие результаты в плане износостойкости были получены при использовании белых и высоколегированных специальных чугунов (по сравнению с легированными и термобработанными сталями).
В настоящее время в качестве износостойкого материала широко распространены легированные никелем белые чугуны разработанные компанией «Интернейшенел никель лимитед» (США) и названные нихардами. Производят эти сплавы в четырех модификациях из которых нихард – 4 наиболее стоек к эрозионному изнашиванию. Нихард применяется также для изготовления лопастей центробежных роторов бил и отбойных плит угольных мельниц футеровочных плит и мелющих тел шаровых мельниц сопл пескоструйных аппаратов и т. д.
Другой вид высоколегированных белых чугунов разработанный компанией «Клаймакс молибдениум» (США) имеет обозначение 15 – 3 (по среднему содержанию Сг и Мо – 15 % и 3 % соответственно). Появление этого сплава открывает новые возможности в размольной технике. Например изготовление из него тел размола ударных измельчителей для производства гранитного щебня позволило сократить производственные расходы в 36 раза. Ресурс рабочих элементов из чугуна 15 – при размоле таконитовых руд в 25 раза больше чем при применении высокомарганцовистой стали 110Г13Л и в 77 раз больше чем в случае использования обычной перлит – стали. Его стойкость в спиральных классификаторах в 6.5 раз выше стойкости закаленной стали и в 36 раз выше стойкости белого перлитного чугуна содержащего 1 % хрома.
Что же касается серых чугунов то согласно исследованиям В.Н. Виноградова 30 они уступают по износостойкости сталям в условиях изнашивания как твердыми так и мягкими абразивными частицами.
В последнее время для борьбы с износом все более широкое распространение получают различные методы наплавки и наплавочные материалы. Современные методы наплавки позволяют получать износостойкие слои на поверхности тел помола тех же типов о которых шла речь выше. Кроме того создавая композиции из высокотвердых карбидов и боридов можно получать покрытия твердость которых даже превышает твердость кварца что нереализуемо литыми и термообработанными сплавами. В ряде случаев целесообразно наплавлять не только рабочие органы измельчителей но и элементы корпуса т. к. расход времени на наплавку почти равен продолжительности замены изношенных элементов 26.
Однако согласно исследованиям И. Р. Клейса 21 применение наплавочных материалов целесообразно главным образом только для защиты и восстановления корпусных деталей ударных измельчителей особенно при малых углах атаки (α45°). Для изготовления же тел размола (бил молотков лопастей отбойных плит и т. д.) более экономичным является применение литых деталей в том числе и двухслойных отливок.
Что же касается порошковых твердых сплавов керамических и полимерных материалов то в виду своих низких прочностных характеристик они практически не применяются для борьбы с износом в ударных измельчителях где имеют место значительные ударные нагрузки и большие углы атаки (α = 60 ÷ 90°) 26 30.
В настоящее время усовершенствование конструкций ударных измельчителей осуществляется главным образом с целью повышения эффективности их работы за счет увеличения ресурса рабочих элементов машины и снижения энергозатрат на измельчение материалов. Однако следует иметь в виду что повышение ресурса рабочих элементов ударных измельчителей не должно приводить к снижению эффективности измельчения. Например нельзя уменьшить угол атаки чтобы уменьшить интенсивность изнашивания. Требованию обеспечения эффективного измельчения противоречит и снижение скорости удара. Как уже отмечалось ранее наиболее эффективным способом повышения ресурса рабочих элементов ударных измельчителей является использование износостойких материалов.
Ввиду того что процесс измельчения материалов является весьма энергоемким и металлоемким процессом вопрос снижения энергозатрат на измельчение является весьма актуальным для всех без исключения измельчителей в том числе и для мельниц ударного действия.
В этом плане представляют большой интерес специальные исследования процесса измельчения различных материалов в ударно-центробежной мельнице типа «Торнадо» проводимые фирмой «Спокейн Крашер» (США) с применением скоростной киносъемки. Цель исследований заключалась в снижении износа деталей и повышении динамической уравновешенности машины. Сравнение полученных кинограмм с аналогичными снимками процесса измельчения в роторных мельницах с горизонтальным валом подтверждает сходство процессов разрушения материала в обоих случаях. Исходя из этих исследований специалисты фирмы «Спокейн Крашер» рекомендуют в ударно-центробежных мельницах типа «камень о металл» устанавливать броневые плиты отражательной поверхностью под углом к радиусу с тем чтобы обеспечить близкий к прямому угол встречи (атаки) при ударе. При этом кинетическая энергия кусков материала используется для разрушения с минимальными потерями. Количество рикошетирующих осколков также минимально.
На основании выше проведенного критического анализа современного состояния теории измельчения и измельчающих машин ударного действия можно сделать следующие выводы:
)Теоретические исследования выполненные в последнее время позволили значительно развить теорию измельчения. Однако влияние на процесс измельчения большого количества различных факторов не позволяет создать в настоящее время полноценную теорию измельчения которая позволила бы на основании опытов с одной стороны и статистических данных с другой определить характеристики промышленной установки способной измельчать данный материал до частиц необходимой дисперсности.
)Значительного снижения потерь энергии в процессе измельчения когда на образование новой поверхности затрачивается не более 1 % от всей подводимой к материалу энергии можно добиться методами высокоскоростного ударного разрушения. В процессе удара сила сжатия возникает в определенном сечении так быстро что трещина образуется до того как в частице материала установится равновесное распределение энергии результатом чего является уменьшение количества энергии необходимой для осуществления разрыва.
)Наиболее эффективными машинами для помола твердых материалов являются мельницы ударного действия. Однако по причине большого износа рабочие элементы (ребра лопасти отбойные плиты и т. д.) этих мельниц имеют низкий ресурс работы что требует их частой замены или полного восстановления и повышает тем самым эксплуатационные расходы.
)Значительно уменьшить энергоемкость процесса помола а также увеличить ресурс рабочих элементов и снизить эксплуатационные расходы в измельчителях ударного действия вообще и в ударно-центробежных мельницах в частности можно:
путем применения специальных износостойких материалов для рабочих элементов измельчителя;
путем организации процесса разрушения материала посредством прямого (центрального) удара об отбойные поверхности измельчителя (угол атаки α = 90°);
путем применения оптимальной геометрической компоновки измельчителя которая позволит свести к минимуму ударное взаимодействие перерабатываемого материала с элементами вращающегося ротора;
путем организации подачи перерабатываемого материала в рабочую зону измельчителя в небольших объемах и минимизации времени пребывания его (материала) в этой зоне;
путем обеспечения непрерывного и высокоэффективного удаления из зоны измельчения частиц материала достигших требуемой тонины помола.
путем организации высокой частоты ударного взаимодействия частиц материала с отбойными элементами измельчителя.
Таким образом в настоящее время для практической реализации необходимо глубокое и всестороннее изучение процесса ударного измельчения различных материалов и последующая разработка на базе теоретических и экспериментальных исследований новых высокоэффективных конструкций измельчителей ударного действия.
РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ УДАРНО – ЦЕНТРОБЕЖНОЙ МЕЛЬНИЦЫ
Теоретические и экспериментальные исследования по теории удара ударному нагружению и разрушению 2 3 проведенные в последние десятилетия показывают что наименьший расход энергии требуется на измельчение ударом. Опытами установлено что работа измельчения ударом составляет не более половины от работы измельчения раздавливанием и это объясняется тем что высокоскоростное приложение ударной нагрузки способствует хрупкому разрушению материала равносильно как при низких температурах 33. Другие исследователи 34 указывают что при ударном нагружении измельчаемого материала возникающие в нем напряжения как минимум в 2 раза больше чем при статическом нагружении.
Таким образом динамическое нагружение при высокоскоростном ударе возможность свободного разрушения единичных кусков а также немедленный вывод продуктов разрушения из рабочей зоны создают предпосылки для рациональной организации процесса измельчения материалов за счет ударного их нагружения.
Однако при всех положительных факторах измельчения ударом (см. раздел 1) для мельниц вопрос непрерывного отвода мелкой фракции (готового продукта) из зоны помола остается не решенным.
Исследованиями и широкомасштабными внедрениями последних лет доказано что для среднего и мелкого дробления а также для грубого и среднего помола весьма эффективными оказались ударно – центробежные мельницы метательного типа. Принцип измельчения материала в таких конструкциях весьма прост и заключается в том что в центр вращающегося ротора подается исходный материал где он за счет центробежной силы инерции направляется в разгонные каналы и на выходе из них с высокой скоростью ударяется об отражательную стенку где и происходит измельчение. Высокие скорости на выходе из каналов позволяют кускам материала двигаться поштучно и удар их о стенку получается не стесненный а свободный. Это позволяет достигать высокой степени измельчения всех кусков с получением продукта более равномерного состава. В таких конструкциях ударно-центробежных мельниц продукты легко удаляются из зоны измельчения 3 а в некоторых осуществляется его классификация с возвратом крупной фракции на повторное доизмельчение 4 5.
В ряде докладов отмечаются и другие достоинства таких конструкций измельчителей а именно:
- параметры работы измельчителей поддаются точному регулированию путем изменения скорости вращения ротора причем стабильный грансостав продукта обеспечивается даже при значительном износе рабочих органов;
- дробление и помол материалов можно осуществлять практически любой крепости и твердости;
- материал после дробления имеет форму близкую к кубической что очень важно например при получении щебня идущего для дорожного покрытия и приготовления качественных бетонов;
- высокая энергонапряженность в рабочей зоне измельчителей обеспечивает им низкую металлоемкость низкие капитальные и эксплуатационные затраты простоту обслуживания и высокую ремонтоспособность.
Очень важные результаты получены на ряде горно-обогатительных предприятий по селективному измельчению минеральных руд 3. Подбирая соответствующий режим измельчения можно достичь селективного разрушения руды при котором минералы имеющие меньшую прочность разрушаются а более прочные остаются целыми.
Для достижения более высокой эффективности измельчения материала в ударно-центробежных мельницах метательного типа необходимо обеспечить непрерывный отвод мелкого продукта а более крупные куски подвергнуть повторному а при необходимости и многократному ударному нагружению. Согласно теории И. Примера (см. раздел 1) в конструкции мельницы ударного измельчения необходимо создать условия при которых мелкие частицы как готовый продукт двигаясь вдоль стенки удалялись бы из зоны помола а крупные отскакивая от стенки подвергались повторному удару.
Одна из конструкций мельниц где в определенной степени выполняются вышеперечисленные условия разработана нами и представлена на рис.2.1. Ударно-центробежная мельница (рис.2.1) состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 который внутри футерован отражательными стержнями 2. Сверху к корпусу крепиться крышка 3 по центру которой для подачи исходного материала установлена воронка 4. снизу к корпусу мельницы с помощью фланцевого соединения крепится плоское днище 5. К днищу снаружи по центру крепиться электродвигатель 6 вал которого через отверстие проходит внутрь мельницы. Для выгрузки продуктов измельчения из мельницы по краю днища проделан полукольцевой канал к которому крепится спиралеобразный патрубок 7. Внутри мельницы на вал электродвигателя насажен диск 8 на котором по радиусу жестко закреплены сверху разгонные 9 а снизу отбойные 10 лопатки.
Роторная мельница многократного ударного нагружения материала.
– корпус; 2 – отражательные стержни; 3 – крышка; 4 – воронка; 5 – днище; 6 – электродвигатель; 7 – спиралеобразный патрубок; 8 – диск; 9 – разгонные лопатки; 10 – отбойные лопатки.
При работе мельницы от электродвигателя приводится во вращение диск 8 с лопатками 9 и 10 и через воронку 4 подается на измельчение материал. При вращении диска с лопатками в центре будет создаваться разрежение за счет чего в мельницу через воронку 4 будет поступать и воздух который проходя через каналы между разгонными лопатками достигает стенки далее двигаясь по спирали опускается вниз и через полукольцевой спиралеобразный патрубок 7 вместе с измельченным материалом удаляется из мельницы. Чтобы в мельницу поступало ограниченное количество воздуха и тем самым уменьшался расход энергии на работу мельницы как вентилятора разгонные лопатки 9 выполняются небольшой высоты.
Куски материала подаваемого на измельчение через воронку 4 могут попадать на диск 8 или под воздействием воздушного потока сразу на лопатки 9 но в конечном итоге все они быстро достигнут лопаток. Двигаясь по лопаткам материал разгоняется до высоких скоростей и срываясь с них ударяется об отражательные стержни 2. Естественно частота вращения диска с лопатками должна быть достаточной чтобы обеспечить скорость кускам материала при которой они за счет удара будут разрушаться.
Согласно ранее рассмотренной модели при ударном разрушении будут образовываться как мелкие так и более крупные частицы. Мелкие частицы разлетаются вдоль отражательной поверхности и в нашем случае они будут подхватываться нисходящим вихревым потоком воздуха и вместе с ним вращаясь опускаться вниз. Более крупные частицы будут отскакивать от отражательной поверхности и попадать под удар лопаток. Но при полете от отражательной поверхности к лопаткам они за счет силы тяжести и воздействия воздушного потока несколько опустятся вниз и уже попадут под удар отбойных лопаток. При ударе об отбойные лопатки частицы будут частично разрушаться и далее двигаясь по ним разгоняются и отбрасываются на отражательные стержни где снова дополнительно будут разрушаться. Дополнительное ударное разрушение может происходить многократно пока частицы не опустятся вниз и вместе с воздухом через спиралеобразный патрубок удалятся из мельницы.
Таким образом в данной мельнице материал не задерживается и не накапливается в рабочей зоне измельчение происходит только за счет ударов причем ударному нагружению подвергаются крупные частицы так как только они при ударе отскакивают от стенки и попадают под удар лопаток. Следовательно измельченный продукт должен получаться более однородным чем в молотковой мельнице а удельный расход энергии на измельчение значительно ниже.
С целью получения более достоверных результатов все экспериментальные исследования новой конструкции ударно-центробежной мельницы были проведены нами на опытной установке близкой по своим размерам к промышленным агрегатам. Для проведения всесторонних экспериментальных исследований качества помола и энергоемкости процесса измельчения различных материалов в ударно – центробежной мельнице был изготовлен полупромышленный опытный образец данного измельчителя с диаметром рабочего диска по концам лопаток 045 м.
Схема экспериментальной установки новой конструкции ударно-центробежной мельницы представлена на рис. 2.2.
В процессе работы данной установки исходный материал с помощью питателя 6 равномерно подавался в помольную камеру ударно – центробежной мельницы 1. Привод шнекового питателя 6 и регулировка числа его оборотов осуществлялись от электродвигателя 7 через регулятор частоты вращения 3 что позволяло в ходе исследований изменять количество материала подаваемого в мельницу.
Схема экспериментальной установки ударно-центробежной мельницы
– ударно – центробежная мельница; 2 – приводной электродвигатель; 3 – регулятор частоты вращения вала электродвигателя; 4–рукавный фильтр; 5 – циклон; 6 – шнековый питатель; 7 – электродвигатель привода шнека питателя.
Привод ротора мельницы 1 осуществлялся посредством электродвигателя 2 мощностью 75 кВт через регулятор частоты вращения 3 что позволяло в ходе исследований изменять число оборотов ротора и как следствие силу ударного взаимодействия частиц материала с отражательными стержнями мельницы 1. После попадания в помольную камеру мельницы 1 частицы исходного материала отбрасывались на периферию где измельчались при ударе об отражательные стержни. Далее тонко помолотые частицы подхватывались воздухом и по кольцевому каналу мельницы 1 поступали на разделение в циклон 5. Измельченный материал как готовый продукт удалялся из циклона а запыленный воздух поступал в рукавный фильтр 4 на очистку.
ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
1. Методика проведения экспериментальных работ.
В качестве материала для экспериментальных исследований использовалась сильвинитовая руда с размером кусков не более 15 мм а также зерно пшеницы овса ячменя ржи и гранулы извести с размером кусков не более 8 мм.
В ходе экспериментальных исследований ударно-центробежной мельницы изменялись:
) производительность шнекового питателя в пределах 1000 – 2000кгч;
) частота вращения ротора от 600 до 3000 радс;
) диаметр загрузочного отверстия шнекового питателя (отверстие диаметром 40 60 80 и 100 мм).
Гранулометрический состав продуктов помола тех или иных материалов можно определить различными методами. В настоящее время известно более 160 методов и их модификаций применяемых для анализа дисперсности пылей и измельченных материалов. Однако ни один из них не является универсальным каждый дает определенную информацию о дисперсности имеет свою предпочтительную область применения.
Наиболее простыми являются методы механической классификации поэтому они получили самое широкое распространение. К их недостаткам следует отнести низкую четкость сепарации высокий нижний порог чувствительности (весьма затруднен процесс просеивания частиц на ситах с размером ячеек менее 40 мкм) влияние на точность анализа продолжительности просеивания формы частиц износа сит и других факторов. В качестве примеров методов комбинированной классификации можно выделить воздушно-ситовую классификацию и воздушно-ситовую с использованием звуковых колебаний а также ситовую классификацию с использованием электрических полей.
Методы гидравлической классификации нашли применение в лабораторных анализах. К ним относится гравитационная центробежная диффузионная и струйная классификации. Каждый из казанных способов имеет свои преимущества и недостатки. Так гравитационному методу
гидравлической классификации (седиментации) присущи погрешности вызванные конвекцией среды эффектами обусловленными более быстрым
осаждением крупных частиц (всплывание мелких частиц и их захват более крупными) агрегирование частиц. Центробежная классификация ввиду возможности регулирования величины силы способствующей выделению частицы позволяет снизить крупность частиц подверженных классификации и повысить селективность процесса. Диффузионный метод классификации используется для весьма мелких частиц считается что он примени для сколь угодно малых частиц. Струйная классификация основана на инерционном осаждении частиц при истечении жидкости либо газа со взвешенными частицами на преграду. Недостатками струйных классификаторов являются: сложность расшифровки результатов а также зависимость селективности от вещества твердой фазы дисперсной системы.
Электрические методы классификации подразделяются на трибоадгезионные электростатические электродинамические и коронного разряда. Дифференциальные методы подразделяются на подгруппы в зависимости от того с чем взаимодействуют частицы дисперсной фазы – излучением полем твердым веществом посредством механического воздействия и т.д.
Приведенный выше критический анализ методов определения гранулометрического состава измельченных материалов показывает что наиболее простым и в достаточной степени точным методом анализа дисперсности продуктов помола строительных материалов (таких как известь мел гипсовый камень и т.п.) является метод механической классификации (рассева) на ситах. Помимо простоты и надежности метод механического рассева на ситах отличается также тем что он не требует использования высоко сложного и дорогостоящего оборудования. Кроме этого он единственный в своем роде дает возможность получить достаточно полную информацию о фракционном составе продуктов помола как по массе так и по размеру.
Таким образом принимая во внимание все вышесказанное для экспериментальных исследований тонины помола сильвинитовой руды зерна и извести в ударно – центробежной мельнице использовался набор сит с минимальным размером отверстий 0185 мм а максимальным – 30 мм. Ситовой анализ продуктов помола осуществлялся следующим образом.
Сита в количестве 8 штук собирались в пакет с возрастанием размера отверстий в них от низа к верху и продукт помола в количестве 250 грамм загружался на верхнее сито. После чего пакет закреплялся на столе лабораторной машины предназначенной для рассева. Далее машина включалась в сеть стол совершал колебательные движения в течении 10 минут производя рассев материала на фракции. По окончании рассева на лабораторных весах осуществлялось взвешивание количества материала оставшегося на каждом из сит а также взвешивание количества материала прошедшего через сито № 0185. Для каждого опытного результата рассев осуществлялся три раза полученные данные усреднялись.
2. Обработка и анализ результатов исследований.
Основными технико-экономическими показателями работы всех без исключения дробильно-помольных машин являются степень измельчения и удельный расход энергии на измельчение единицы объема (массы) готовой продукции. Кроме этого немаловажное значение имеет влияние различных конструктивных и технологических параметров измельчителя на энергоемкость и качество помола в нем различных материалов. В данном случае к таким параметрам можно отнести частоту вращения приводного вала; скорость подачи материала (производительность мельницы); величину загрузочного отверстия; форму и размеры лопаток; расстояние между концами лопаток и футеровкой корпуса.
Исходя из этого экспериментальные исследования ударно – центробежной мельницы осуществлялись по следующим направлениям:
) определение гранулометрического состава продуктов помола материалов с различными прочностными характеристиками;
) определение общих и удельных затрат электроэнергии при измельчении материалов с различными прочностными характеристиками;
) определение влияния различных конструктивных и технологических параметров измельчителя на энергоемкость и качество помола в нем материалов с различными прочностными характеристиками.
Для определения качества измельчения в разработанной конструкции мельницы а также сравнения расчетной мощности с реальной были проведены экспериментальные исследования на полупромышленной установке. В качестве измельчаемого материала использовались сильвинитовая руда с размером исходных частиц менее 15 мм гранулы извести с размером менее 8 мм и зерно ячменя. Производительность по измельчаемому материалу регулировалась скоростью вращения шнека питателя и во всех опытах поддерживалась близкой к 1000кгч.
На графиках (рис.3.1.) приведены результаты исследований потребляемой мельницей мощности для различной скорости вращения ротора при холостом ходу и измельчении различных материалов. Кривая 1 получена при работе мельницы на холостом ходу то есть как вентилятора и полученные данные очень хорошо согласуются с расчетными (см. раздел 4). На графике нанесена для сравнения кривая 2 полученная расчетным путем для случая когда материал подается в мельницу в количестве 1000 кгч и он после удара полностью измельчается в мелкий порошок и естественно не отражается от стержней и не попадает под повторный удар лопаток.
При измельчении гранул извести (кривая 3) установлено что они имеют низкую прочность и практически от первого удара рассыпаются на мельчайшие кристаллы размером не более 63 мкм. Для этого материала получено значение =12.
Сильвинит (кривая 4) также довольно хорошо измельчается на отдельные кристаллы и при обработке опытных данных получено значение коэффициента =18.
Значительно труднее поддаются ударному измельчению зерна ячменя. Из литературных источников 33 известно что из всех зернобобовых культур это самая трудно измельчаемая культура и трудность измельчения объясняется тем что снаружи зерно имеет 5 очень прочных оболочек.
Зависимость потребляемой мельницей мощности от скорости вращения ротора
На рис.3.1 затраты мощности на измельчение ячменя представлены кривой 5 и для этого материала значение =49.
Также были построены теоретические кривые отображающие зависимость мощности привода мельницы от производительности для двух разных линейных скоростей вращения ротора (рис. 3.2). Производительность изменяли пропорционально изменению диаметра ротора мельницы. В результате получили линейную зависимость между производительностью и потребляемой мощностью.
Для определения гранулометрического состава продуктов помола различных материалов были проведены опыты по измельчению сильвинитовой руды и зерна с целью сравнения полученных результатов. Исследования проводились при частоте вращения ротора n = 3000 обмин. Результаты исследований представлены на рис 3.3.
Анализируя полученные графические зависимости (рис. 3.3) можно сделать вывод что самая высокая тонина помола достигается при измельчении сильвинита (кривые 1 и 2) причем увеличение производительности по материалу влияет на степень измельчения несущественно.
Зависимость мощности привода мельницы от производительности при постоянной окружной скорости вращения диска
Степень измельчения различных материалов в ударно-центробежной мельнице при n=3000 обмин
Высокая степень помола в ударно-центробежной мельнице сильвинита можно объяснить тем что частицы сильвинита по своим пластическим свойствам значительно уступают зерну. Поэтому при ударе гранул сильвинита о лопасти диска и об отражательные стержни наблюдалось практически полное разрушение частиц материала на отдельные кристаллы. При помоле же зерна того же ударного импульса
оказывается недостаточно чтобы измельчить его до той же тонины помола что и сильвинит (кривые 3 4 5 6).
Как видно из графиков (рис. 3.3) при измельчении в ударно – центробежной мельнице зерна (в особенности зерен ячменя) имел место небольшой остаток продуктов помола данного материала на сите с размером ячеек 024·10-3 м. Данное обстоятельство можно объяснить следующим образом. В процессе ударного измельчения зерна в основном разрушались только мягкие его ткани тогда как кожица зерна как наиболее твердая его часть практически не измельчалась и в виде тонких пластинок легко выводилась из зоны помола с потоком воздуха. Исключение составляют зерна пшеницы остаток на сите 024·10-3 м которой соизмерим с аналогичным показателем для сильвинита (кривая 3).
Далее были проведены опыты по измельчению сильвинита при различных скоростях вращения ротора. Частоту вращения вала электродвигателя изменяли в пределах 3000 ÷ 600 обмин. Результаты исследований приведены на рис. 3.4.
Степень измельчения сильвинита в ударно – центробежной мельнице при различных скоростях вращения ротора
Как видно из графиков (рис. 3.4) с уменьшением скорости вращения ротора тонина помола уменьшается. Для сравнения на графиках приведена аналогичная зависимость полученная при измельчении сильвинитовой руды в барабанной шаровой мельнице (кривая 9). Приняв за основу гранулометрический состав продукта полученного в барабанной шаровой мельнице можно придти к выводу что оптимальными для измельчения сильвинита идущего на флотацию будут значения частоты вращения ротора в пределах 700 ÷ 800 обмин. (кривые 6 и 7). Причем следует отметить что процентное содержание переизмельченного продукта (остаток на сите 024·10-3 м) при измельчении в ударно – центробежной мельнице значительно (более чем в два раза) меньше чем при измельчении в шаровой мельнице. Это очень важно с технологической точки зрения т. к. большое содержание переизмельченного продукта является нежелательным явлением при флотации сильвинита (мелкие частицы продукта налипают на более крупные и препятствуют разделению).
Также были проведены исследования по избирательному измельчению сильвинита с целью выделения и извлечения галопелита с крупной фракцией. Результаты этих исследований приведены в табл. 3.1.
Результаты исследований по избирательному измельчению сильвинита
Скорость вращения ротора обмин.
Вес фракции 18 – 30 мм г
Вес фракции более 30 мм г
Вес фракции более 18 мм г
Содержание фр. 18 – 30 мм в пробе %
Содержание фр. более 30 мм в пробе %
Содержание фр. более 18 мм в пробе %
Содержание галопелита в пробе %
Содерж. галопелита во фр. 18 – 30 мм г
Содерж. галопелита во фр. 18 – 30 мм %
Содерж. галопелита во фр. более 30 мм г
Содерж. галопелита во фр. более 30 мм %
Общий вес галопелита в пробе г
Вес галопелита во фр. более 18 мм г
Степень извлечения галопелита с фракцией более 18 мм %
Содерж. галопелита во фр. более 18 мм %
На основании данных табл. 3.1 построена зависимость степени извлечения галопелита с крупной фракцией от частоты вращения ротора (рис. 3.5). Из полученных экспериментальных данных видно что при скорости вращения ротора 700 обмин и менее можно достичь степени извлечения галопелита с крупной фракцией до 80 %.
Зависимость степени извлечения галопелита с крупной фракцией (более 18мм) от частоты вращения ротора
Однако при этом в идущей в отвал крупной фракции содержится большое количество (около 85%) полезного продукта (кристаллов NaCl и KCl). Поэтому в целях экономии сырья целесообразно полученную в ударно – центробежной мельнице крупную фракцию направлять на вторичное доизмельчение в такой же мельнице меньшей производительности для более полного использования природного сырья. Кроме того планируется проведение исследований с целью подбора оптимальных геометрических параметров мельницы (формы и размеров лопаток величины зазора между лопатками и отражательными стержнями и т. д.
Таким образом экспериментальные исследования показали целесообразность применения данной конструкции ударно – центробежной мельницы в производстве калийных удобрений при получении сильвинита для флотации. Наилучшие результаты и по фракционному составу готового продукта и по возможности организации избирательного измельчения сильвинита получены для полупромышленной установки при угловой скорости вращения ротора 700 обмин (или окружной скорости по концам лопаток 1649 мс).
РАСЧЕТ УДАРНО-ЦЕНТРОБЕЖНОЙ МЕЛЬНИЦЫ
1. Расчет мощности привода мельницы.
Для расчета мощности привода мельницы рассмотрим основные статьи расхода энергии при её работе. Это мощность расходуемая на преодоление сопротивления воздуха; мощность затрачиваемая на трение частиц о поверхность диска и лопаток; и мощность требующаяся для придания частицам материала при отрыве от лопаток кинетической энергии необходимой для разрушения.
Опытная мельница диаметром ротора по концам лопаток 450 мм показала наилучшие результаты при частоте вращения ротора (вала электродвигателя) 700 обмин. Тогда окружная скорость ротора по концам лопаток определяется по формуле
где D – диаметр ротора по концам лопаток. D = 045 м;
n – частота вращения ротора. n = 700 обмин.
Полная мощность привода мельницы определяется по формуле
где Nвент – мощность мельницы при работе на холостом ходу;
Nтр – мощность расходуемая на трение частиц по лопаткам и по диску;
Nразг – мощность затрачиваемая на придание частицам материала кинетической энергии при срыве с лопатки;
– КПД привода мельницы равный КПД электродвигателя с учетом повышенных потерь при вращении диска с материалом. Принимаем = 09.
На холостом ходу то есть без подачи материала мельницу можно рассматривать как вентилятор и тогда мощность привода определяется по известной зависимости
где Q – производительность по воздуху;
H – полный напор создаваемый вентилятором;
вент – КПД мельницы как вентилятора. Принимаем мельницу с низким значением КПД: вент = 05
где φ – коэффициент производительности вентилятора. Для вентилятора с радиальными лопатками φ = 01 35.
Полный напор H определим по формуле
где – коэффициент полного напора. Для вентилятора с радиальными лопатками = 066 35;
ρг – плотность газа. Для воздуха ρг = 129 кгм3;
Тогда по формуле (4.3)
При подаче в мельницу материала дополнительный расход энергии будет затрачиваться на трение при движении частиц по диску и лопаткам а также на разгон частиц при срыве с лопаток. Мощность затрачиваемая на трение частиц определиться следующей зависимостью
где –коэффициент трения. При трении сильвинита по стали принимаем = 08;
–длина лопатки. =0145 м;
–массовая производительность. = 0833 кгс;
–ускорение свободного падения. = 98 мс2;
–угловая скорость вращения ротора с-1;
–средняя скорость движения частицы по лопатке мс.
Угловую скорость вращения ротора определим по известной зависимости
Средняя скорость движения частицы по лопатке определяется по формуле
где Vr – радиальная скорость частицы при сходе с лопатки.
Радиальную скорость кусков сильвинита при сходе с лопатки определим по формуле предложенной в литературе 36.
где d1 – коэффициент пропорциональности;
r – радиус ротора мельницы по концам лопаток r = 0225 м;
rн – начальный радиус лопаток rн = 008 м;
Vo – скорость кусков на входе на лопатку. Принимаем Vo = 2 мс
Коэффициент пропорциональности определим по формуле 36
Тогда по формуле (4.8)
Определяем по формуле (4.7) среднюю скорость движения частицы
Рассчитаем по формуле 4.6 мощность затрачиваемую на трение частиц
Мощность затрачиваемая на придание кинетической энергии частицам при срыве с концов лопаток определяется по известной зависимости
где Vч.полн – полная скорость движения частицы на сходе с лопатки состоящая из окружной и радиальной.
где V – окружная скорость частицы. Принимаем равной скорости ротора по концам лопаток V = = 1649 мс.
Так как при срыве с лопаток частиц повышенной твердости и их ударе об отражательные стержни они с первого раза могут не разрушиться или разрушится на крупные осколки то эти частицы будут отскакивать от стенки и снова попадать под воздействие лопаток. Естественно на удар лопаток и повторный разгон частиц будет затрачиваться энергия которую учтем коэффициентом . Тогда в окончательном виде зависимость (4.10) будет иметь вид
где К – эмпирический коэффициент. Принимаем К = 25.
Рассчитаем полную мощность привода мельницы по формуле (4.2)
2. Определение диаметра приводного вала
Привод ударно-центробежной мельницы осуществляется непосредственно от электродвигателя. Рабочий орган (ротор с лопатками) закреплен на валу с помощью шпоночного соединения. Приводной вал имеет малый скручивающий момент вращается с высокой скоростью поэтому определяем диаметр вала из условия виброустойчивости. Принимаем материал вала сталь 45 ГОСТ 1050 – 88 37.
Из условия виброустойчивости определим критическую скорость вращения вала
где – рабочая угловая скорость ротора =7327 радс.
С другой стороны критическую угловую скорость с учётом рис. 4.1 можно найти по зависимости
где E – модуль продольной упругости материала вала. Для стали E=21011 Па;
I – момент инерции вала. Для вала цилиндрической формы I=d4 64;
m – масса ротора с лопатками m=201 кг;
L1 L2 – конструкционные размеры (см. рис 4.1) L1 =120 мм. L2=260мм;
С учетом формулы 4.4 и выражения для момента инерции вала выражение 4.5 примет вид
Тогда диаметр вала будет равен
По конструкционным соображениям (агрессивность среды размеры сальникового уплотнения и так далее) принимаем стандартный диаметр вала электродвигателя равный 38 мм.
Ударно – центробежная мельница и расчётная схема ее вала
По теме курсового проекта проведен литературный обзор научно-технической и патентной литературы. Приведено обоснование выбора новой конструкции ударно-центробежной мельницы.
На опытной установке проведены экспериментальные исследования по измельчению различных материалов с целью нахождения оптимального режима измельчения; а также опыты по избирательному измельчению сильвинита.
Выполнен технологический и прочностной расчет ударно-центробежной мельницы.
Проводимые на проектируемой установке исследования бесспорно имеют огромный научный и промышленный интерес. Ведь внедрение таких мельниц рассчитанных и адаптированных для конкретного производства позволит в три и более раз сократить энергопотребление в сравнении с предыдущими конструкциями мельниц.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ХодаковГ.С. Физика измельчения. – М.: Наука 1972.
РевнивцевВ.И. Селективное разделение материалов. – М.: Недра1988.
Материалы международной научно – технической конференции «Центробежная техника высокие технологии» НПО «Центр» г. Минск 2003г.
Пат. 3010 С2 ВУ МПК В02С1314. Мельница А.Э.Левданский Э.И.Левданский В.С.Володько И.И.Демидчик С.В.Радашкевич (РБ). - №960330; Заявл. 01.07.96; Опубл. 30.09.99 Афіцыйны бюлетэнь Дзярж. Пат. Ведамства РБ. – 1999. - №3. – С.96.
Пат. 3011 С2 ВУ МПК В02С708. Мельница А.Э.Левданский В.С.Володько Э.И.Левданский И.И.Демидчик С.В.Радашкевич (РБ). - №960332; Заявл. 01.07.96; Опубл. 30.09.99 Афіцыйны бюлетэнь Дзярж. Пат. Ведамства РБ. – 1999. - №3. – С.96.
СергоЕ.Е. Дробление измельчение и грохочение полезных ископаемых. – М.: Недра 1985. – 322 с.
АнурьевС.Е. ПеровА.В. ЗверевН.И. Дробление измельчение и грохочение полезных ископаемых. – М.: Недра 1980. – 412 с.
КлушанцевБ.В. КосаревА.И. МуйземнекЮ.А. Дробилки. Конструкции расчет особенности эксплуатации. – М.: Машиностроение 1990. – 319 с.
БауманВ.А. КлушанцевБ.В. МартыновВ.Д. Механическое оборудование предприятий строительных материалов. – М.: Машиностроение 1981. – 326 с.
ХодаковГ.С. Тонкое измельчение строительных материалов. – М.: Стройиздат 1972. – 288 с.
СиденкоП.М. Измельчение в химической промышленности. – М.: Химия 1977. – 382 с.
СапожниковМ.Я. Механическое оборудование предприятий строительных материалов изделий и конструкций. – М.: Высшая школа 1971. – 382 с.
ПритыкинД.П. Механическое оборудование для подготовки шихтовых материалов. – М.: Металлургия 1988. – 368 с.
ГоловковЮ.П. Дробление твердого топлива на тепловых электростанциях. – М.: Энергоатомиздат 1985. – 140 с.
Механическое оборудование предприятий строительных материалов изделий и конструкций. С.Г.Силенок А.А.Борщевский М.Н.Горобец и др. – М.: Машиностроение 1990. – 416 с.
БорщевскийА.А. ИльинА.С. Механическое оборудование для производства строительных материалов и изделий. – М.: Высшая школа 1978 – 368 с.
ПартонВ.З. БорисковскийВ.Г. Динамика хрупкого разрушения. – М.: Машиностроение 1987. – 268 с.
PriemerJ.Untersuchungen zur Prallzerkleinerung von Einzelteilchen Fortschr. Ber. VDI – Z Reihe 3. – 1968. - № - 8 – s. 64 – 72.
Труды европейского совещания по измельчению: Сб. ст. Сост. А.В.Подкоцкий. – М.: Стройиздат 1966. – 502 с.
КлейсИ.Р. УуэмыйсХ.Х. Износостойкость элементов измельчителей ударного действия. – М.: Машиностроение 1968. – 160 с.
ГутьярЕ.М. К объемной теории дробления Изв. Московской сельскохозяйственной академии им. Тимирязева. – 1981. – Вып. 4 – с.163-166.
Kraus. W. Grinding technique Chemise – Inginnes – Technique. – Vol. 36 № 10 P. 1053 – 1060.
Гийо Роже. Проблема измельчения материалов и ее развитие. – М.: Стройиздат 1964. – 225 с.
ПугинК.Г. Определение параметров и производительности роторных мельниц интенсифицирующего действия: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.16 МАДИ. – М.: 1994. – 28 с.
ОсокинВ.П. Молотковые мельницы. – М.: Энергия 1980. – 186 с.
БарскийМ.Д. Фракционирование порошков. – М.: Недра 1980. – 326 с.
СыроваткоВ.И. О движении материала измельчаемого на молотковой дробилке. Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. – 1964. - № 4. – с. 36 – 40.
КолобоваВ.В. Влияние вида и скорости диспергирования на технологические свойства порошков: Межвуз. сб. науч. тр. Ивановский хим. – технолог. ин. – т. – Иваново 1984. – с. 82 – 85.
ВиноградовВ.Н. СорокинГ.М. АлбагачиевА.Ю. Изнашивание при ударе. – М.: Машиностроение 1982. – 192 с.
ФадинЮ.М. Интенсификация процесса измельчения и расчет конструкторско-технологических параметров цементных мельниц с поперечно – продольным движением материала: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.17.11 МАДИ. – М. 1995. – 28 с.
ГлебовЛ.А. Интенсификация процесса измельчения сырья в производстве комбикормов. Диссер. докт. техн. наук. 05.18.12. – М.: МТИПП 1990. – 305 с.
ДемидовА.П. ЧирковС.Е. Измельчающие машины ударного действия. Обзорн. информ. 1969. – 70 с.
СоломаховаТ.С. ЧебышеваК.В. Центробежные вентиляторы. Справочник. – М.: Машиностроение 1980. – 175 с.
КлепковН.С. Расчет движения частиц топлива по размольной лопатке мельницы – вентилятора Труды ЦКТИ 1989 Вып. 253. – с. 71 – 76.
МихалевМ.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. – Ленинград 1984. – 534 с.

+Общий вид (A1).cdw

Частота вращения приводного вала
Мощность электродвигателя
Техническая характеристика