Определение основных параметров струйной мельницы

Введение 

       В цементной промышленности для мокрого  помола сырьевых материалов преимущественно используют трубные шаровые мельницы.

       Применение  мельниц этого типа объясняется  тем, что они имеют высокую  часовую производительность и обладают достаточно простой конструкцией, обеспечивающей их высокую надёжность. Наиболее распространённой схемой мокрого помола сырьевой смеси является схема открытого цикла, так как она является более надёжной при переработке больших масс сырьевых материалов. При использовании открытого цикла измельчения, весь размалываемый материал при прохождении через мельницу измельчается до заданной тонкости и выходит в виде готового продукта. Однако при помоле сырьевых материалов содержащих трудно размалывающиеся включения (песок, галька и т.п.) одного цикла измельчения недостаточно, так как происходит их недоизмельчение. В результате снижается качество получаемого сырья и в конечном итоге снижает качество получаемого цемента. Этот недостаток устраняется с использованием замкнутого цикла помола, но это требует установку дополнительного оборудования (гидроциклоны, грохоты), что ведёт к значительному увеличению капитальных и эксплутационных затрат.

       В настоящее время одним из направлений  совершенствования барабанных мельниц является создание разнообразных внутримельничных устройств обеспечивающих увеличение технико-экономических показателей мельниц. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Обоснование работы

 

- Математическое описание процесса разрушения несущественно анизотропных частиц материала, позволяющее рассчитать критическую скорость разрушения в зависимости от характеристик взаимодействующих объектов;

- эмпирическое  выражение для определения критического  количества соударений, необходимого для разрушения частиц цементного клинкера, в зависимости от их размеров, температуры, скорости взаимодействия с другими

объектами;

- математическое  описание процесса классификации  частиц материала, позволяющее  рассчитать вероятность их прохождения  через отверстия плоской

и колосниковой просеивающих поверхностей предлагаемой конструкции энергообменного внутримельничного классифицирующего устройства в зависимости от геометрических характеристик просеивающих поверхностей,

размера и  скорости частицы материала;

- математические  выражения в виде уравнений  регрессии для расчета основных  конструктивно-технологических параметров шаровых барабанных мельниц грубого помола с ЭВКУ и тонкого помола технологической системы двухстадийного открытого цикла измельчения материала. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Конструкция трубной  шаровой мельницы

       Предлагается внутримельничное рециркуляционное устройство, которое обеспечит рециркуляцию измельчаемого сырья, что приведёт к повышению эффективности процесса помола и качества получаемого сырья. На рисунке 1 изображён чертёж трубной многокамерной мельницы с внутримельничным рециркуляционным устройством. Мельница состоит из  корпуса 1, торцевых крышек 2 с цапфами 3, опорных подшипников 4 и привода (на чертеже не показан). Корпус мельницы разделен межкамерной перегородкой 5 на камеру 6 грубого помола и камеру 7 тонкого помола. 

       Рис.1. Схема трубной шаровой мельницы с рециркуляционным

       устройством (продольный разрез) 

       Камера 7 оборудована выходной решеткой 8 с  разгрузочным механизмом 9. Обе камеры офутерованы и частично заполнены свободно расположенными мелющими телами (на рисунке не показаны). В камере тонкого помола мельницы на расстоянии L = 0,2 D от выходной решетки, где D – внутренний диаметр барабана 1, установлено рециркуляционное устройство. Оно состоит из  внутреннего 11 и внешнего 10 усечённых конусов, концентрически вставленных один в другой. Внутренний конус представляет собой каркас в форме усечённого конуса с установленными решетами, согнутыми по конической поверхности. Внешний конус представляет толстостенную  коническую трубу. Корпуса конусов расположены концентрично с корпусом мельницы и жестко закреплены к нему. Крепление осуществляется с одной стороны при помощи трех опорных стоек 12, расположенных в одном поперечном сечении под углом 120°относительно друг друга, а с другой – при помощи трех загрузочных труб 13. Трубы расположены в трех поперечных сечениях на расстоянии 1; 1,5; и 2 м от разгрузочной решетки, и повернуты относительно друг друга также на 120°. Каждая труба 13 в части возле футеровки имеет прямоугольный вырез, оборудованный решеткой 14. По обе стороны от решетки установлены сегменты, которые препятствуют свободному проникновению загрузки во внутрь загрузочной трубы минуя решетку. Другая сторона трубы 13 запущена во внутрь корпуса конуса 11.

       Заполнение  барабана мельницы мелющими телами и измельчаемым материалом составляет 33 – 35 % его объема.

       Трубная мельница с рециркуляционным устройством  работает следующим образом.

       Измельчаемый  материал подается через загрузочную  цапфу 3 в камеру 6 грубого помола При вращении барабана 1 ( рисунок 1) в направлении V он продвигается в направлении S. Измельченный до некоторой промежуточной тонкости материал проходит через щели в межкамерной перегородке 5 и попадает в камеру 7 тонкого помола. На расстоянии 1 – 2 м от разгрузочной решетки часть материала загребается загрузочными трубами. Попадание в трубы мелющих тел ограничено решеткой. При вращении рециркуляционнного устройства материал, попавший в загрузочные трубы, перемещается по ним от корпуса мельницы в корпус конуса 11, ссыпается в него и начинает под действием конусности барабана скользить по просеивающей поверхности в направлении противоположном направлению продвижения материала в мельнице. Просеявшийся материал вместе с водой попадает на внутреннюю поверхность конуса 10 и соскальзывает в направлении движения материала в мельнице, а достигнув его края сливается в камеру тонкого помола в близи от выходной решетки. Материал, не подвергшийся процессу просеивания в конусе 11 возвращается назад в камеру тонкого помола на доизмельчение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Расчет  параметров

 

       Во  второй главе представлено математическое описание процесса разрушения одиночных частиц материала в форме шара при различных видах воздействий. Данное описание основывается на законах физики и теориях разрушения А.А.Гриффитса, Г.Р.Герца и Г.С.Ходакова. В зависимости от характеристик рассматривались измельчаемые частицы материала с несущественной анизотропией физических свойств, для которых коэффициент анизотропии находится в диапазоне от 0,7 до 1,6, например, известняк и мел, и существенно анизотропные частицы, у которых коэффициент анизотропии больше 1,6 либо меньше 0,7, например, частицы цементного клинкера. Для перехода к рассмотрению совокупности частиц материала в шаровой барабанной мельнице с использованием математического описания процесса разрушения одиночной частицы в дальнейшем применяется программная реализация численных расчетов основных процессов, протекающих в ШБМ при её оснащении ЭВКУ и без устройства.

       На  основании второго закона Ньютона  и зависимости, определяющей тензор напряжений в разрушаемом теле, для несущественно анизотропных частиц материала после введения трёхмерной декартовой системы координат (рис. 2) с центром в точке взаимодействия тел, осью OY, направленной к центру разрушаемой частицы, осями OX и OZ, направленными по касательным к поверхности шаровой частицы, было получено следующее выражение по определению критической скорости разрушения одиночной частицы материала: 

где А_ВЗ - площадь контакта при взаимодействии тел; x - расстояние от начальной точки взаимодействия тел до равновесной

трещины в измельчаемом теле;

σi - компоненты тензора напряжений в разрушаемом теле,

  m₂ – масса воздействующего тела.

Рисунок 2. Схема  расположения системы координат  относительно измельчаемого тела 

       На  основании работ Г.Либовица, А.А.Гриффитса и Г.П.Черепанова

были получены выражения  для определения компонент главной  диагонали

тензора критического напряжения в следующем виде:

где μ - постоянная Ламе,  ν₁ - коэффициент Пуассона для измельчаемого материала, Е1 –модуль Юнга разрушаемого тела, LБ – длина эллиптической

трещины в  бесконечно большом теле, aе0 – среднее межатомное расстояние.

       Выражения (2) получены из теории А.А.Гриффитса  для разрушения бесконечно больших тел. При измельчении в реальных установках необходимо учитывать конечные размеры тела. На основании работ Г.С.Ходакова нами установлена связь между длиной трещины в бесконечно больших телах LБ и в телах с конечными размерами LK: 

где R1 – радиус измельчаемой шаровой частицы.

       Под LK понимается длина равновесной трещины, которая определяется в результате взаимодействия тел, механизм которого рассмотрен в рамках волновой теории, согласно которой в результате взаимодействия мелющего тела с частицей материала в последней возникают возбуждения, которые удобно описывать, используя метод квазичастиц.

       Площадь контакта AВЗ при взаимодействии сферических тел и макси-

мальный размер деформации для каждого из взаимодействующих  тел l1 и l2

определяются согласно теории Г.Р.Герца.

       Длину трещины в измельчаемом теле определим  следующим образом: 

       

 

где σ2Bmax – максимальное значение напряжения, создаваемого внешней силой (определяется из теории Г.Р.Герца); k – постоянная Больцмана; Т -   температура тела в Кельвинах; γМ – поверхностное натяжение материала.

       Установлено, что процесс разрушения зависит  от многих факторов, основными из которых  являются характеристики измельчаемых частиц материала (масса, прочностные и упругие свойства, плотность, атомный вес, температура), их размеры и скорость взаимодействия с другими объектами. В работе рассмотрены случаи взаимодействия частицы материала с мелющим телом (рис.3), двух частиц материала и частицы материала с внутримельничными устройствами (рис.4). Разработанное математическое описание позволяет рассчитать условие, при котором частица материала будет разрушена при взаимодействии с другими объектами, присутствующими в камере шаровой барабанной мельницы.

       В работе приводится анализ полученных выражений по определению

критической скорости разрушения. На основе результатов  физических экс-

периментов  по критерию Фишера установлена адекватность предлагаемого

математического описания процесса разрушения частицы материала. 

Рассмотрен  процесс классификации частицы  материала на двух типах

просеивающих поверхностей энергообменного внутримельничного  клас-

сифицирующего устройства. Первый тип представляет собой многогран-

ную замкнутую поверхность, осью симметрии которой является продоль-

ная ось мельницы. Грани замкнутой поверхности  параллельны продольной

оси мельницы и имеют  отверстия прямоугольной формы (частный  случай –

квадратные отверстия) или же эллипсной (частный случай – круглые от-

верстия). Второй тип  классифицирующей поверхности представляет собой

колосники, расположенные  вдоль камеры мельницы параллельно  продоль-

ной оси мельницы, равноудалённые от неё и расположенные  по отношению

друг к другу  с одинаковыми зазорами.

Входными параметрами  для математического описания процесса

классификации служат диаметр частицы d1 и вектор скорости движения

частицы материала  v; геометрические характеристики классифицирующих поверхностей, к которым относятся: b - ширина прямоугольного отверстия

или длина малой  оси эллипсного отверстия в зависимости  от типа отвер-

стия; l - длина прямоугольного отверстия или длина большой оси эллипс-

ного отверстия  в зависимости от типа отверстия; длина L и ширина B эле-