Обоснование и выбор параметров дробильно-измельчительного комплекса для углеродистого сырья на базе способа динамического самоизмельчения

Процессы дробления и измельчения материалов занимают важное место в различных отраслях производственной деятельности. Особенно важную роль дробление и измельчение играет в горно-рудной и угольной промышленности при обогащении полезных ископаемых, в цветной и черной металлургии при подготовке шихтовых материалов, при производстве электродов, в топливно-энергетическом комплексе, в производстве строительных и химических материалов. Дроблению и измельчению ежегодно подвергаются миллионы тонн материалов, потребляя при этом порядка 10% производимой в мире электроэнергии [1−3].

В связи с переходом на угольное топливо происходит непрерывный рост объемов обогащаемых углей. Процессы дробления и измельчения занимают значительное место в технологических схемах обогащения углей, их брикетирования, коксования, выпуска сортовых углей, переработке отходов гравитационного обогащения, окомкования рудного сырья.

Измельчение углей и на их основе углеродистых материалов является главной технологической операцией в производстве электродных, огнеупорных, электроугольных изделий, химически стойких и антифрикционных материалов, в теплоэнергетике, графитированных блоков и деталей для атомной энергетики, электродных масс для алюминиевой промышленности, подготовке угольного топлива в теплоэнергетике.

Роль угля в топливно-энергетическом комплексе России весьма существенна, так к 2020 г. его доля должна составить до 44%. Запасы нефти в России обеспечены на 20 лет, угля — на 500 лет. Почти половину мирового производства тепла и электроэнергии обеспечивает уголь. В топливно-энергетическом балансе США уголь составляет 56%, в Германии — 55%, в Китае — 70%, в Польше — 90% [4].

Широкая область использования углеродистых материалов определяет различные требования к гранулометрическому составу продуктов дробления и измельчения. Так, при окомковании рудного сырья требуется антрацит с размером зерен -3+0, при изготовлении анодной массы — 8+0, для сжигания углей в барабанных сушилках и трубчатых печах требуется тонкий помол.

Ежегодно миллионы тонн угля измельчаются в различных типах мельниц. Большое разнообразие применяемого дробильно-измельчительного оборудования объясняется различными физико-механическими характеристиками перерабатываемых углеродистых материалов. Все электродные и электроугольные материалы, а также ископаемые угли в основном содержат углерод. Значительное отличие физико-механических свойств углеродистых материалов объясняется величиной и группировкой отдельных кристаллов и особенностью кристаллической структуры. Процессы изготовления всех видов углеграфитовых изделий происходят в твердом состоянии из зернистых углеродистых материалов.

Существенное значение на качество продукции оказывает гранулометрический состав шихты, соотношение классов и вид углеродистых материалов [5, 6]. Учитывая отличия физико-механических свойств углеродистых материалов и требования к гранулометрическому составу для их дробления и измельчения, используют различные типы дробильно-размольного оборудования.

Практически все отделения подготовки зернистых материалов характеризуются громоздкостью, наличием большого количества дробильно-измельчительного, транспортирующего и просеивающего оборудования, и как следствие, высоким уровнем капитальных вложений и расходов на эксплуатацию.

Актуальность проблемы. Применяемое в настоящее время дробильно-измельчительное оборудование характеризуется значительным износом высококачественной стали, удельным расходом электроэнергии на тонну готовой продукции [7, 8]. В горно-рудной промышленности расходуется на измельчение около 40% от всей используемой энергии, при производстве углеграфитовых изделий — около 60%.

Учитывая низкий к.п.д. используемого в настоящее время дробильно-измельчительного оборудования (менее 1%), большие объемы перерабатываемых углеродистых материалов, усовершенствование существующего и разработка принципиально нового оборудования является актуальной проблемой.

Перспективным направлением в развитии измельчительной техники является совершенствование и создание мельниц, в основу которых положен принцип самоизмельчения. Мельницы самоизмельчения отличает отсутствие мелющих тел, значительное сокращение износа металла, более высокая удельная производительность [9−11].

Однако широко известные барабанные мельницы самоизмельчения не нашли применения в практике измельчения углеродистых материалов. Наибольший интерес представляет мельница принудительного самоизмельчения, разработанная в Днепропетровском горном институте (а. с. № 606 615, Крюков Д.К.), которая характеризуется преимущественно статическими нагрузками на разрушаемый материал.

Одним из современных направлений в технике измельчения материалов является разработанный в Северо-Кавказском горно-металлургическом институте способ динамического самоизмельчения и создаваемые на его основе мельницы динамического самоизмельчения типа МАЯ (мельница А. Ягупова), которые относятся к классу центробежных мельниц [12 — 16]. Отличительной особенностью мельниц МАЯ является интенсивное динамическое воздействие на разрушаемый материал, вызывающее его самоизмельчение.

Следует отметить высокую эффективность работы мельницы на углеродистых материалах. Это прежде всего в несколько раз меньший удельный расход электроэнергии, меньшая металлоемкость, незначительный расход металла по сравнению с шаровыми барабанными и молотковыми мельницами. К недостаткам мельниц динамического самоизмельчения следует отнести переизмельчение твердых материалов, невозможность регулировки крупности готового продукта и получения зерновых фракций.

Цель работы — обоснование и выбор параметров центробежных дробильно-измельчительных комплексов для углеродистого сырья на базе способа динамического самоизмельчения.

Идея работы — теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение эффективности применения дробильно-измельчительных машин на базе мельниц динамического самоизмельчения, сочетание в одной установке процессов дробления и измельчения.

Методы исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований на основании опыта промышленной эксплуатации мельницы динамического самоизмельчения МАЯ-К-10 и дробильно-измельчительной установки ДИУ-К-6.

Дан анализ литературных и патентных источников. Рассмотрены вопросы теоретического обоснования и выбора основных параметров сухого измельчения углеродистых материалов. Экспериментальные данные обработаны с использованием численных методов и ЭВМ. Лабораторные и промышленные испытания проводились по методике планирования экспериментов, с последующей обработкой на ЭВМ.

Научные положения, защищаемые в работе.

1. Скоростные режимы движения кусков материала в дробильно-измельчительных установках и мельницах МАЯ, реализующих способ динамического самоизмельчения, определяются соотношением вертикальной составляющей вектора центробежной силы, действующей на кусок, и вектором силы тяжести от столба материала. В зависимости от этого соотношения различают: режим без циркуляции в вертикальной плоскости, режим динамического самоизмельчения с циркуляцией материала в вертикальной плоскости и режим с критической частотой, при которой весь материал выбрасывается из ротора.

2. Граничные значения скоростных режимов определяются размерами установки, степенью заполнения корпуса измельчаемым материалом и его физико-механическими характеристиками: коэффициентом внутреннего трения, крупностью кусков, относительной влажностью.

3. Производительность установок по исходному углеродистому материалу преимущественно определяются типоразмером установки, величиной разгрузочной щели, скоростью ротора, измельчаемостью материала, его прочностными характеристиками. При этом для сухого помола углеродистого сырья относительная влажность не должна превышать 6%, а максимальная крупность кусков исходного материала не должна превосходить одной десятой диаметра ротора.

4. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что величина момента на валу ротора дробильно-измельчительных установок и мельницы МАЯ зависит от их типоразмера, скоростного режима, коэффициента внутреннего трения материала, прочности частицы, разрушаемой в полостях дробления кольцевого зазора, и носит монотонный возрастающий характер.

5. Зависимость энергоемкости измельчения от основных параметров процесса носит экстремальный характер с минимальными значениями, соответствующими началу режима динамического самоизмельчения.

7. Зерновые фракции углеродистого сырья целесообразно получать на дробильно-измельчительных установках, созданных на основе способа динамического самоизмельчения, а пылевые фракции — в мельницах МАЯ. При необходимости получения сложного гранулометрического состава целесообразно объединять эти машины в последовательную технологическую линию.

Научная новизна.

1. Выявлена закономерность скоростного режима с учетом параметров ротора, высоты слоя материалахарактеристик разрушаемого материалакоэффициента внутреннего трения, предела прочности и размера кусков, поступающих в установку.

2. Доказано что, оптимальный режим динамического самоизмельчения может быть реализован при давлении столба на чашу ротора в пределах от 4 до 6 кПа, влажности исходного материала до 6%, независимо от размера разгрузочной щели, крупности кусков исходного материала не более 0,1 диаметра ротора.

3. Экспериментально установлена зависимость производительности от площади разгрузочной щели, скорости ротора, крупности и прочности материала, типоразмера установки.

4. Разработана методика определения крутящего момента и мощности на валу ротора и их составляющих на основании силового взаимодействия материала, находящегося в роторе, над ротором, в камерах дробления кольцевой щели, с силовыми элементами дробильно-измельчительного комплекса.

Научное значение.

1. Выявленная зависимость скоростного режима от параметров ротора, высоты слоя материала, коэффициента внутреннего трения, предела прочности и размера кусков разрушаемого материала позволила определить оптимальную частоту вращения ротора, рационально использовать управляемые параметры для оптимизации процесса разрушения.

2. Установленные закономерности режима динамического самоизмельчения от давления столба материала на чашу, влажности и крупности исходного материала позволили определить диаметр ротора в зависимости от крупности разрушаемого материалавысоту корпуса ДНУ и МАЯ — в зависимости от вида разрушаемого материаларазмер разгрузочной щели — от предельного содержания влаги в исходном материале.

3. Полученная зависимость производительности от площади разгрузочной щели, скорости ротора, типоразмера установки, физико-механических характеристик разрушаемого материала позволила разработать методику расчета производительности как общей, так и по узкому классу крупности.

4. Выведенная зависимость момента на валу ротора позволила определить значение момента на преодоление силы трения между слоями материала, а также сопротивления от разрушения материала в полостях дробления и на сообщение материалу необходимой угловой скорости.

Практическое значение работы.

1. Определено оптимальное воздействие управляющих факторов на процесс разрушения материала в дробильно-измельчительном комплексе.

2. Разработана методика расчета и выбора основных технологических и конструктивных параметров в центробежных дробильно-измельчительных комплексах.

3. Разработаны рекомендации по защите от износа основных рабочих элементов ротора, статора, камер дробления.

4. Разработаны рабочие чертежи, а также изготовлены опытно-промышленные образцы МАЯ-К-10 и ДИУ-К-6 с последующим изготовлением опытной партии машин.

Реализация выводов и рекомендаций.

Разработан комплект конструкторской документации для изготовления опытно-промышленного образца мельницы динамического самоизмельчения МАЯ-К-10, который был реализован на Днепровском электродном заводе.

По результатам исследований и опытно-промышленной эксплуатации мельниц МАЯ-К-10 на углеродистых материалах разработана методика расчета основных технологических и конструктивных параметров мельницы, которая использована Днепропетровским заводом металлургического оборудования (ДЗМО) при проектировании и изготовлении опытной партии мельниц МАЯ-К-10.

Для получения зерновых фракций построена и прошла опытно-промышленную эксплуатацию дробильно-измельчительная установка ДИУ-К-6 на Садонском свинцово-цинковом комбинате.

Рекомендации по проектированию дробильно-измельчительной установки использованы АО «Агат» (ранее Георгиевский ремонтно-механический завод) при изготовлении промышленной партии мельниц центробежного типа.

Апробация работы.

Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, были доложены на ежегодных научно-технических конференциях и расширенных заседаниях кафедр технологических машин и оборудования, технологии разработки месторождений СКГМИ (ГТУ) (секция горной механики и технологических машин и оборудования) — на объединенном заседании механоремонтной и обогатительной секций технического совещания при главном механике Норильского горно-металлургического комбинатана заседании технического Совета Братского алюминиевого заводана Уральском семинаре «Механика и процессы управления» (Екатеринбург, 2001 г., Уральское отделение РАН).

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, приложений. Содержит 229 страниц текста, 53 таблицы, 55 рисунков.

Выводы:

Результаты промышленной эксплуатации дробильно-измельчительной установки ДИУ-К-6 показали:

1) высокую эффективность работы, особенно при использовании ее для получения зерновых фракций;

2) возможность легкого регулирования гранулометрического состава продукта мельницы за счет перемещения статора в вертикальной плоскости и изменение размера кольцевой щели;

3) стало возможным существенно упростить технологическую схему подготовки шихты (рис. 5.7, 5.8) углеродистых материалов.

4) для подготовки шихты широкого фракционного состава целесообразно использовать мельницу динамического самоизмельчения МАЯ-К-10 для тонкого помола, дробильно-измельчительную установку ДИУ-К-6 для получения зернистых фракций (-8- 0) (рис. 5.7).

Используя эффект разрушения материала в клиновой щели переменного сечения [83, 141−145] на больших скоростях, была разработана центробежная дробильно-измельчительная установка, патент Российской Федерации № 2 246 354. Установка состоит (рис. 5.9) из корпуса 1, в котором горизонтально расположен ротор с крестообразными билами 2, закрепленными консольно на валу 3 гайкой 4. Вал установлен в подшипниковых опорах 5. Разгрузочное устройство 8 имеет сменные сита 9. Загрузка материала производится из бункера 6. Подача материала регулируется шибером 7.

Мельница используется для разрушения хрупких материалов. Имеет показатели работы, близкие к показателям мельниц МАЯ и ДИУ (табл. 5.3).

Рис. 5.8. Технологическая схема подготовки шихты с использованием дробильно-измельчительной установки.

Рис. 5.9. Центробежная дробильно-измельчительная установка: I — зона захвата материалаII — зона дробленияIII — калибровочная зона.

5.7. Рекомендации по защите рабочих органов мельницы (МАЯ, ДИУ).

Как отмечалось в работах [82, 146 — 148] и подтверждено опытом промышленной эксплуатации мельниц типа МАЯ и ДИУ, основными быстроизнашиваемыми деталями являются:

— разгонные ребра чашеобразного ротора;

— элементы разгрузочной, калибровочной щели, верхнее кольцо и периферическая поверхность чаши;

— наклонная поверхность чашеобразного ротора;

— для центробежной мельницы — это камеры дробления, образованные регулировочным кольцом и верхней поверхностью чаши;

— лопасти статора, о которые ударяется вращающийся поток материала, выбрасываемый чашеобразным ротором.

Наибольшему износу подвержены разгонные ребра чашеобразного ротора. С целью продления срока службы мельницы защищены обе поверхности ребер (рис. 5.10 а). Сначала эксплуатируется одна сторона ребра, затем меняется направление вращения ротора и работает другая сторона ребра. Форма футеровки ребристая, позволяющая использовать эффект самофутеровки. Футеровка боковых поверхностей ребра — профилированные футеровочные пластины из карбида вольфрама, марганцовистой стали или каменного литья.

Верхняя кромка ребра футерована пластиной из карбида вольфрама.

Футеровка разгрузочной щели и камер дробления выполнена в виде секторов (рис. 5.10 б, в) из карбида вольфрама или марганцовистой стали.

Футеровка внутренней поверхности чаши выполнена в виде литых профилированных секторов из марганцовистой стали (рис. 5.10 г).

Защита ребер статора выполнена в виде профилированных футеровочных пластин (рис. 5.10 д) по аналогии с разгонными ребрами. А.

А-А.

— 6- -фш б.

— ф- -ф- -фд.

Рис. 5.10. Футеровка центробежных мельниц (МАЯ, ДИУ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненная диссертация является законченной научно-исследовательской работой, содержащей подробный анализ существующих дробильно-из-мельчительных машин, выбор направления исследования, теоретический анализ сущности динамического самоизмельчения, лабораторные и промышленные исследования процессов измельчения материала в центробежных дробиль-но-измельчительных установках. Использование мельниц типа МАЯ-К и дро-бильно-измельчительных установок ДИУ-К позволило существенно упростить технологическую схему подготовки зерновых фракций углеродистых материалов, снизить удельный расход энергии, сократить износ рабочих элементов мельницы, повысить удельную производительность.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Использование дробильно-измельчительных установок на базе мельниц динамического самоизмельчения для переработки углеродистых материалов является перспективным направлением развития измельчительной техники. Эффективность разрушения углеродистых материалов в установках МАЯ-К и ДИУ-К зависит от частоты вращения ротора, высоты столба материала над чашей и физико-механических свойств материала: крупности, влажности, предела прочности, коэффициента внутреннего трения. Режим динамического самоизмельчения реализуется при определенном соотношении сил, действующих на материал у периферии чаши.

2. Аналитически изучены скоростные режимы работы мельницы. Установлен характер движения материала как в чаше ротора, так и в кольцевом пространстве переменного профиля. Определен оптимальный скоростной режим с учетом прочностных характеристик материала. Установлена необходимая предельная скорость, при которой происходит разрушение частицы материала, выброшенной из чашеобразного ротора.

3. Теоретические и экспериментальные исследования позволили установить основные факторы, влияющие на крутящий момент мельницы. Получена математическая зависимость момента на валу, мощности от скоростного режима, прочности материала, коэффициента внутреннего трения, крупности исходного материала.

4. Установлен расход энергии на разрушение материала как в разгрузочной кольцевой щели, так и в активной зоне самоизмельчения. Установлены оптимальные режимы самоизмельчения. Определены параметры восходящих потоков из ротора мельницы и входящих потоков материала в центральной части ротора. Определена теоретически и подтверждена экспериментально зона разделения потоков. Это позволило рационально выбрать защиту рабочих поверхностей ротора от износа.

5. Дан анализ факторам, влияющим на производительность установок. Для каждого вида углеродистого материала определен коэффициент измельчаемости. Установлена зависимость производительности от крупности и влажности исходного материала, конструктивных параметров мельниц. Получена математическая зависимость для определения как общей производительности, так и по узкому классу крупности.

6. Установлена зависимость коэффициента измельчаемости углеродистых материалов в мельницах МАЯ и ДИУ в зависимости от их прочности.

7. Определена оптимальная высота столба материала над ротором в зависимости от типоразмера мельницы.

8. Учитывая значительное влияние коэффициента внутреннего трения на скоростной режим работы мельниц, на характер движения материала внутри мельницы и на расход энергии, определена зависимость коэффициента внутреннего трения от влажности и давления столба материала (внутреннего напряжения).

9. Рассмотрены процессы дробления «окатанных» частиц материала в кольцевой щели переменного профиля. Рассчитаны геометрические параметры камер дробления. Смоделирован процесс разрушения материала в камерах дробления по мере износа рабочих поверхностей. Определено давление потока материала, выбрасываемого из ротора на входную часть камер дробления. Рассчитано усилие дробления, момент на разрушение материала в кольцевой щели, мощность и производительность дробильно-измельчительной установки.

10. В результате исследований с использованием лабораторных установок МАЯ-К-3, МАЯ-К-4,6 разработаны: методика расчета основных энергетических, технологических и конструктивных параметров мельниц типа МАЯ и ДИУтехническая документация (включая рабочий проект) на экспериментальный образец опытно-промышленной мельницы с диаметрами ротора 1000 мм (МАЯ-К-10) и 600 мм (ДИУ-К-6). Промышленные испытания мельниц (в сравнении с барабанными) показали:

1. Снижение удельного расхода энергии в 2 + 3 раза.

2. Существенное сокращение удельного износа металла, в 5 — 7 раз.

3. Упрощение ремонтных работ и соответственное снижение затрат на них в 3,5 раза.

4. Сокращение занимаемой производственной площади в 2 раза.

5. Существенное упрощение технологической схемы по подготовке зерновых фракций углеродистых материалов. Практически сложная технологическая схема с использованием молотковых дробилок, шаровых барабанных мельниц, грохотов, конвейеров заменяется одной дробильно-измельчительной установкой ДИУ и в случае тонкого помола мельницей МАЯ, которые способны выдавать продукт нужного гранулометрического состава.

11. Разработанные рекомендации по обоснованию и выбору технологических и конструктивных параметров мельницы динамического самоизмельчения МАЯ и дробильно-измельчительной установки ДИУ внедрены на ДЭЗе (Днепровском электродном заводе), при создании опытной партии мельниц МАЯ-К-10 — на Днепропетровском заводе металлургического оборудования. На Садонском свинцово-цинковом комбинате прошли промышленные испытания и внедрена дробильно-измельчительная установка ДИУ-К-6. АО «Агат» (Георгиевский ре-монтно-механический завод) использовал разработки диссертационной работы для изготовления опытной партии дробильно-измельчительных комплексов на базе центробежных мельниц.