Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ исследований в области совершенствования помольного оборудования
1.1. Теоретические основы процесса сверхтонкого измельчения материалов 12-23
1.2. Анализ конструкций агрегатов для сверхтонкого помола
1.3. Анализ конструкции мельницы с поперечно деформируемой рабочей камерой
1.4. Выбор рациональной конструкции мельницы
1.5. Выводы
ГЛАВА 2. Аналитические исследования рабочего процесса и прочностных характеристик мельницы с продольно деформируемой рабочей камерой .
2.1 Кинематика и силовые параметры мельницы с продольно деформируемой рабочей камерой 30-39
2.1.1 Кинематика шаровой загрузки 30-33
2.1.2 Определение сил сопротивления, действующих на загрузку в рабочей камере 33-37
2.1.3 Расчет потребляемой мощности на перемещение загрузки 37-39
2.2 Прочностной расчет продольно деформируемой рабочей камеры
2.2.1 Моделирование напряженного состояния при осевом сжатии сфероидальной деформируемой рабочей камеры 39
2.2.2 Расчет на прочность и жесткость сфероидальной рабочей камеры 45
2.3 Расчет производительности агрегата 59-60
2.4 Выводы 60-61
ГЛАВА 3. Методика экспериментальных исследований процесса помола в мельнице с продольно деформируемой рабочей камерой .
3.1. Состав и содержание экспериментальных исследований 62-63
3.2. Методика проведения исследований, средства контроля и оборудование 63-71
3.3. План многофакторных экспериментальных исследований для определения эффективности процесса измельчения 71-75
3.4. Выводы 76
ГЛАВА 4. Исследование процесса измельчения в мельнице с продольно деформируемой рабочей камерой
4.1 Исследование процесса движения шаровой загрузки 77
4.2. Определение основных факторов, обработка экспериментов, проверка правильности выбора основных параметров мельницы 77-79
4.3. Оценочные испытания для проверки правильности выбора уровней варьирования основных факторов 79-84
4.4. Исследование влияния основных факторов на процесс измельчения в мельнице с продольно деформируемой рабочей камерой 85-103
4.4.1. Уравнения регрессии для помола песка и шунгита 85-87
4.4.2. Анализ влияния основных факторов на помол 87-91
4.5. Исследование влияния основных факторов на производительность мельницы 91 -94
4.6. Анализ выходных параметров мельницы 95-100
4.7. Исследование долговечности и рекомендации по конструированию деформируемого корпуса 100-103
4.8. Методика расчета конструкторско-технологических параметров мельницы с продольно деформируемой рабочей камерой 103-111
4.8.1. Расчет рабочего объема камеры и ее параметров 103-104
4.8.2. Расчет камеры на прочность 104-109
4.8.3. Расчет сил и мощности, затрачиваемой на помол 109-111
4.9. Выводы 111-113
ГЛАВА 5. Результаты практического использования.
5.1. Практическое применение мельницы с продольно деформируемой рабочей камерой при помоле шунгита 114-118
5.2. Расчет экономической эффективности 118-120
5.3. Выводы 120-121
Общие выводы 121-122
Литература 123-135
Приложения 136-157
- Анализ конструкции мельницы с поперечно деформируемой рабочей камерой
- Моделирование напряженного состояния при осевом сжатии сфероидальной деформируемой рабочей камеры
- План многофакторных экспериментальных исследований для определения эффективности процесса измельчения
- Исследование влияния основных факторов на процесс измельчения в мельнице с продольно деформируемой рабочей камерой
Анализ конструкции мельницы с поперечно деформируемой рабочей камерой
Процесс измельчения заключается в разрушении твердых тел последовательной серией механических воздействий. При этом на процесс влияют различные факторы, связанные со свойствами разрушаемого материала, параметрами применяемого измельчителя и др. Конечный результат измельчения зависит, главным образом, от затраченой энергии [16]. По мере накопления мелкой фракции, эффективность использования энергии снижается [17]: растет количество контактов между частицами, и при общей прежней нагрузке уменьшаются контактные силы, причем для пределов ниже разрушающих нагрузок, при этом увеличивается трение между частицами.
По мнению Г.С. Ходакова [18, 19] , С.Ф. Шинкоренко [20] и ряда других исследователей [21-26], основными факторами, влияющими на уровень потребления энергии в процессе сверхтонкого измельчения материалов, являются: крупность зерен (масштабный фактор); проявление пластических деформаций; трение тонких частиц материала; образование и разрушение агломератов.
Ими же установлено, что эффективность удара с ростом дисперсности частиц уменьшается вследствие увеличения затрат энергии на разрушение вторичных структур (агломераты), возникающих в порошке. Порошок достаточно высокой дисперсности по отношению к внешнему воздействию ведет себя подобно вязкой жидкости.
С увеличением удельной поверхности порошка число контактов в нем растет и, соответственно, повышается его сопротивление удару. В результате большая часть энергии ударной машины расходуется на преодоление сцепления между частицами, причем в заметно большей мере, чем при раздавливании и истирании. По этой причине можно считать, что раздавливание и истирание больше соответствуют физике сверхтонкого процесса измельчения.
Из-за этих факторов уровень затрат энергии, нарастающий по мере снижения крупности, практически не может быть постоянным. Отсюда следует теоретическое объяснение изменения относительной скорости измельчения материала с уменьшением крупности его частиц, которое проверяется на практике при проведении экспериментальных исследований [20-22, 27-30].
С уменьшением размера зерен пластические свойства материала проявляются все сильнее и в ряде случаев преобладают над хрупкими. Поэтому часто при измельчении не удается получить зерна размером ниже определенной величины. Так при измельчении частиц кварца, не превышающих 1-2 мкм, энергия затрачивается в основном на пластические деформации [29]. Измельчение таких частиц целесообразно осуществлять истиранием. Энергия, расходуемая на пластические деформации, в первом приближении, пропорциональна площади поверхности частиц.
Измельчению высокоскоростным нагружением свойственны некоторые особенности, которые в других случаях можно было не учитывать. К ним относится, прежде всего, изменение механических характеристик материала при высоких скоростях деформаций. При одинаковой величине относительных деформаций величина напряжений в деформируемом материале существенно растет с повышением скоростей нагружения [28, 30-32]. В деформируемых образцах наблюдаются явления упрочнения и отдыха. Поскольку в образцах, деформируемых с большой скоростью, процесс отдыха не успевает проявиться, то и упрочнение в этом случае наибольшее. Рост прочности приводит к увеличению энергоемкости процесса разрушения.
С другой стороны, уменьшение пластичности материалов при высокоскоростном нагружении вследствие высоких концентраций напряжений снижает работу деформирования и, следовательно, энергоемкость разрушения (особенно для высоко дисперсных частиц) [29]. Следовательно, на основании лишь данных по упрочнению и снижению пластичности твердых тел нельзя еще сделать вывод в пользу экономичности высокоскоростного или медленного нагружения. Большое практическое значение имеет явление усталости твердых тел, то есть понижение их обычной (статической) прочности под влиянием периодических нагружений и разгружений с довольно большой частотой [33]. Такие периодические воздействия "утомляют" материал, приводя к расшатыванию по наиболее слабым местам - опасным дефектам и к преждевременному хрупкому разрыву даже в пластичных материалах. Следует отметить, что в случае пластических деформаций малыми усилиями их действие будет возрастать, вследствие их остаточности. Характерным для прочности реальных твердых тел является также, так называемый, масштабный фактор, то есть зависимость прочности от размеров частицы - увеличение прочности с уменьшением размера частицы, начиная с долей миллиметра и до микрона. Это объясняется меньшей вероятностью встречи опасных дефектов [27-28].
Практический предел механического диспергирования составляет от 1 до 0,1 мкм. Дальнейшее измельчение должно сводиться к образованию новых дефектов в почти идеально прочных зернах и к их последующему развитию. Имеются [31, 32] данные, что предел измельчаемости для кварца - 1 мкм, для известняка - 3...5 мкм.
Моделирование напряженного состояния при осевом сжатии сфероидальной деформируемой рабочей камеры
Для получения продукта необходимого качества конструкция устройства должна обеспечивать соответствующий характер силового воздействия на исходный материал. При разработке нового оборудования, необходимо установить какими силовыми характеристиками машины можно добиться получения конечного продукта. Затем определить конструктивные особенности аппарата, с помощью которых можно реализовать это силовое воздействие.
Оценка эффективности использования оборудования применительно к конкретному технологическому процессу и обрабатываемым материалам требует проведения экспериментальных исследований с целью определения основных технологических и эксплуатационных характеристик исследуемых устройств.
В соответствии с целью работы и поставленными задачами экспериментальные исследования проводились в следующих направлениях: 1. Разработка и изготовление экспериментальной установки для изучения процесса помола в мельнице с продольно деформируемой рабочей камерой. 2. Выявление факторов влияющих на процессы, происходящие в исследуемых устройствах, определение основных. 3. Планирование эксперимента и наработка массива экспериментальных данных, необходимых для обоснования выбора построенных теоретических моделей для определения сил, действующих в системе и мощности, затрачиваемой на исследуемые процессы. 4. Определение рациональных параметров и режимов работы мельницы основанных на принципе изменения объема рабочей камеры, сопоставлением и корректировкой теоретических и экспериментальных данных. 5. Определение рациональных областей использования исследуемого аппарата и определение его технологической эффективности по переработке материалов с различными физико-механическими свойствами. 6. Исследование износостойкости деформируемой рабочей камеры. На первом этапе необходимо провести оценочные испытания при различных комбинациях параметров, для сопоставления теоретических и экспериментальных данных и определения основных факторов, влияющих на процесс помола, и выбора интервалов их варьирования. На втором этапе провести экспериментальные исследования по измельчению песка и шунгита, применяя многофакторное планирование. Порядок проведения лабораторных и экспериментальных исследований процесса измельчения песка и шунгита в мельнице с продольно деформируемой рабочей камерой представлено в виде алгоритма на рис. 3.1. Результаты обрабатывались методами математической статистики. В работе использовался комплексный метод исследований [107-115], включающий системный анализ; математическое, физическое моделирование; методы математической статистики и использование вычислительной техники. Экспериментальное изучение процесса измельчения в мельнице с продольно деформируемой рабочей камерой требует оборудования. Отвечающего следующим условиям: - экспериментальная установка должна обеспечивать возможность изменения исследуемых параметров и режимов работы мельницы в заданных пределах; - конструкция стенда и точность измерений контрольно-измерительной аппаратуры должна соответствовать требованиям, предъявляемым к условиям и чистоте экспериментов. Экспериментальные исследования проводились с использованием стендовой установки, в лабораторных условиях и в условиях, действующего производства. При исследовании характера движения загрузки использовался экспериментальный стенд (рис. 3.2.) с прозрачной рабочей камерой. Характер перемещения загрузки был определен поэтапным фотографированием. Так же в лабораторных исследованиях использовалось 2 типа рабочих камер с размерами: длина - 180 мм, диаметр - 100 мм (рис.3.3, а); длина - 140 мм, диаметр - 130 мм (рис.3.3, б). В качестве основных объектов исследований выбрали кварцевый песок с размером частиц 1,5 мм [16, 17], как эталонный материал и шунгит -графитосодержащий минерал [13-15]. Исходные параметры измельчаемого материала и качество готового продукта, получаемого в ходе экспериментов, контролировалось по их дисперсному составу, который определялся сидементационным методом и среднему размеру частиц, который определялся микрометрическим методом. Для навески проб использовались весы лабораторные равноплечевые 4-го класса точности, весы аналитические ВЛР-200 2-М 2-го класса точности по ГОСТ 24104-80; весы РН-10Ц13 ГОСТ 7327-55. Для сушки исходных материалов применялся сушильный шкаф №3 (температура регулирования от +10С до +1000С с точностью ±3%). а) Исследование проб измельченного материала производилось на металлографическом микроскопе МИМ - 8, для определения времени агрегирования и формы полученных частиц и агрегатов (Микроскоп металлографический горизонтальный, производство ЛОМО). Увеличение: при визуальном наблюдении - от 100х до 1350х с иммерсией 2000х; при фотографировании - от 45х до 2000х. Эксперименты проводились на стенде (рис. 3.4.), в основе которого был заложен модульный принцип, то есть основа стенда остается неизменной, а производится замена отдельных модулей. Это позволило упростить постановку опытов и проводить их на единой основе по неизменной методике.
Он состоит из станины, на которой установлены все основные узлы. Рабочая камера одной стороной закрепляется задней опоре, которая в зависимости от длины рабочей камеры может перемещаться по станине. Вторая сторона опирается на цапфу толкателя механизма возвратно-поступательного движения, представляющий собой кулачковый механизм. Он в свою очередь получает вращение посредством привода, обеспечивающего бесступенчатое регулирование частоты вращения.
Экспериментальная модель в сборе представлены на рис. 3.3, и рис. 3.5 (два варианта привода мельницы). Мельница представляет собой неподвижный горизонтально расположенный корпус сфероидальной формы, наполненный мелющими телами. С одной стороны рабочая камера закреплена жестко, а с другой крепится к толкателю, что дает возможность ей совершать возвратно-поступательные движения вдоль своей продольной оси. В первом варианте привода (рис. 3.5, а-б) движение толкателю передается тягой, установленной в двух опорах скольжения, для снижения приведенного коэффициента трения. К тяге консольно крепится роликовый башмак, который контактирует с профильной поверхностью цилиндрического геометрически замкнутого кулачка. Камера имеет загрузочное выгрузочное отверстие.
План многофакторных экспериментальных исследований для определения эффективности процесса измельчения
Были проведены предварительные оценочные испытания. Опытным путем установлено, что процесс измельчения происходит тем интенсивней, чем больше коэффициент деформирования рабочей камеры.
При этом, степень деформирования рабочей камеры зависит от величины хода толкателя, который, в свою очередь, зависит от соотношения длины камеры к ее максимальному диаметру {LID) (рис. 4.2). Когда длина и максимальный диаметр равны по значению, камера приобретает форму близкую к шарообразной, имея при этом максимальный объем и минимальный ход толкателя. Это снизит интенсивность перемещения мелющих тел. Если соотношение длины и максимального диаметра равны 3, то корпус по форме приближается к форме трубы, при этом он будет терять устойчивость на осевое сжатие, следовательно, наиболее целесообразно принять соотношение LID-2, соотношение длинны к радиусу кривизны при этом равно 1 (LIRc=l) или (рис. 4.2.) L/D = 1,8-2,2.
Отрицательное значение хода толкателя показывает, что камеру можно деформировать растяжением и сжатием (положительное значение хода толкателя). При исследовании характера движения загрузки (на модели с прозрачной камерой), было установлено, что максимально возможная деформация корпуса составляет 25% от первоначальной длины. При определении рационального коэффициента деформации учитывалось, то, что при его росте увеличивается объем камеры, вследствие чего возникают пустоты, а значит и ударные воздействия на материал. При 25%-ом деформировании объем камеры возрастает на 7%, поэтому коэффициент заполнения корпуса мелющими телами приняли 107%. Только при таком коэффициенте заполнения можно реализовать истирающе-раздавливающие воздействия на частицы материала. Выявлены зависимости среднего размера частиц готового продукта от коэффициента заполнения корпуса мелющими телами (рис. 4.3.). При увеличении коэффициента загрузки свыше 110% тонина помола несколько уменьшается, но его дальнейшее увеличение приведет к интенсивному износу корпуса. При измельчении и песка, и шунгита тонина помола при уменьшении коэффициента загрузки материалом межшарового пространства К3 уменьшается (рис. 4.3, кривая 1, 3). Но при малом коэффициенте заполнения корпуса мелющими телами Кш при помоле песка тонина помола уменьшается при большей загрузки материала (рис. 4.3, кривая 2). При загрузке мельницы объем измельчаемого материала не должен превышать объема пространства между мелющими телами (шарами), который составляет 1/3 от объема всей рабочей камеры (установлено экспериментально и теоретически) [127-129]. Исследование влияния размера мелющих тел на размер частиц готового продукта (рис. 4.4.) производились шарами размером 5, 8, 10, 12, 20 мм при 500 циклов в минуту толкателя и коэффициенте загрузки межшарового пространства материалом 0,5; 1. Эксперименты показали, что при помоле песка наилучший результат {йфр-1,1 мкм) был получен при коэффициенте загрузки К3=0,5 (рис. 4.4, кривая 1) и размере шаров dM=12 мм. При измельчении шунгита наименьший размер частиц (с1фр=0,8 мкм) был получен при коэффициенте загрузки К3=0,5 и размере мелющих тел dm=8 мм. Данные результаты можно объяснить тем что: 1. Известно [71], чем больше разность размера мелющих тел и частиц материала, тем больше скорость проскальзывания, а значит и процесс истирания, т.к. песок аброзивный материал, следовательно, использование мелющих тел большего размера дает лучше результат при помоле (с1ш=12мм). Но дальнейшее увеличение размера шаров резко снижает количество точечных контактов и эффективность помола снижается . 2. Шунгит, как графитосодержащий материал обладает антифрикционными свойствами, что дает возможность шарам лучше проскальзывать относительно друг друга, и поэтому меньший размер мелющих тел увеличивает количество точечных контактов. Размер частиц шунгита до помола равен 1-1,5 мм, а по теории упаковки [127-129] он должен быть меньше размера мелющих тел в 4 раза, поэтому дальнейшее уменьшение размера мелющих тел увеличит размер частиц готового продукта. Одним из технологических параметров, влияющих на процесс измельчения, является время помола, причем оно неодинаково для различных материалов. Определение влияния времени помола производилось при 500 и 800 циклов/мин толкателя; коэффициенте заполнения материалом 0,5; а размер мелющих тел для песка - 12 мм, а для шунгита - 8 мм (на основании предыдущих опытов) (рис.4.5.).
Исследование влияния основных факторов на процесс измельчения в мельнице с продольно деформируемой рабочей камерой
В последнее десятилетие производство конструкционных материалов на основе углерода получило широкое развитие. Жесткие требования, предъявляемые к искусственным углеродным материалам различными отраслями машиностроения, переросли возможности их использования и стимулировали поиск новых композиционных материалов на основе углерода. Создание композиций решает задачу получения материалов с заданным комплексом свойств. Углерод ценен, как стойкий материал к высоким температурам, химически инертен, но обладает рядом недостатков: хрупкость, низкая ударная прочность, а основное сырье элементарный и серебристый графит дефицитное и дорогостоящее сырье [13].
В этой связи значительный интерес представляет шунгит-некристаллическая форма природного углерода, представляющая собой различные сочетания четырех компонентов: шунгитового углерода, кварца, алюмосиликатов (слюд и плагиоклазов) и хлоридов различной гранулометрии. В Восточном Казахстане выявлены перспективные месторождения шунгитовых пород [13]. Этот новый вид углеродистого сырья, обладает рядом специфических, а порой и уникальных свойств [14]. Его можно использовать как заменитель кокса, при производстве фосфора, литейного чугуна, цветных металлов. Может использоваться в производстве электропроводных строительных материалов. Высокая химическая стойкость, термостойкость (при термической обработке до 2800С шунгит не графитируется) [135], водо- и газонепроводимость являются предпосылками в использовании шунгита в производстве антикоррозионных составов в виде порошкообразных и лакокрасочных смесей. Так же шунгитные породы можно использовать для производства сверхтвердых материалов, пигмента для черной краски, как адсорбента в качестве облицовочных материалов. Он является эффективным наполнителем противопригарных красок.
Большая часть [136] областей применения предполагает использование шунгита в виде высоко дисперсных порошков.
Для шунгитных пород характерно увеличение модуля Юнга, сдвига и всестороннего сжатия с увеличением плотности пород, сжимаемость при этом уменьшается. Отличительной особенностью рассматриваемого материала является обратимая деформация (при нагрузке меньше критической), которая характеризуется четко выраженными релаксационными зависимостями. Пониженный модуль упругости высокоуглеродистых шунгитовых пород делает привлекательным наполнителем специальных конструкционных строительных материалов, способных понизить жесткость, а большее сопротивление удару по сравнению с графитными материалами, предопределяет их большую ударную прочность в условиях сложного нагружения [14].
Испытания показали, что разрушение при сжатии идет лавинообразно по трещине или включению. Послойное разрушение происходит постепенным перераспределением нагрузки внутри материала, что приводит к последовательному включению новых концентраторов напряжений [79]. Прочность шунгитовых пород на сдвиг при растяжении равна 57,2 МПа, максимальная сжимаемость 1,06-10"14 м2/Н, предел прочности на сдвиг при кручении 28,7 МПа, на растяжение 120 МПа; твердость по шкале Мооса колеблется от 3,5 до 4,5 единицы [14].
Шунгитовые породы в измельченном виде перспективны в качестве наполнителей полимерных композиционных материалов (конструкционные материалы, эмали, лаки, краски и т.д.) [137]. В связи с этим предъявляются определенные требования к гранулометрическому составу и форме частиц порошков, поскольку дисперсность и плотность упаковки частиц влияет на физико-механические свойства готового продукта. Абсолютная наименьшая плотность упаковки частиц наполнителя получается в случае, частиц наименьших размеров, обладающих повышенной удельной поверхностью и требующая большое количество жидкого связующего для их смачивания и распределения в нем [137].
Для выполнения этих условий для каждого материала необходимо подобрать наиболее рациональный характер воздействия, а, следовательно, и измельчительное устройство. Небольшой предел прочности на сдвиг при кручении шунгитовых пород указывает на то, что наиболее рациональный метод воздействия на частицы - истирающие, причем при увеличении количества точечных контактов, помол интенсифицируется. А предлагаемый вид нагружения дает возможность "исправить" форму частиц готового продукта, т.к. при использовании ударного воздействия частицы приобретают пластинчатую, шестоватую или слюдистую структуру, что характерно для шунгитовых пород.
В известных в Республике Казахстан месторождениях шунгитов углеродосодержащие минералы находятся в тонком срастании с нерудными материалами в частности с полевыми шпатами минимальный размер сростка около 74 мкм. Проблема отделения (обогащение) чистого шунгита от полевых шпатов стоит очень остро, используемые другие способы измельчения не позволяют отделить свободные зерна шунгита.
При помоле шунгита в струйной мельнице (при давлении 4,2 кг/см ) получен продукт с максимальным содержанием частиц 2-4 мкм, а в мельнице с поперечно деформируемой рабочей камерой при частоте вращения водила 400 об/мин, времени помола 6 мин получен готовый продукт с размером частиц 1-3 мкм анизотропной формы близкую к кристаллическому графиту (пластинчатую) [13]. При этом происходит измельчение как шунгита, так и частиц полевого шпата.
В связи с технологическими особенностями мельницы с продольно деформируемой рабочей камерой в процессе помола шунгиты освобождаются (обогащаются) от находящихся с ними в сростках полевыми шпатами, при этом шунгиты имеют размер частиц менее 1,5 мкм, а нерудные порядка 60 мкм и более, что дает возможность разделить шунгиты и нерудные [138, 139]. При помоле наблюдается увеличение объема измельченного материала до 25% в зависимости от тонины помола и коэффициента загрузки материалом, а именно при числе циклов толкателя в минуту равном 500 и размера мелющих тел 8 мм, что косвенно указывает на приобретение частицами округлой формы.
Помол производился в устройстве с размерами рабочей камеры: длина -0,27м, максимальный диаметр - 0,15м, радиус кривизны - 0,27м, необходимое количество шунгита до 10 т в год.
В настоящее время в качестве наполнителя в антипригарных красках используется графит, закупаемый за пределами Республики Казахстан. Выполненные во ВНИИцветмет (Восточный научно-исследовательский институт цветных металлов) исследования (Приложение 5) и разработанная технология с использованием мельницы с продольно деформируемой рабочей камерой позволили заменить импортную продукцию (графит) отечественной - шунгитом.
Форма частиц и сорбционная способность шунгита после помола в названном устройстве позволяет получить в смеси с растворителями гелеподобные самовысыхающие суспензии, в которых твердая фаза составляет 3/4 от общего объема, а жидкая 1/4. Эта суспензия благодаря электрофизическим свойствам шунгита сохраняется в течение длительного времени, исчисляемого месяцами. Благодаря данным характеристикам гель может использоваться как антипригарная краска, а также как пигмент для черной краски.
