Введение к работе
Актуальность работы. В России одним из национальных проектов является строительство доступного жилья, основой для которого является строительный материал - цемент. В 90-е годы XX в. производство его снизилось до 26 млн. т. в год. После этого началось возрождение цементной промышленности, и в настоящее время потребность в нем составляет не менее 100 млн. т. каждый год.
Основной технологической операцией при производстве цемента является помол клинкера и добавок, который в нашей стране осуществляется в трубных шаровых мельницах, получивших широкое распространение вследствие простоты конструкции и обслуживания, а также в относительно низкой их стоимости. Недостатки их известны - это большой удельный расход электроэнергии, мелющих тел и футеровки, сложность в управлении процессом измельчения и получении высокомарочных цементов. Данные мельницы снижают и без того низкую эффективность производства цемента на изношенном более чем на 50 % ныне действующем оборудовании.
Основная проблема современной технологии производства цемента - оптимизация дисперсных характеристик цемента, позволяющая повышать энергетическую эффективность процесса помола клинкера и добавок относительно активности и других технологических свойств цемента.
Одним из действенных способов повышения качества получаемого цемента и эффективности всего цементного производства в целом является перевод существующих шаровых мельниц в замкнутый цикл измельчения.
Наметившееся в России строительство новых цементных заводов основывается в основном на строительстве помольных комплексов, как правило, на базе шаровых мельниц. Однако несистематизированные и обрывочные сведения об эксплуатации шаровых мельниц замкнутого цикла ставят ряд вопросов перед исследователями и эксплуатационщиками данных измельчителей.
В связи с этим актуальной задачей является использование более эффективных и экономичных способов измельчения в шаровых мельницах замкнутого цикла на основе новых конструктивных и технологических решений, разработка научных и методологических основ их расчета и проектирования.
Работа выполняется в рамках одного из основных научных направлений Белгородского государственного технологического университета
«Теоретические основы создания энергосберегающих процессов тонкого измельчения материалов строительного производства».
Цель работы заключается в разработка научных основ и методов создания технологических систем помола цемента на основе шаровых мельниц замкнутого цикла, обеспечивающих повышение производительности, снижение удельного расхода электроэнергии и повышение качества конечного продукта за счет управления процессом формирования зернового состава готового продукта.
Методология и методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований автором изучены и обобщены результаты существующих научных разработок в области техники и технологии тонкого помола.
При разработке и исследовании шаровых мельниц замкнутого цикла использовался системный подход к изучению и описанию основных значимых факторов, влияющих на исследуемые параметры. С этой целью были использованы теории подобия и анализа размерностей, методы физического и математического моделирования, математическая статистика, современные компьютерные технологии.
Исследования проводились с использованием комплекса стендовых лабораторных установок и в условиях действующих производств, где проверялись теоретические положения работы, на основе чего определялись рациональные конструктивные параметры мельниц и режимы измельчения.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена принятием в основу исследований объективно существующих математических, физических законов и закономерностей и подтверждается: использованием математических методов планирования экспериментальных исследований и статистических методов обработки результатов; применением измерительных приборов высокой точности и лазерной гранулометрии; достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; положительным опытом внедрения полученных результатов, а также всесторонней апробацией.
Научная новизна работы заключается в разработке: методик расчета производительности и мощности, потребляемой приводом шаровых мельниц замкнутого цикла; математических моделей определения параметров кинетики процесса измельчения цементного клинкера в шаровых мельницах замкнутого цикла; математических моделей сепарации продуктов помола с учетом турбулентной диффузии частиц; матричных моделей преобразования зернового состава материала в элементах системы замкнутого цикла; аналитических соотношений
для определения дисперсных характеристик сепарированных цементов; дискретных математических моделей в виде уравнений регрессии, позволяющих получать рациональные конструктивные, технологические и энергетические параметры шаровых мельниц замкнутого цикла; в создании патентно-чистых конструкций внутримельничных энергообменных и классифицирующих устройств, новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами СССР, патентами на изобретение и полезную модель РФ.
Автор защищает следующие основные положения:
1. Методологию расчета и проектирования шаровых мельниц замк
нутого цикла помола включающую:
математическую модель расчета производительности шаровых мельниц замкнутого цикла, учитывающую конструктивно-технологические параметры системы замкнутого цикла и свойства измельчаемого материала;
математическую модель расчета величины мощности потребляемой шаровой мельницей, оснащенной наклонной межкамерной перегородкой, позволяющую определять ее энергосиловые параметры при различных углах поворота барабана мельницы;
математическую модель кинетики процесса помола клинкера и добавок в шаровых мельницах замкнутого цикла, учитывающую как конструктивно-техно логические параметры их работы, так и дисперсные характеристики измельчаемого материала.
-
Теоретическую модель процесса разделения продуктов помола с учетом турбулентности потока сепарационного воздуха, учитывающую как диффузию частиц, так и конструктивно-техно логические параметры применяемых сепараторов.
-
Матричные модели преобразования гранулометрического состава измельчаемого материала в основных типах технологических схем помола замкнутого цикла, позволяющие прогнозировать производительность помольного агрегата и зерновой состав готового продукта.
-
Аналитические соотношения для определения в матричном виде дисперсных характеристик сепарированных цементов, отражающих изменение зернового состава готового продукта от величины удельной поверхности порошка.
-
Дискретные математические модели в виде эмпирических уравнений регрессий, позволяющие осуществить оптимизацию конструктивных, технологических и энергетических параметров шаровых мельниц замкнутого цикла помола.
6. Практические результаты экспериментальных исследований,
проведенных на лабораторных установках и в условиях действующих
производств, позволяющие уточнять рациональные конструктивно-технологические параметры систем замкнутого цикла помола на базе шаровых мельниц, а также влияние этих параметров на дисперсные характеристики получаемых порошков.
7. Патентно-чистые конструкции внутримельничных энергообменных и классифицирующих устройств шаровых мельниц, способа измельчения, обеспечивающих повышение производительности, снижение удельного расхода энергии и повышение качества конечного продукта за счет управления процессом его формирования.
Практическая ценность работы. Разработаны инженерная методика расчета и соответствующее программное обеспечение расчета технологических и энергетических параметров работы шаровых мельниц замкнутого цикла. Созданы конструкции внутримельничных устройств, способ измельчения, позволяющие повышать производительность шаровых мельниц, снижать удельный расход энергии и улучшать качество конечного продукта за счет управления процессом формирования зернового состава готового материала. По результатам теоретических и экспериментальных исследований созданы алгоритмы и программы комплексных расчетов на ЭВМ основных конструктивно-технологических параметров шаровых мельниц замкнутого цикла.
Практические результаты работы защищены авторскими свидетельствами и патентами. Полученные результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций, выполнении курсовых проектов, работ и в дипломном проектировании в БГТУ.
Внедрение результатов работы. Основные результаты работы внедрены в производство и применяются в настоящее время:
на ПО «Ахангаранцемент», ОАО «Белгородский цемент», ОАО «Топкинский цемент», ЗАО «Жигулевские стройматериалы», ООО «Орловский комбинат отделочных материалов»;
результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций, выполнении курсовых и дипломных работ в БГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертации и практические результаты обсуждались и получили одобрение: на технических советах Ахангаранского, Невьянского, Липецкого, Белгородского, Топкинского, Жигулевского и Мальцовского цементных заводов, Всесоюзных научно-технических конференциях в Белгороде (БТИСМ, 1990, 1991); Международной конференции в Белгороде (БТИСМ, 1993), I Международной конференции в Полтаве (1996), Международной конференции в Белгороде (БелГТАСМ, 1997, 2000, 2001), Международной конференции в Санкт-Петербург (2001), Международной Интернет-конференции в Белгороде (БГТУ, 2003), на Международном
конгрессе в Белгороде (БГТУ, 2003), Международной конференции в Белгороде (БГТУ, 2007), Международном конгрессе производителей цемента «Производство цемента - основа развития строительной отрасли» 9-12 октября 2008 г. в Белгороде (БГТУ, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 работ, в том числе в аннотированных ВАК изданиях - 11 и без соавторов - 7, получено 4 авторских свидетельства СССР на изобретения, 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, выводов по работе, библиографического списка (285 наименований) и приложений, которые включают результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде таблиц; акты внедрения и промышленных испытаний. Общий объем диссертации состоит из 362 страниц, содержащих 83 рисунка и 22 таблицы.
