Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние направления развития виброизмельчения 9
1.1. Основные направления совершенствования техники и технологии виброизмельчения 9
1.2. Анализ различных конструкций вибрационных мельниц и пути их дальнейшего совершенствования 13
1.3. Существующие методики расчета 28
1.4. Предлагаемая конструкция вибрационной мельницы 36
1.5. Цель и задачи исследований 38
Глава 2. Теоретические исследования вертикальной вибрационной мельницы 40
2.1. Общие сведения 40
2.2. Топологическая структура в камерах измельчения вибрационной мельницы 40
2.3. Математическая модель вертикальной вибрационной мельницы 45
2.4. Механика движения шаровой загрузки в вибрационной камере с позиций динамики удара 55
2.5. Закономерности импульсного измельчении материала в вибрационных мельницах 63
2.6. Измельчение материалов в вибрационной мельнице 65
2.7. Методика расчёта мощности, потребляемой мельницей 72
2.8. Математическая модель процесса измельчения в камерах вертикальной вибрационной мельницы на основе обобщенной системы уравнений 79
Глава 3. План и методика проведения экспериментальных исследований 86
3.1. Основные положения экспериментальных исследований 86
3.2. Описание экспериментальной установки и средств контроля 89
3.3. Характеристики исследуемого материала 96
3.4. Методика проведения поисковых экспериментов 97
3.5. План проведения многофакторного эксперимента для определения эффективности измельчения 97
Глава 4. Экспериментальные исследования 101
4.1. Анализ результатов поисковых экспериментов 101
4.2. Исследование вибрационных параметров мельницы 110
4.3. Анализ результатов эксперимента 113
4.3.1. Влияние исследуемых факторов на производительность мельницы 113
4.3.2. Влияние исследуемых факторов на потребляемую мощность мельницы 121-
4.3.3. Влияние исследуемых факторов на удельную поверхность готового продукта 126
4.4. Анализ диаграмм зернового состава 135
4.5. Оптимизация процесса измельчения в вибрационной мельнице 143
Глава 5. Промышленное внедрение 149
5.1. Описание промышленной установки 149
5.2. Расчет экономической эффективности 149
Общие выводы и рекомендации 154
Литература 156
Приложения 167
- Анализ различных конструкций вибрационных мельниц и пути их дальнейшего совершенствования
- Топологическая структура в камерах измельчения вибрационной мельницы
- Описание экспериментальной установки и средств контроля
- Исследование вибрационных параметров мельницы
Введение к работе
Актуальность работы. Рыночные условия, сложившиеся в настоящее время в Российской Федерации, накладывают отпечаток на работу всех отраслей промышленности, ужесточают цены на энергоресурсы, которые, как известно, определяют себестоимость выпускаемой продукции. Рост расходов на топливно-энергетические цели автоматически приводит к повышению стоимости производства строительных материалов.
Тонкость и качество помола материалов имеет важное значение для интенсификации различных технологических процессов. Кроме того, измельченные продукты приобретают новые физико-химические свойства, которые позволяют сократить длительность технологических процессов, снизить принятые в производстве температуры и давления, уменьшить расход материалов и потребление энергии, придать материалам и изделиям высокую прочность, активность и т.п.
В последнее время наиболее перспективным методом тонкого и сверхтонкого помола, нашедшим промышленное применение, является вибрационный метод измельчения.
Однако при всех этих положительных чертах присутствуют и недостатки, которые ограничивают применение данных мельниц. Это, прежде всего, относительно высокая энергонапряженность процесса измельчения, а также несовершенство конструктивных элементов, которые нуждаются в доработках. Кроме того, в теоретической части есть значительное количество вопросов, которым не уделено должного внимания, а существующие теории расчета либо имеют незавершенный характер, либо относятся к описанию только процесса вибрации, без учета конструктивных особенностей самого аппарата.
Таким образом, возникает необходимость проведения целенаправленных исследований по определению взаимосвязи между подводимой энергией, характеристиками как самого измельчителя, так и самого процесса измельчения, и качеством получаемого продукта.
Рабочая гипотеза - повысить эффективность процесса помола в вертикальной вибрационной мельнице возможно за счет организации стадийного процесса помола внутри корпуса.
Научная идея - необходимо создать и исследовать такие режимы процесса вибрационного помола, при которых обеспечивался бы селективный процесс помола на каждой стадии.
Цель работы - разработка методики расчета, исследование и полу
чение рациональных технологических и конструктивных параметров
вертикальной вибрационной мельницы, обеспечивающей повышение эф
фективности процесса получения высокодисперсных порошков в про
мышленных условиях. ,г ^
Задачи исследований:
-
Выполнить анализ существующих конструкций и разработать принципиально новую конструкцию вертикальной вибрационной мельницы, обеспечивающую селективность процесса измельчения.
-
Разработать методику расчета кинематических и энергетических параметров работы мельницы.
-
Разработать методику определения механики движения загрузки в корпусе мельницы.
-
Разработать методику расчета кинетики процесса измельчения.
-
Разработать методику расчета потребляемой мощности привода.
-
Создать экспериментальную установку, разработать план и методику исследований.
-
Установить параметры оптимизации и факторы, влияющие на режим помола в вертикальной вибрационной мельнице.
-
Выявить рациональные конструктивные параметры вибрационной мельницы и режимы процесса помола.
-
Разработать алгоритм и методику расчета основных конструктивно-технологических параметров вибромельницы.
10. Выполнить внедрение в промышленном производстве.
Научная новизна:
-
Определена топологическая структура в камерах измельчения вертикальной вибрационной мельницы с постадийным помолом, учитывающая характер распределения мелющих тел, интенсивности их движения, и физико-механических свойств измельчаемого материала.
-
Получены системы уравнений по расчету амплитуды, частоты колебаний, скорости и ускорений движения мелющих тел и помольной камеры с учетом режима работы и конструктивных параметров вертикальной вибрационной мельницы.
-
Синтезировано уравнение энергетического баланса, учитывающее кинематику и динамику движения мелющих тел и их взаимодействие с помольной камерой, позволяющее рассчитывать эффективность процесса измельчения материала.
-
Разработана методика расчета потребляемой мощности, учитывающая конструктивные особенности вертикальной вибрационной мельницы и режимы процесса измельчения.
-
Получены уравнения регрессии, позволяющие определить рациональные режимы процесса измельчения в вертикальной вибрационной мельнице.
Практическая ценность работы заключается в создании на основании теоретических разработок и экспериментальных исследований усовершенствованной конструкции вибрационной мельницы, которая обеспечивает повышение эффективности процесса получения высоко-
дисперсных порошков. Новизна конструктивного решения защищена патентом РФ № 2333798 от 20 сентября 2008 г.
Полученные теоретические модели могут быть использованы при расчете различных модификаций вертикальных вибрационных мельниц.
Результаты работы в виде предложенных конструктивных решений и рекомендаций по полученным режимам процесса измельчения могут быть использованы в промышленности строительных материалов при выпуске многокомпозиционных смесей.
Реализация работы. Теоретические и экспериментальные результаты работы апробированы на ООО «Боникс» в технологическом процессе приготовления сухих строительных смесей, в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре мехашгческого оборудования предприятий промышленности строительных материалов БГГУ им. В.Г. Шухова.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных научно-технических конференциях: «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройинду-стрии» (г. Белгород, 2005 г.); «Интерстроймех 2006» (г. Москва, 2006 г.); на заседаниях технических советов ООО «Боникс» 2006 - 2008 гг.
Публикации. По результатам работы опубликовано восемь печатных работ, в том числе в центральных изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ - 1, получен 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из: введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 123 наименований; работа изложена на 166 страницах, содержит 78 рисунков, 9 таблиц, 5 приложений на 23 страницах.
Анализ различных конструкций вибрационных мельниц и пути их дальнейшего совершенствования
Рассмотрим наиболее характерные конструкции. Например, конструкцию вибрационной мельницы, описанную в авторском свидетельстве №871820 [2].
Изобретение относится к измельчению твердых материалов, горных пород, руд, а именно к шаровым мельницам вибрационного действия, и может быть использовано в химической, металлургической отраслях промышленности, в обогащении руд и производстве стройматериалов.
Внутри трубчатого корпуса 1 с левой 2 и правой 3 крышками аксиально, с кольцевым зазором смонтирована с помощью левой крышки и подвижной крышки 4, снабженных фиксирующими шейками 5, помольная камера 6. Последняя представляет собой винтовую, преимущественно цилиндрическую, пружину (сжатия или растяжения в зависимости от конструкции шеек 5) предрасчетной жесткости. Корпус, несущий вибропривод 7 и опирающийся на пружины 8 снабжен загрузочным 9 и выгрузочным 10 патрубками. Крышка 4 установлена в корпусе с возможностью продольного перемещения под воздействием винта 11.
В процессе работы мельницы вибропривод генерирует преимущественно круговые колебания корпуса 1 с камерой б и исходный материал, загружаемый в камеру через патрубок 9, подвергается (совместно с мелющими телами в ней) вибрированию. Продукт измельчения проходит через межвитковые щели пружины и ссыпается в патрубок 10 на выгрузку.
По мере износа пружины и расширения щелей, а в случае Необходимости для регулирования их ширины, ввинчивают винт 11.
Достигнутая простота управления шириной щели между витками пружины (камеры) обеспечивает стабилизацию зернового состава продукта, удобство и экономичность обслуживания мельницы.
К недостаткам данной конструкции можно отнести недостаточные динамические воздействия на материал, которые существенно снижают интенсивность помола в представленной конструкции.
В патенте Российской Федерации № SU 1791024 А1 предлагается конструкция вибрационной мельницы, изображенная на рис. 1.4 [82].
Авторами изобретения были проведены эксперименты, доказывающие, что при хаотической укладке шаров различных диаметров в камере при сообщении ей круговых колебаний шары большего диаметра всплывают, а шары меньшего диаметра - спускаются на дно. При наличии в межшаровом слое материала, подлежащего измельчению, при интенсивном перемешивании шаров и относительном их движении будет происходить более активное измельчение материала.
На рис. 1.4, а представлена помольная камера в исходном положении; на рис. 1.4, б - второе положение камеры после поворота ее на 180.
Вибрационная мельница состоит из цилиндрической помольной камеры 1 сверху и снизу закрытой перфорированными перегородками 2 и 3. К цилиндрической поверхности камеры 1 на середине ее длины жестко прикреплены цилиндрические соосные цапфы 4, которые установлены в подшипниках 5 корпуса 6. Корпус установлен на жестком основании 7 на упругих опорах 8 и может быть с помощью закрепленного на нем вибровозбудителя 9 совершать колебания по траектории, близкой к круговой. В помольной камере 1 имеется мелющая загрузка из шаров различных диаметров: большого 10 и малого 11. Для подачи исходного материала 12 служит бункер 13, а для выгрузки готового продукта - бункер 14. Вибрационная мельница работает следующим образом. В помольную камеру 1 закладываются хаотично стальные шары двух различных диаметров, либо закладываются шары большого диаметра 10, а затем малого диаметра 11. Затем из бункера 12 через предварительно снятую перфорированную решетку 2 в камеру 1 подается исходный материал 12 в объеме достаточном для заполнения межшарового пространства камеры 1, закрывается решетка 2, включается привод вибровозбудителя 9 и корпус 6 совершает круговые колебания передавая их через подшипники 5 и цапфы 4 камере 1. Через некоторый промежуток времени, зависящий от режимов вибрации и размеров камеры 1, произойдет расслоение шаров, в результате чего шары большого диаметра 10 перейдут в верхний слой шаровой загрузки, а шары малого диаметра 11 - в нижний. В процессе интенсивного относительного движения шаров исходный материал будет интенсивно подвергаться измельчению.
Топологическая структура в камерах измельчения вибрационной мельницы
Организация процесса измельчения в вибрационной мельнице зависит от характера расположения мелющих тел (шаров) и измельчаемого материала. Пространство в камере измельчения, заполненное шарами и материалом будем рассматривать как топологическую структуру. При вращении дебалансного вала каждая точка корпуса вибрационной мельницы совершает качательное движение по эллиптической траектории. При этом мелющие тела оказывают интенсивное воздействие на частицы материала и измельчают его. В процессе работы вибрационной мельницы шары и материал вращаются в сторону, противоположную направлению вращения дебалансного вала. Интенсивность движения мелющих тел у стенки камеры зависит от величины коэффициента трения между шарами и корпусом камеры. Характер и интенсивность движения мелющих тел внутри слоя шаровой загрузки зависит от величины коэффициента трения между шарами и измельчаемым материалом, а так же от коэффициента трения между слоями материала. Характер размещения шаровой загрузки в камерах измельчения вибрационной мельницы представлен на рис. 2. Измельчаемый материал находится в пустотах между мелющими телами. Размеры этих пустот зависят от размеров шаров. На рис. 2.2 представлены плоские случаи расположения пустот. Пустоты Г представляют собой криволинейные треугольник (рис. 2.2, а) и четырехугольник (рис. 2.2., б). Площади пустот: Важной характеристикой являются радиусы окружностей вписанных в Т: Характер движения измельчаемого материала в процессе работы вибрационной мельницы зависит от его физико-механических характеристик, дисперсности, формы частиц. При классификации частиц по форме [84] выделяют три основных класса: 1.
Изометрические частицы (сферы, правильные многогранники), все три размера которых совпадают (или близки); 2. Пластинчатые частицы (диски, пластины), один размер которых меньше двух других; 3. Волокнообразные частицы, один размер которых значительно больше двух других. Заполнение пустот измельчаемым материалом с частицами разных форм представлено на рис. 2.3. В процессе вибрационного движения мелющей загрузки сдвиговые . нагрузки передаются материалу. В результате этих нагрузок происходит относительное движение слоев материала, что способствует процессу самоизмельчения частиц материала в камерах вибрационной мельницы. Разобьем объем камеры измельчения на элементарные ячейки. Рассмотрим три шара одинаковых радиусов R, касающихся друг друга.
Шары размещаются в некотором объеме таких же шаров. Рассмотрим расчетную схему, представленную нарис. 2.6. Безусловно, что плоскости (0,02), (Oj03) и (0203) будут «вырезать» из шаров некоторый объем. Объем «пустоты» между шарами. Объем пустот, заполненных материалом, зависит от количества мелющих тел и их размера.
В процессе работы вибрационной мельницы в камерах помола происходит распределение измельчаемого материала по высоте камеры. Мелкие частицы опускаются вниз, а крупные в процессе «вибрационно-колебательного» движения поднимаются вверх. Характер распределения представлен на рис. 2.7. Таким образом, во всех рассмотренных случаях в результате работы вибромелышцы измельчаемый материал в камерах измельчения стремится к определенному квазиравновесному состоянию. Дисперсные характеристики измельчаемого материала зависят от его физико-механических характеристик. На рис. 2.8 изображена динамическая схема вибрационной мельницы. При составлении математической модели мельницы сделаны следующие допущения: - координаты перемещения пружины в вертикальной и горизонтальной плоскостях ха и хс приняты равными нулю, учитывая, что 1/2» хп и 1/2»хс\ - жёсткость пружин одинакова при сжатии и растяжении; - коэффициенты демпфирования bx, by одинаковы при сжатии и растяжении, а коэффициент b = const при колебаниях по часовой стрелке и против неё.
Описание экспериментальной установки и средств контроля
Для получения достоверных экспериментальных данных была создана лабораторная установка и разработана методика исследований, отвечающих современным возможностям техники эксперимента: - экспериментальная установка для исследования процесса измельчения должна обеспечивать возможность изменения исследуемых параметров и режимов работы мельницы в заданных постановкой задачи пределах; - конструкция стенда, контрольно-измерительная аппаратура должна соответствовать режимам исследования изучаемого процесса и обеспечивать необходимую точность измерения. С учетом указанных требований, была разработана и изготовлена экспериментальная установка вибрационной мельницы для исследования процесса домола. Общий вид установки представлен на рис. 3.3. Вертикальная вибрационная мельница состоит из стационарно закрепленной рамы 1, в которую на пружинах 5 установлен корпус 2. Электродвигатель 4 через клиноременную передачу приводит во вращение вибровозбудитель, который создает вибрационные колебания корпуса. Корпус мельницы (рис. 3.4) представляет собой цилиндр 1, внутренний объем которого разделен на четыре отсека перегородками 2, которые посредством шайб 3 крепятся к цилиндру 1. Таким образом, в корпусе три помольные камеры разделены ситами. Четвертая камера представляет собой классификатор. Граничный размер продукта регулируется зазором между витками пружины 4, которая прижимается опорной шайбой 5 с помощью регулировочного винта 6. К нижней части цилиндра 1 крепится разгрузочный патрубок 7, через который выгружается размолотый материал. На верхней части цилиндра установлена верхняя опора 8, которая служит для закрепления корпуса вибромельницы на раму посредством пружин. В целях установки пружин различной жесткости и диаметра в верхней опоре 8 установлены втулки 9, которые являются сменными деталями. Колебательные движения создаются вибровозбудителем, представленным на рис. 3.5.
На валу 1, расположенном в корпусе 2, установлены дебалансы 3. С помощью крышек 4 корпус крепится к фланцу опоры 5. Вал установлен в подшипниковом узле 6 и приводится во вращение шкивом 7 от электродвигателя через ременную передачу. Колебания возникают за счет дебалансов, установленных на валу вибровозбудителя, причем параметры колебаний можно изменять, варьируя массами дебалансов, их взаимным расположением, а также частотой вращения вала вибровозбудителя.
На рис. 3.6 показан принцип работы вертикальной вибрационной мельницы. Материал через загрузочное отверстие по патрубку, проходящему в корпусе вибровозбудителя, попадает через отверстие 2 в корпус вибромельницы. Помол осуществляется за счет истирания материала мелющими телами, которые совершают безотрывное движение относительно дна помольной камеры за счет работы вибровозбудителя. Камеры помола заполнены мелющими телами, причем их размер уменьшается по ходу движения измельчаемого материала. Так в первой камере помола 3 мелющие тела имеют наибольший размер, а в четвертой 6 — наименьший. В качестве мелющих тел в камерах используется шаровая загрузка диаметром от 4,8 до 2,3 мм. Так, в первой камере диаметр шаров составляет 4,8 мм, во второй и третьей 4 мм и 3,2 мм соответственно, а в четвертой — 2,3 мм. Загруженный в корпус материал попадает в первую камеру помола 3, где происходит его первичный помол. Перегородкой между первой 3 и второй 4 помольными камерами является сито 7.
Достигнув размера меньше диаметра отверстия, частицы материала попадают во вторую камеру. Так же сита 7 установлены между второй и третьей, третьей и четвертой помольными камерами с диаметром отверстий 2 мм и 1 мм соответственно. Таким образом материал попадает во вторую помольную камеру 4, имея размер зерен менее 5 мм. Во второй помольной камере происходит вторая стадия помола, и материал поступает в третью камеру 5 с размером зерен менее 2 мм. Четвертая камера помола представляет собой область, ограниченную пружиной 8, которая здесь является классифицирующим устройством. Зазор между витками пружины изменяется путем поднятия шайбы 9 регулирующим винтом 10.
Исследование вибрационных параметров мельницы
Для подтверждения полученных теоретических зависимостей в главе 2 предлагается провести эксперименты согласно методике, описанной в п. 3.3. Результаты эксперимента позволят нам убедится в правильности выбора, а также верности математических моделей и физических формул, описывающих процесс вибрации. Основные взаимосвязи, которые требуют подтверждения, это зависимости потребляемой мощности, амплитуды, от частоты, а также массы подвижной части. Согласно выражению (2.95), мощность, затрачиваемая на колебания подвижной части мельницы при ее работе имеет сложную нелинейную зависимость от частоты колебаний. На графиках мощности можно выделить два диапазона со слабовыраженным максимумом в начале и резким ростом после достижения определенной частоты. На графике теоретические кривые мощности обозначены пунктирными линиями. Сходимость теоретических и экспериментальных результатов составляет 85%. Основная доля мощности расходуется на совершение колебаний подвижной части вибрационной мельницы. Для подтверждения выражения (2.108) были проведены эксперименты по определению зависимости потребляемой мощности от массы колеблющейся части мельницы. При этом масса колеблющейся системы изменялась путем изменения массы мелющих тел. Эксперимент производился без загрузки материала (рис. 4.8). Наблюдается снижение потребляемой мощности при уменьшении массы подвижной части. Уменьшение значений мощности с увеличением массы колеблющейся части объясняется снижением амплитуды колебаний. Чем меньше амплитуда колебаний, тем меньше необходимо затрачивать энергии для колебания подвижной части. Амплитуда колебаний от частоты колебаний изменяется по степенному закону (рис. 4.9), в частности возможна на определенных участках квадратичная интерполяция. При увеличении частоты колебаний наблюдается падение амплитуды, что подтверждает правильность сделанного нами вывода об изменении потребляемой мощности с ростом массы. На рис. 4.10 показаны зависимости амплитуды от массы колеблющейся части вибрационной мельницы. Таким образом, мы видим, что основные теоретические зависимости работы вибрационной мельницы подтверждаются экспериментально. Следует отметить, что среднее расхождение между теоретическими и экспериментальными данными составляет 15-17%. Данный вывод говорит о том, что приведенные- математические модели верны, а также необходимо подтверждение рабочей гипотезы в следующем этапе экспериментов.
