Ударно- шаровые мельницы новый шаг к энергоэффективности

Хотите получать свежие статьи на свою почту?

Все свежие статьи публикуются в электронном журнале ВесьБетон.

Подписка на журнал бесплатная, процедура подписки занимает одну минуту! Подписаться!

Журнал «ВесьБетон» — всегда свежая и профессиональная информация о производстве и применению бетонов и других строительных материалов, добавках, оборудовании и многом другом.

Особенности журнала ВесьБетон:

1. Публикуются статьи и книги о производстве и применении строительных материалов, добавок.
   
2. Тираж более 10 500 профессиональных строителей.
   
3. Подписаны только строители, технологи и производители, так как публикуется только профессиональная информация.
4. Выходит 2 раза в месяц.
5. Честный тираж! Журнал распространяется через независимый канал Subscribe.ru
6. Обсуждение статей на форумах

Подписаться (бесплатно)!

Подать рекламу в журнал.

В статье рассматривается способ увеличения энергонапряженности процессатонкого помола с использованием оригинальных ударно шаровых мельниц.Указываются причины низкой технической надежности некоторых типов интенсивныхмельниц, а также пути ее повышения. Приводятся данные по расходу энергии наполучение тонкодисперсного порошка из гранулированного шлака производства ОАО«Косогорский металлургический завод». Рассматриваются перспективы промышленногоиспользования энергоэффективных ударно- шаровых мельниц.

В измельчительных агрегатах подведенная энергия расходуется тем эффективнее,чем короче ее путь от привода мельницы к объектам разрушения.Энергонапряженность процесса, как и количество звеньев в цепи передачимеханической энергии являются важнейшими факторами, которые определяют нетолько размольную мощность, К.П.Д, но и техническую надежность мельниц.

Современный этап развития техники тонкого помола характеризуется общимстремлением повысить удельные нагрузки на частицы измельчаемого материала. Длясоздания напряжений в частицах размерами в несколько десятков микрон необходимообеспечить такой уровень концентрации энергии в помольной камере, который подостижению предельных значений привел бы к разрушению объектаполикристаллического строения не только по местам структурных дефектов, но и помолекулярным связям. Вместе с увеличением подведенной мощности, в процессеизмельчения твердого тела происходит аккумулирование некоторой части энергии,что значительно улучшает реакционную способность материала (1,2). Но привсей кажущейся тривиальности, задача передачи большой механической энергииобъектам разрушения крайне сложна, и в крупнотоннажном производстве она и посей день еще не нашла своего эффективного решения.

Оборудование длядробления и помола

Несмотря на внедрение в практику конструирования измельчительной техникиметодов компьютерного моделирования и широкое использование износостойкихматериалов, энергонагруженные мельницы в показателях надежности, экономичностии ремонтопригодности серьезно проигрывают «классическим» конструкциям. Пожалуй,единственным примером промышленного использования мельниц большой механическойэнергии являются быстроходные стержневые дезинтеграторы, разработанные ивыпускаемые в 60-80 годах прошлого века Научно-производственным объединением«Дезинтегратор» под руководством талантливого советского ученого И. А. Хинта (3).Однако и это оборудование не могло похвастаться высокой надежностью и большимисроками безремонтной эксплуатации, которые в лучшем случае исчислялись лишьдесятками часов.

Практика промышленного использования мельниц, выбирая между размольноймощностью и надежностью, неизменно отдает предпочтение последней, даже в убытокэффективности процесса.

Сегодня в крупнотоннажном производстве порошкообразных материалов широкоиспользуются вращающиеся шаровые мельницы, которые реализуют экстенсивный или«усталостный» способ измельчения, когда большинство контактов мелющих тел счастицами материала сами по себе не способны их разрушить, но лишь увеличиваютколичество внутренних дефектов периодическим нагружением. Кинетическая энергия,сообщаемая шару при его подъеме корпусом вращающейся мельницы, относительноневелика, и этот недостаток компенсируется большим числом ударов падающихшаров. Иными словами «качество» ударов замещается их количеством, за чтоприходиться расплачиваться увеличением площади контактной поверхности,снижением К.П.Д мельницы.

Недостатки вращающихся шаровых мельниц хорошо известны, к ним относятся ибольшие габаритные размеры, и высокий расход энергии и низкая эффективностьизмельчения. Из немногих же достоинств можно выделить два основных: надежностьи широкие возможности для масштабирования. Самые современныевысокоэнергонагруженные мельницы на порядки отстают по этим показателям от«классических шаровок», перешагнувших свой 200 летний юбилей, но так ине утративших позиций основных промышленных агрегатов тонкого помола.

Существующие образцы планетарных, инерционных, гирационных мельниц - это восновном лабораторное или, в крайнем случае, полупромышленное оборудование,скромных габаритных размеров и еще более скромной производительности.Неоднократно предпринимаемые попытки масштабирования наиболее удачных типов«интенсивных» мельниц, неизменно заканчивались созданием машин хотя и весьмаинтересных в плане получаемых результатов, однако совершенно не пригодных дляпромышленного применения. Низкая техническая надежность, малый ресурс деталейконтактирующих с измельчаемым материалом, сложность обслуживания и ремонта, всеэто далеко не полный перечень оборотной стороны увеличения энергонапряженностипроцесса помола с использованием известных типов мельниц (4,5).

Зависимость между количеством «вкачиваемой» энергии и способом ее «доставки»к объектам разрушения прекрасно демонстрирует следующий пример: одним изнаиболее энергонагруженых агрегатов тонкого помола на сегодняшний день являютсяпланетарные центробежные мельницы, которые имеют достаточно сложнуюкинематическую схему (Рис.1). Энергия передается измельчаемому материалу подлинной цепочке, через несколько передаточных звеньев: привод водила, барабаны,шаровая загрузка и наконец, сам материал. В каждой точке передачи происходитнеизбежная потеря энергии, которая переходит в тепло, звуковые колебания,вибрацию. Детали, узлы и механизмы планетарной мельницы испытывают значительныединамические нагрузки, ведь действующие усилия, предназначенные измельчаемомуматериалу, концентрируются в местах передачи, изнашивая и разрушая их. Подостижению критических значений, возникающие напряжения превосходят возможностииспользуемых конструкционных сталей, что ведет к аварии мельницы.

Рис 1. Схема планетарной мельницы

Планетарные мельницы, это наиболее яркий, но далеко не единственный примервлияния способа передачи механической энергии на ресурс, надежность ибезотказность оборудования. В инерционных, гирационных и ряде других«интенсивных» вибромельниц проблемы связанные со способом «доставки» энергииусиливаются из-за большой инерционности подвижных частей, ведь для того чтобы«разогнать» шары стенками барабана нужно привести в движение весь массивныйкорпус вместе с футеровкой, подшипниковыми опорами, контуром охлаждения и т.д.

Совершенно очевидно, что с точки зрения непреложных законов классическоймеханики, «интенсивная» мельница способная не только «вкачивать» в материалбольшое количество энергии, но и сохранять при этом работоспособностьдлительное время, просто обязана соответствовать ряду требований. В частности,путь механической энергии от привода мельницы к измельчаемому материалу долженбыть максимально коротким, а инерционность «побудителя» мелющих телминимальной.

Изложенным требованиям в полной мере отвечает Ударно-Центробежная ШароваяМельница (УЦШМ) «ТРИБОКИНЕТИКА» разработанная машиностроительным предприятием«ТЕХПРИБОР» г. Щекино, Тульской области. Так же как в барабанных иливибрационных мельницах, в УЦШМ мелющими телами являются стальные шары. Однакодля их побуждения используются не колебания или вращение массивного корпуса, атщательно продуманная схема разгона шаров в ускорителе. Кинетическая энергиямелющим телам сообщается вращающимся ротором-ускорителем, разрушение частицматериала происходит как в результате их ударов о плиты статора мельницы, так иударов стальных шаров.

УЦШ мельница работает следующим образом: материал, подлежащий измельчению,поступает в помольную камеру, заполненную шарами. Внутри помольной камерырасположен ковшовый элеватор, ротор- ускоритель и статор с отбойными плитами.Элеватор захватывает мелющие тела и вместе с материалом подает их на вращающийсяротор-ускоритель. Рабочая смесь, состоящая из частиц измельчаемого материала ишаров, попадает в центр ротора и распределяется по его разгонным лопастям.Получив необходимую для вылета окружную скорость, смесь тангенциальновыбрасывается в пространство камеры помола, ударяясь об отражательные плиты,расположенные под таким углом к касательной ротора, что траектория вылета шаровоказывается полностью ими перекрыта. (Рис.2).

Рис 2. Схема УЦШ мельницы

После удара шаров тонкие частицы подхватываются воздушным потокомобразованным вращающимся ротором-ускорителем и выводятся из мельницы. Крупныеже частицы вместе с мелющими телами проваливаются в нижнюю часть корпуса, гдеповторно захватываются элеватором и подаются на ротор-ускоритель. УЦШ мельницаработает в непрерывном режиме, количество подаваемого питателем материаларегулируется автоматически в зависимости от фактической нагрузки двигателяротора- ускорителя.

Особенностью реализуемого способа измельчения является достаточно простаякинематическая схема передачи энергии от привода мельницы к объектамразрушения. Относительно легкий ротор- ускоритель приводит в движение до300000 шаров диаметром 4-5 мм, кинетическая энергия каждого из которых вмомент удара превышает 5 Дж, что по разрушающему воздействию идентично падениюшара диаметром 50 мм с высоты 1 метр.

По совокупности показателей размольной мощности, экономичности, техническойнадежности оборудования, «бомбардировка» материала мелющими телами, имеющиминебольшую массу, но высокую скорость, является наиболее рациональным способомпередачи большой механической энергии. В данной схеме увеличениеэнергонапряженности процесса не оказывает существенного влияния на ресурс инадежность мельницы. Энергоэффективность реализуемого УЦШ мельницей способатонкого помола подтверждается гистограммой гранулометрического состава (Рис.3)гранулированного шлака производства ОАО «Косогорский металлургический завод».Затраты энергии на получение данного материала составили всего 23 кВ/т, чтопочти в три раза меньше энергорасхода двухкамерной шаровой мельницы.

****** % <= 0.050 ?m	5.8 % <= 1.000 ?m	15.2 % <= 2.000 ?m
21.2 % <= 3.000 ?m	25.3 % <= 4.000 ?m	28.6 % <= 5.000 ?m
39.7 % <= 10.000 ?m	56.9 % <= 20.000 ?m	95.2 % <= 50.000 ?m
10.0 % <= 1.400 ?m	20.0 % <= 2.773 ?m	30.0 % <= 5.465 ?m
40.0 % <= 10.165 ?m	50.0 % <= 16.108 ?m	65.0 % <= 24.426 ?m
70.0 % <= 27.217 ?m	80.0 % <= 33.481 ?m	90.0 % <= 42.199 ?m

Рис 3.

Особый интерес представляют инновационные решения по защите деталейконтактирующих с измельчаемым материалом, от абразивного износа. Принципиальнымотличием ротора- ускорителя УЦШ мельницы от помольных органов стержневыхдезинтеграторов, дисковых, аэробильных и других типов динамическихизмельчителей, является то, что он предназначен главным образом для выбросашаров, а не для ударов по частицам измельчаемого материала. Конструкция ротора-ускорителя предусматривает футеровку наиболее нагруженных участков самимперерабатываемым материалом. После создания защитного слоя или «подложки» шарыдвижутся по каналам ротора, практически не соприкасаясь с разгонными лопастями.

Не менее оригинально решена и задача защиты отражательных плит статора. Ввибрационных или вращающихся мельницах футеровка корпуса изнашивается от тренияшаров. Хотя в УЦШМ также используются шары, но из-за высокой скорости и малогоразмера, характер их взаимодействия с футеровкой принципиально иной. Ударяясьоб отражательные плиты шары, увеличивают их поверхностную твердость за счетдробеструйного наклепа. В этой части действие УЦШ мельницы аналогично работедробеструйных аппаратов, используемых в машиностроении для упрочнения деталей (6).В процессе работы, твердость рабочих поверхностей УЦШ мельницы увеличивается,для нормализированных сталей в среднем на 40%, для высокомарганцовистой 110Г13Лдо 60%.

Из всего многообразия техники тонкого помола УЦШ мельница выделяется нетолько своей размольной мощностью и высокой эффективностью измельчения, но иценнейшим качеством присущим биологическим системам - способностью ксамовосстановлению.

Ежегодно в России измельчаются миллионы тонн сырья самого различногопроисхождения. Тонкий помол с получением порошков состоящих из частиц размерамив сотые или даже тысячные доли миллиметра является одним из наиболеедорогостоящих переделов в крупнотоннажном производстве. Учитывая огромныеобъемы переработки, даже сравнительно небольшое повышение эффективности работыизмельчительного агрегата может дать огромный экономический эффект.

Сегодня уровень концентрации энергии в помольной камере мельницыопределяется не столько технологической необходимостью сколько конструкциейизмельчительного оборудования. Поэтому технология зачастую останавливается нена оптимальной дисперсности или реологической активности того или иногоматериала а всего лишь на предельно достижимой при использовании существующихтипов мельниц. Новая техника интенсивного измельчения, сочетающая надежностьоборудования с высокой скоростью приложения разрушающих нагрузок, позволяет нетолько снизить энергопотребление и металлоемкость мельниц, но и кардинальнопересмотреть практику использования порошков твердых тел.