На правах рукописи
Исследование процесса измельчения
сухих и влажных материалов
и разработка мельниц ударного действия
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы (строительство)
Иваново 2010
Работа выполнена в ГОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет».
Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Гуюмджян Перч Погосович ГОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университент» |
Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет» |
доктор технических наук, профессор ГОУВПО «Ивановская государственная сельскохозяйственная академия» | |
Ведущая организация: | ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», г. Иваново |
Защита состоится 24 декабря 2010 г. в 10 часов на заседании объединённого совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 212.062.01 при ГОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» г. Иваново, ул. 8 марта, 20, ауд. Г-204 (www.igasu.ru).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Ивановского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан «____» ноября 2010 г.
Учёный секретарь
диссертационного Совета,
к. т.н., доцент
Актуальность работы:
Техника и технология измельчения сухих и влажных материалов на протяжении своего развития была и остаётся объектом пристального внимания многих специалистов и учёных. Их теоретические и прикладные работы направлены по пути дальнейшего совершенствования измельчителей, позволяющих получать высокодисперсные порошки нужного гранулометрического состава. Чаще всего, когда выбирается технологическая линия производства дисперсных строительных материалов и вяжущих веществ, тип помольной машины определяется с учётом достигаемой тонкости порошка. При измельчении влажных материалов влияние свободной капиллярной влаги на процесс получения тонкодисперсных порошков практически не учитывается.
Результаты, полученные при разрушении одиночных частиц горных пород, позволяют определить вероятностную и распределительную функции процесса. Однако, во многих случаях при описании этих функций, не учитывается наличие в материале влаги, а также её влияние на процесс разрушения и гранулометрический состав полученных осколков. Вопросы влияния влаги на процесс разрушения влажных материалов мало изучены и нуждаются в дальнейших исследованиях.
Поэтому исследования в области разработки теории и экспериментальных данных по разрушению, как одиночных частиц, так и коллектива, содержащих в своём составе свободную воду, являются весьма актуальными.
Цель работы:
Исследование процесса ударного дробления одиночных частиц сухих и влажных горных пород различной крупности, получение математических зависимостей для расчёта вероятности разрушения, распределительной функции полученных осколков, а также в изучении гидродинамики движения воздушного потока в одноступенчатой и многоступенчатых мельницах ударного и ударно-отражательного действия.
Основными задачами исследования являются:
· проведение экспериментальных исследований процесса измельчения сухих и влажных материалов с целью получения конечного продукта нужного гранулометрического состава и конечной влажности;
· теоретические и экспериментальные исследования процесса разрушения одиночных частиц сухих и влажных горных пород, определение вероятностной и распределительной функций продуктов при ударе;
· теоретическое обоснование выбора основных конструктивных параметров измельчителя на основе исследования процесса разрушения одиночных частиц горных пород с различными физическими характеристиками и количеством свободной влаги;
· экспериментальные исследования движения диспергируемого материала внутри измельчителя ударно-отражательного действия с определением степени износа рабочих элементов, их надёжности и долговечности;
· разработка новых мельниц комбинированного действия для измельчения сухих и влажных материалов.
Научная новизна:
На основании изучения закономерностей разрушения одиночных частиц горных пород была установлена скорость начала разрушения, как сухих, так и влажных материалов.
Предложена математическая модель вероятности разрушения частиц с учётом скорости нагружения и скорости начала разрушения.
Изучено влияние и получены зависимости для определения гранулометрических характеристик сухих и влажных материалов от скорости нагружения и скорости начала разрушения.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Разработаны принципиально новые конструкции измельчителей комбинированного действия с учётом физико-механических свойств материала и характеристик мельниц, которые внедрены на предприятиях г. Иваново.
Апробация результатов работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и вузовских научно-технических конференциях: XIV, XV международная научно-техническая конференция «Информационная среда вуза» (Иваново 2007, 2008), международная конференция «Энергосберегающие технологии и оборудование экологической безопасности производства» (ИГЭУ, Иваново 2006).
Диссертационная работа выполнена в Ивановском государственном архитектурно-строительном университете в соответствии с координационным планом НИР РАН. «Теоретические основы химической технологии» - разделы /2.27.1..2, 2.27.10/., постановлением правительства РФ № 000 от 01.01.2001 г., а также планом госбюджетных и договорных НИР ИГАСУ (1998 – 2008 гг.).
Публикации:
По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых ВАК – 1.
Структура и объём диссертации:
Диссертационная работа общим объёмом 162 страницы, состоит из введения, 4 глав, выводов и приложений, включает 52 рисунка, 4 таблицы. Список используемых источников содержит 164 наименования.
Содержание работы:
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные задачи исследования, дана научная новизна и практическая значимость, а также основные вопросы, выносимые на защиту.
В первой главе представлен анализ существующих конструкций измельчителей ударного и ударно-отражательного действия, используемых для тонкого и сверхтонкого диспергирования различных по твёрдости материалов. Рассмотрены теоретические и экспериментальные работы в области разрушения одиночных частиц горных пород под действием ударных нагрузок. Установлено, что характер движения ударной волны зависит от напряжённого состояния хрупкого материала, подвергаемого динамическому нагружению. Затронуты вопросы влияния влажности материала и её количественных характеристик на эффективность измельчения, на гранулометрический состав полученных после дробления осколков и на энергозатраты.
На основании анализа литературных источников отечественных и зарубежных авторов сформулированы основные задачи исследований.
Вторая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса разрушения одиночных частиц различных горных пород ударом, в которых содержится влага. Разработана экспериментальная установка для разрушения материалов, представляющая собой центробежный ускоритель роторного типа.
Разрушению подвергались материалы с начальным размером 7ч10 мм, 5ч3 мм, 0,5ч0,1 мм. Для установок, в которых реализуется ударный способ разрушения, вероятность его зависит от скорости удара, от механических свойств самого материала и от размера частиц. Вероятность может быть описана нормально-логарифмическим законом или уравнением Вейбула. Во многих работах, посвящённых проблеме разрушения хрупких материалов обычно используют безразмерный комплекс 
, как отношение начальной скорости нагружения к скорости 50% вероятности разрушения. Результаты экспериментальных исследований процесса разрушения одиночных частиц, как сухих, так и влажных горных пород показали, что зависимость вероятности разрушения от безразмерного комплекса 
для многих материалов имеет вид, представленный на рис. 1, 2.
Рис. 1. Влияние V/Vкр на вероятность разрушения (материал мел) |
Рис. 2. Влияние V/Vкр на вероятность разрушения (материал известняк) |
Вероятность разрушения описывается выражением:
| (1) |
Причём коэффициенты 
и 
зависят, только от механических свойств разрушаемого материала.
Разрушению подвергались влажные материалы (кварц, известняк, базальт, мел, клинкер). Установлено, что вероятность разрушения при одинаковой скорости удара у влажных материалов выше, чем у сухого. Это свидетельствует о том, что скорость начала разрушения материалов, содержащих влагу, меньше, чем у частиц, не содержащих воду.
Такая тенденция объясняется тем, что при ударе влажной частицы, влага, находящаяся в его микропорах оказывает положительное воздействие на эффективность процесса разрушения. Это объясняется тем, что при высокоскоростной деформации в зоне контакта повышается температура и в материале возникают высокие давления, при этом происходит: гидравлический удар, усиление эффекта Ребиндера, вскипание в зоне контакта влаги за счёт повышения температур.
Скорость начала разрушения у влажных материалов ниже, чем у сухих и определяется из равенства:
| (2) |
где 
- средний исходный размер частиц, мм; 
- начальная влажность материала на абсолютно сухой вес в процентах; 
- скорость продольной волны.
Найдена зависимость для определения вероятности разрушения материалов в зависимости от безразмерного комплекса 
| (3) |
Коэффициент, 
как для сухого, так и влажного известняка равен 3.2.
В диссертационной работе представлены результаты исследования взаимосвязи между напряжённым состоянием материала и интенсивностью приложенных нагрузок. Напряжения, возникающие в частице, носят динамический характер. Дифференциальные кривые распределения частиц по размерам носят бимодальный характер. Это свидетельствует о том, что при малых скоростях нагружения разрушение аналогично статическому сжатию. При больших скоростях нагружения (150 м/с и более) бимодальность формы кривых пропадает, и она по форме приближается к нормальному распределению.
Третья глава посвящена определению расхода воздуха и исследованию гидродинамики движения воздушного потока в одноступенчатой мельнице ударного действия. На основании уравнения Новье-Стокса определена скорость потока на входе ударного элемента, установленного на поверхности вращающегося ротора. Такой подход позволяет рассчитать расход воздуха, проходящего через одноступенчатую мельницу. Получена зависимость для определения расхода воздуха:
| (4) |
Для исследования гидродинамики движения воздушного потока была разработана и изготовлена одноступенчатая мельница, состоящая из корпуса, внутри которого на вертикальном валу установлен ротор с ударными элементами в виде бил. На внутренней поверхности корпуса закреплены неподвижные контрударники.
Угловая скорость вращения ротора измерялась тахометром и контролировалась стробоскопом.
Исследования показали, что измельчение при ударном нагружении частиц происходит на стенках мельницы.
Скорость потока в зазоре между билами и отбойниками равна скорости вращения ротора. Скорость потока в секторе между отбойниками неравномерна и изменяется от минимального после отбойника до максимального.
Максимальное значение скорости наблюдается в местах дуги стенки и касательной, проведённой к окружности бил от точки против установки отбойника (рис. 3), затем скорость уменьшается.
Рис. 3. Расположение максимальных и минимальных скоростей потока в секторе.
Так как поток воздуха с твёрдым материалом ударяется в определённом месте, то это приводит к тому, что вероятность попадания в каждый сектор различная.
Исследования показали, что вероятность попадания в сектор имеет вид, представленный на рис. 4.
Рис. 4. Вероятность попадания частиц материала в сектор.
Установка отбойников приводит к тому, что двухфазный поток изменяет направление движения. Установлено, что в мельнице с шестью неподвижными отбойниками частицы диспергируемого материала максимально ударяются 11 раз; 6 раз о стенку и 5 раз о била.
Исследован процесс измельчения материалов, содержащих капиллярную влагу. Влага, содержащаяся в капиллярах горной породы, оказывает положительное влияние на эффективность процесса разрушения ударом. Разрушались следующие горные породы, содержащие до 6% свободной влаги: известняк, кварц, базальт, мрамор, мел и т. д.. На рис. 5 даны результаты гранулометрического состава известняка, измельчённого при скорости вращения ротора 45 м/с.
Рис. 5. Гранулометрический состав известняка, измельчённого
в одноступенчатой мельнице.
Там же дана кривая грансостава известняка, предварительно высушенного при температуре 100 – 110 0С. Роль воды при измельчении горных пород ударом тем ощутимее, чем больше размеры их кусков. С ростом механических характеристик материала, например кварца, возрастает его плотность, и, как следствие, уменьшается количество абсорбированной влаги. Если известняк поглощает до 6% воды, то кварц, лишь 3.1%. При измельчении влажных материалов уменьшаются энергозатраты на получение новой поверхности.
В процессе измельчения материалов определённая часть подводимой энергии превращается в тепло. У таких материалов, как: базальт, известняк, мрамор, кварц, повышение температуры, вызванное измельчением, снижает механические характеристики. Локальное повышение температуры у влажных материалов способствует испарению влаги с появлением высоких давлений. Изменение механических свойств под влиянием воды обусловлено снижением величины поверхностной энергии. При высокоскоростном сухом диспергировании известняка происходят твёрдофазные реакции, последний разлагается на CaO и CO2. Если известняк содержит воду, то в процессе диспергирования происходит гашение образовавшегося CaO в Ca(OH)2. Накопленная энергия при диспергировании сухих материалов приводит к агрегированию наиболее мелких частиц (10 мкм и ниже). Высокоскоростное измельчение сухих горных пород сначала приводит к росту удельной поверхности полученных порошков, а затем к её снижению. Такого эффекта не наблюдается при измельчении материалов, содержащих влагу. По всей вероятности, влажные материалы в процессе диспергирования не активируются. В диссертационной работе найдены взаимосвязи между скоростью, количеством ударных взаимодействий, с активностью полученных тонкодисперсных порошков.
Четвёртая глава посвящена разработке и исследованию ступенчатых мельниц ударного и ударно-отражательного принципа действия. Для исследования процесса разрушения одиночных частиц сухих и влажных материалов предложены две принципиально новые трёхступенчатые мельницы комбинированного действия, в которых наряду с диспергированием можно проводить классификацию тонкой фракции и отследить освободившуюся при деформации свободную капиллярную влагу. Дано описание этих устройств и принципы их работы. Поданы заявки на патент, получены положительные решения.
Качество измельчения материалов в разработанных ступенчатых мельницах сравнивалось по гранулометрии с одноступенчатыми агрегатами. Показано, что изменение скорости помола от 45 м/с до 210 м/с приводит к незначительному росту количества частиц размером менее 0.1 мм. Сравнение эффективности однороторной и ступенчатой мельниц проводилось путём использования на входе монофракции с размером частиц 10 ч 7 мм. На гранулометрический состав конечного продукта при измельчении в однороторной мельнице существенное влияние оказывает её производительность. При диспергировании материалов в трёхступенчатой мельнице гранулометрический состав готового продукта в достаточно широком интервале (50¸350 кг/ч) не зависит от производительности. Производительность ступенчатой мельницы определяется ротором малого диаметра, способного распределить по диаметру корпуса поступающий на измельчение материал. При наличии ступенчатого ротора и корпуса частицы материала при движении вместе с воздушным потоком несколько раз меняют направление своего движения, что позволяет увеличить среднее время пребывания материала в зоне интенсивного разрушения. В ступенчатых мельницах процесс разрушения частиц материала также возрастает ступенчато. Поэтому частицы, нагруженные многократно на первой ступени, доизмельчаются при повторном ударе с большей интенсивностью. Кроме этого в разработанных конструкциях на каждой ступени за счёт воздушного потока удаляется мелкая фракция, которая в обычных мельницах не способствует повышению эффективности помола. Процесс измельчения в разработанных устройствах протекает в две стадии: в начальный момент крупные частицы разрушаются при ударе о движущиеся с большой скоростью била, а затем доизмельчаются при попадании на поверхность неподвижных планок. В зоне интенсивного измельчения поддерживается сильное турбулентное движение воздушного потока, чтобы, во-первых, достаточно интенсивно ускорить частицы в поле вращения ударных элементов, закреплённых на роторе, во-вторых, повысить вероятность, взаимного столкновения осколков при высоких относительных скоростях движения. В трёхступенчатой мельнице с внутренней классификацией тонкой фракции возможно повысить производительность по готовому продукту и эффективность дальнейшего разрушения относительно крупных осколков, изменить гидродинамику движения потока внутри корпуса мельницы.
При измельчении влажных материалов, при ударном нагружении на каждой ступени, выделяется определённое количество жидкости, которая затеем с потоком воздуха уносится из аппарата. Освободившаяся вода в мельнице в форме мельчайших капель удаляется воздушным потоком. Наибольшее количество воды освобождается на первой ступени мельницы, хотя на этой ступени относительная скорость измельчения ниже, чем, например, на третьей.
С ростом производительности количество удаляемой влаги падает, что объясняется плотностью движущегося потока. Максимальное влагоудаление имеет место при производительности 100 кг/ч. Увеличение скорости измельчения в мельнице комбинированного действия приводит к уменьшению влажности готового продукта.
На рис. 6 представлены кривые распределения частиц по размерам при измельчении известняка в одноступенчатой и трёхступенчатой мельнице ударного действия при одинаковой производительности. Продукты измельчения имеют более узкий спектр распределения частиц по размерам (рис. 6, кривая 1).
Рис. 6. Гранулометрический состав известняка (V=100 м/с):
1. трёхступенчатая мельница; 2. однороторная мельница
В работе приведены результаты экспериментальных исследований процесса износа быстровращающихся бил при измельчении сухих и влажных материалов. Взаимодействие частиц измельчаемого материала с ударными элементами вызывает износ двух видов – эрозионный и истиранием. В результате такого взаимодействия на поверхности бил появляются высокие давления и локальный нагрев, приводящие к структурным изменениям самого материала, из которого изготовлены ударные элементы. Интенсивность износа ударных элементов зависит от физико-механических свойств материала, из которого они изготовлены. Особенно это заметно, когда твёрдость измельчаемого материала выше 6 единиц по шкале Мооса.
Интенсивность износа бил зависит от ступени мельницы, с ростом диаметра ротора износ увеличивается. С другой стороны, с ростом производительности износ бил снижается. Интенсивность определяется функциональной зависимостью
| (5) |
где 
- производительность мельницы, кг/с; 
- твёрдость бил по Роквеллу; 
- твёрдость измельчаемого материала по шкале Мооса; 
- средний размер материала на входе в мельницу, м, 
- скорость удара, м/с.
Общие выводы
1. На основании теоретических и экспериментальных исследований процесса разрушения одиночных частиц сухих и влажных материалов ударом установлено, что вероятность разрушения зависит от скорости, начального размера кусков горной породы и от их механических свойств.
2. Получены уравнения, позволяющие рассчитать вероятность разрушения, средний размер полученных осколков и дисперсию частиц в зависимости от скорости удара, скорости распространения продольной волны и деформации размеров куска.
3. Установлено влияние начальной влажности материала на гранулометрический состав продуктов разрушения при ударе.
4. Исследована гидродинамика движения потока воздух – дисперсный материал в однороторной мельнице ударного принципа действия. Получены математические зависимости для расчёта расхода воздуха и производительности. Установлено, что количество неподвижных отбойников не должно быть более шести.
5. Экспериментально исследован процесс износа рабочих элементов при измельчении сухих и влажных материалов ударом. Установлено, что интенсивность износа ударных элементов зависит от физико-механических свойств материала, из которых они изготовлены.
6. Разработаны и внедрены в производство многоступенчатые мельницы ударного и ударно-отражательного действия с внутренней классификацией продуктов измельчения, предназначенные для измельчения помола абразивных и влажных материалов с одновременной сушкой.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:
В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых перечнем ВАК:
1. Ваганов, Ф. А. Описание гранулометрического состава продуктов измельчения в мельнице ударного действия / , // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ», Специальный выпуск № 2 / Москва, МГСУ. 2009. С. 152-155.
В прочих изданиях:
2. Гуюмджян, скорости ударного нагружения на содержание частиц мелкой фракции / , , // Информационная среда вуза. Материалы XII Международной научно-тех-нической конференции – Иваново, 2005. – С. 730 – 732.
3. Ладаев, Н. М. О разрушении одиночных частиц ударом / , , // Информационная среда вуза. Материалы XIII Международной научно-технической конференции – Иваново, 2006. – С. 524 – 526.
4. Гуюмджян, П. П. К вопросу интенсификации процессов дробления хрупких материалов в мельницах ударного действия / , , // Информационная среда вуза. Материалы XIV Международной научно-технической конференции – Иваново, 2007. – С. 594 – 596.
5. Гуюмджян, П. П. и др. Выбор нового критерия ударного разрушения одиночных частиц горных пород / , , – Информационная среда вуза. XIV Международная научно-техни-ческая конференция – Иваново, 2007. – С. 600 – 605.
6. Ваганов, распределения частиц по размерам в результате ударного разрушения // Пятая научная конференция аспирантов и соискателей: Материалы конф. / Иван. гос. архит.-строит. ун-т – Иваново, 2007. – С. 22 – 25.
7. Ваганов, эффективности оборудования для измельчения материалов // Пятая научная конференция аспирантов и соискателей // Иван. гос. архит.-строит. ун-т – Иваново, 2007. – С. 25-28.
8. Гуюмджян, вероятности разрушения одиночных частиц хрупких материалов / , // В кн. «Учёные записки инженерно-строительного факультета» / Иван. гос. архит.-строит. ун-т – Иваново, 2006. – Вып. 3. С. 50 – 52.
9. Гуюмджян, эффективности работы одноступенчатой и трёхступенчатой мельниц / , , Ф. А, Ваганов // В кн. «Учёные записки инженерно-строительного факультета» / Иван. гос. архит.-строит. ун-т – Иваново, 2006. – Вып. 3. С. 52 – 54.
10. Гуюмджян, скорости диспергирования на удельную поверхность порошка / , , // Вестник научно-промышленного общества / «Алев-В» – Москва, 2006. – Вып. 10. С. 72 – 74.
11. Ладаев, полезного действия измельчающих машин / , , // Вестник научно-промышленного общества / «Алев-В» – Москва, 2006. – Вып. 10. С. 79 – 80.
12. Гуюмджян, ёт гранулометрического состава в мельницах ударно-отражательного действия / , , // Вестник научно-промышленного общества / «Алев-В» – Москва, 2006. – Вып. 10. С. 109 – 111.
13. Ладаев, Н. М. О давлении, возникающем в хрупком материале при ударе / , , . - Информационная среда вуза, XV Международная научно-техническая конференция – Иваново, 2008. С. 833 – 836.
14. Ладаев, Н. М. О разрушении одиночных частиц хрупких материалов / , , // Информационная среда вуза. Материалы XV Международной научно-технической конференции – Иваново, 2008. – С. 840 – 843.
