CC BY
34
УДК 622.73:519.6
МЕТОДИКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ РАЗМОЛОСПОСОБНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИИ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ МЕЛЬНИЦЫ
1 ЖИРОВ Д. К., 2терентьев е. и.
1Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7
АННОТАЦИЯ. В работе представлены результаты исследований разрушения частиц серией ударов, при условии суммарно прикладываемой энергии за цикл ударов меньше энергии, требуемой для разрушения частиц с одного удара. Проведенные исследования подтвердили эффективность разрушения частиц серией ударов с позиции затрат энергии и выравненности гранулометрического состава конечного продукта. Были проведены экспериментальные исследования по разрушению зерен гороха в центробежной мельнице, имеющей одну ступень измельчения, две ступени измельчения и три ступени при частотах вращения ротора от 1200 мин-1 до 6000 мин-1. Результаты экспериментов по измельчению в центробежной мельнице с различным числом рабочих камер хорошо согласуются с данными, полученными при исследованиях измельчаемости на ударной установке, что подтверждает адекватность разработанной методики для задач предварительной оценки размолоспособности материалов, параметров конструкции и режимов работы центробежной мельницы.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: удар, гранулометрический состав, частица, многоступенчатая мельница, параметр измельчаемости, методика измельчаемости.
ВВЕДЕНИЕ
Большинство существующих установок по измельчению частиц ударом основываются на разрушении одним ударом. Расчеты конструкции мельниц ведутся на основании критической скорости частицы, достаточной для ее разрушения с одного удара [1 - 3]. Каждая частица индивидуальна и имеет свои физико-химические свойства - одинаковых по свойствам частиц не бывает. Так, если одной для ее разрушения на четыре части при ударе
об отбойную деку требуется скорость 100 м/с (частица первого уровня прочности), то другая при такой скорости разрушится лишь на две части (частица второго уровня), а третьей потребуется 150 м/с для разрушения на 2 части (частица третьего уровня).
Если мельница будет иметь одну ступень измельчения, настроенную по скорости вращения ротора на среднюю по прочности частицу (2 уровня), то менее прочные частицы будут измельчены более, чем требуется, а более прочные останутся неизмельченными.
Рассмотрим вариант, когда мельница будет иметь несколько ступеней измельчения, с возможностью вывода частиц, удовлетворяющих требованиям к конечному продукту после каждой ступени измельчения [4 - 7] при условии настройки работы мельницы так, чтобы частицы 3 уровня разрушались на последней ступени. В этом случае частицы 2 уровня будут разрушены, не доходя до последней ступени, а частицы 1 уровня - на начальных ступенях. При таком подходе к проектированию измельчающих установок конечный продукт будет более выровнен по гранулометрическому составу, измельчаемые частицы будут проходить столько ступеней, сколько требуется для их измельчения до нужного размера. В случае если все частицы измельчаемого сырья будут измельчаться, не доходя до последней ступени, достаточно будет снизить скорость вращения ротора, обеспечив при этом полноценное использование всех этапов нагружения частиц в мельнице.
В работе представлены результаты исследований разрушения частиц серией ударов, при условии суммарно прикладываемой энергии за цикл ударов меньше энергии, требуемой для разрушения частиц с одного удара. Существуют различные методики определения
показателя измельчаемости, основанные на разрушении образца одним ударом и разрушении несколькими ударами [8 - 12]. Для моделирования процесса разрушения частиц ударом была разработана методика исследования прочностных свойств измельчаемых частиц, позволяющая определить оптимальные условия их разрушения с позиции энергоэффективности и качества конечного продукта. Для данной методики была создана исследовательская установка (рис. 1). Установка состоит из прозрачной трубки, основания - отбойной деки, груза-ударника и системы крепления трубки к основанию. Она позволяет определять требуемую для разрушения частиц энергию.
1 - трубка; 2 - основание; 3 - крепление трубки к основанию; М - масса ударника; т - масса разрушаемого образца
Рис. 1. Исследовательская установка определения энергоэффективности разрушения частиц
Первоначально определяется высота, с которой необходимо отпустить ударник массой М для разрушения частицы с одного раза. Эта величина - высота Н берется за основу. Отрезок длиной Н делится на n частей, где n принимает значения 1,2, 3.. .10.
Проводятся циклы ударов с высоты H/n n раз. Например, при n = 3 груз-ударник падает на исследуемый образец с высоты Н/3 3 раза. После каждого удара измельчаемый образец фотографируется. Результаты экспериментов представлены в табл. 1 и в графическом виде на рис. 2.
Таблица 1
Энергия удара и эквивалентные скорости при разрушении образца 1
Обозначение высоты Величина высоты, мм Еп, Н v^, м/с
h 350 0,1372 58,6
h/2 175 0,0686 41,4
h/3 117 0,045864 33,9
h/4 88 0,344496 29,4
h/5 70 0,02744 26,2
h/6 58 0,022736 23,8
h/7 50 0,0196 22,1
h/8 44 0,017248 20,8
h/9 39 0,015288 19,5
h/10 35 0,01372 18,5
90,0%
80,0%
70,0%
| 60,0% х
Щ 50,0% § 40,0% О 30,0% 20,0% 10,0% 0,0%
2,5
0,5
0,315
0,16
dno
Размер, мм
Рис. 2. Гранулометрический состав конечного продукта при разрушении образца 1 с высоты Н/п п раз,
где п принимает значения 1, 2, 3, 4, 5
Опытным путем выявлено, что для полного разрушения гороха (образец 1) при массе ударника 40 г, необходима высота h = 350 мм.
Были проведены исследования гранулометрического состава конечного продукта для образца, измельченного с высоты Н/п п раз, где п принимает значения 1, 2, 3, 4, 5 на рассеве лабораторном У1-ЕРЛ-10 c набором сит У1-ЕСЛ-К (2,5 мм, 1,0 мм, 500 мкм, 315 мкм и 160 мкм). Результаты исследований представлены в табл. 2. Номер «4.2» под фотографией говорит о том, что снимок сделан после 2-го удара груза по образцу с высоты Н/4.
Таблица 2
Результаты разрушения образца 1 серией ударов
1.1
2.1
2.2
3.1
3.2
3.3
4.1
4.2
4.3
4.4
5.5
7.7
Была проведена оценка экспериментов по разрушению образца 2.
В табл. 3 представлен гранулометрический состав частиц, полученных разрушением с высот И, И/2, Ь/3, Ь/4, Ь/5, И/6. Анализируя полученные данные, можно увидеть, что основную массу частиц, составляют частицы размером более 2,5 мм и 1,0 - 2,5 мм. Экспериментально доказано, что уже с 3 удара с высоты И/4 и с 4 удара с высоты И/5 эффективность разрушения сопоставима с вариантами И/2, И/4, И/5 с полным циклом ударов. Для более детального исследования разрушения частиц с указанных выше режимов, были проведены экспериментальные исследования.
Таблица 3
Гранулометрический состав конечного продукта, при разрушении образца 2 при полном цикле ударов
Фракции (размер сита), мм Содержание фракций, %
h h/2 h/3 h/4 h/5 h/6
менее 0,16 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10
0,16 0,15 0,13 0,15 0,16 0,12 0,00
0,315 0,45 0,37 0,45 0,74 0,18 0,00
0,5 1,10 1,10 1,80 1,60 0,90 0,00
1 21,20 28,00 20,00 18,40 14,00 0,00
2,5 77,00 70,30 77,50 79,00 84,70 99,90
В табл. 4 представлен гранулометрический состав разрушений 3 ударами с высоты И/4 и 4 ударами с высоты И/5.
Таблица 4
Сравнение гранулометрического состава конечного продукта для режимов 3 удара с высоты h/4 и 4 удара с высоты h/5, образца 2
Размер сита, мм Содержание фракций, %
3 удара с h/4 4 удара с h/5
менее 0,16 0,10 0,07
0,16 0,12 0,11
0,315 0,18 0,12
0,5 1,00 0,50
1 16,70 11,20
2,5 81,90 88,00
Проводя анализ полученных данных, можно отметить, что гранулометрический состав конечного продукта образца 2, при разрушении 3 ударами с высоты И/4 практически идентичен случаю при полном разрушении с высоты И/4.
Аналогично, гранулометрический состав при разрушении 4 ударами с высоты И/5 практически идентичен составу при полном разрушении с высоты И/5. Это позволяет сделать вывод, что разрушение 4 ударами с высоты И/5 позволяет снизить затраты энергии на 20 %. Разрушение 3 ударами с высоты И/4 позволяет сэкономить уже 25 % энергии. При этом получаемый гранулометрический состав конечного продукта при разрушении 4 ударами с высоты И/5, крупнее, чем гранулометрический состав при разрушении 3 ударами с высоты И/4.
Согласно полученным данным по измельчению на ударной установке серией ударов (см. рис. 2) с позиции энергозатрат и качества конечного продукта наиболее эффективно разрушение тремя ударами, при разрушении одним, двумя, четырьмя, пятью ударами энергозатраты на единицу готовой продукции растут, и снижается степень измельчения продукта.
Были проведены экспериментальные исследования по разрушению зерен гороха в центробежной мельнице, имеющей одну ступень измельчения, две ступени измельчения и три ступени [13] при частотах вращения ротора от 1200 мин-1 до 6000 мин-1. Приводом мельницы служил асинхронный двигатель переменного тока с номинальной частотой вращения 3000 мин-1. Регулирование скорости вращения ротора в диапазоне оборотов выше номинальных было достигнуто за счет повышения частоты тока до 100 Гц (6000 мин-1).
На рис. 3 - 5 представлены графики гранулометрического состава образца 1 после измельчения на 1-, 2-, 3-ступенчатой центробежно-ударной мельнице с выводом продукта после каждой ступени измельчения. В экспериментах использовалось сито с ячейкой 1 мм, таким образом, частицы размером менее 1 мм выходили из зоны измельчения в случаях, когда мельница имела 2 или 3 рабочие камеры.
Рис. 3. Гранулометрический состав конечного продукта образца 1 при измельчении на 1 ступени при частоте тока 30-100 Гц (скорость вращения ротора мельницы 1200-6000 мин-1)
100.0 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0
Образец 1, 2 ступени (30-100 Гц)
-•-0.0 -«-30.0 —40.0 н*-50.0 -^60.0 -»-70.0 —^— 80.0 -90.0 ---100.0
2.5
1.0
0.5
0.3
дно
Рис. 4. Гранулометрический состав конечного продукта образца 1 при измельчении на 2 ступенях при частоте тока 30-100 Гц (скорость вращения ротора мельницы 1200-6000 мин-1)
Рис. 5. Гранулометрический состав конечного продукта образца 1 при измельчении на 3 ступенях при частоте тока 20-90 Гц (скорость вращения ротора мельницы 1200-6000 мин-1)
Результаты экспериментов по измельчению в центробежной мельнице с различным числом рабочих камер хорошо согласуются с данными, полученными при исследованиях измельчаемости на ударной установке, описанными выше. Трудоемкость проведения экспериментов на ударной установке значительно ниже и не требует изготовления сложного устройства, однако, как показало сравнение результатов, дает точные данные об эффективности измельчения материалов различным числом ударов при энергии удара меньше критической, при которой тело разрушается с одного удара и позволяет выбрать наиболее оптимальный режим измельчения с позиции затрат энергии, гранулометрического состава конечного продукта, определить параметры рабочих органов измельчающей установки при проектировании.
ВЫВОДЫ
Разработана методика эксперимента для определения эквивалентных скоростей и гранулометрического состава конечного продукта. Для этой методики была разработана ударная установка. Эксперименты по разрушению проводились на горохе и фасоли. Для каждого образца определены эквивалентные скорости при разрушении с различных высот. Определен гранулометрический состав конечного продукта, полученный при разрушении образцов.
Для образца 1 гранулометрический состав конечного продукта при разрушении 4 ударами с высоты h/5 сопоставим с вариантом h/4 и h/5 при полном цикле разрушений, и позволяет снизить затраты энергии на 20 %. При разрушении 3 ударами с высоты h/4, гранулометрический состав конечного продукта идентичен составу продукта при разрушении с 4 ударов с высоты h/5, и позволяет снизить затраты энергии на 25 %. Проведенные исследования показали, что с точки зрения энергоэффективности, для разрушения образца 1, наиболее эффективен вариант разрушения 3 ударами с высоты h/4. Было определено, что для образца 1 оптимальный режим разрушения с точки зрения экономии энергии - 3 удара со скоростью 29,4 м/с. Такой режим позволяет уменьшить расходы энергии на 25 % (в сравнении с разрушением одним ударом со скоростью 58,5 м/с).
Для образца 2 разрушение 4 ударами с высоты h/5 позволяет снизить затраты энергии на 20 %, а разрушение 3 ударами с высоты h/4 позволяет сэкономить 25 % энергии по сравнению с полным циклом ударов. С точки зрения энергоэффективности, для разрушения фасоли, наиболее эффективен вариант разрушения 3 ударами с высоты h/4.
Данная методика позволяет определять необходимую скорость разрушения материала, оптимальный режим разрушения и получаемый гранулометрический состав конечного продукта.
Результаты экспериментов по измельчению в многоступенчатой центробежной мельнице с различным числом рабочих камер хорошо согласуются с данными, полученными при исследованиях измельчаемости на ударной установке, описанными выше и позволяет выбрать наиболее оптимальный режим измельчения различных твердо-сыпучих материалов с позиции затрат энергии, гранулометрического состава конечного продукта, определить параметры рабочих органов измельчающей установки при проектировании.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глебов Л. А. Интенсификация процесса измельчения сырья в производстве комбикормов : дис. ... докт. техн. наук. М., 1990. 450 с.
2. Золотарев С. В. Ударно-центробежные измельчители фуражного зерна (основы теории и расчета). Барнаул: ГИПП «Алтай», 2001. 200 с.
3. Товаров В. В., Оскаленко, Г. Н. Исследование вылета частиц из лопастных роторов центробежных измельчающих машин // Труды института Гипроцемент. Вып. XXIV. М.: Госстройиздат, 1962. С. 64-91.
4. Липанов А. М., Жиров Д. К. Математическое моделирование динамики движения частиц в установках по измельчению центробежно-ударного типа. Часть 1. Математическая модель // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 16, № 1. С. 82-87.
5. Липанов А. М., Жиров Д. К. Результаты применения автоматической системы управления процессом переработки алюминиевого шлака // Цветные металлы. 2014. № 7(859). С. 87-92.
6. Липанов А. М., Жиров Д. К. Исследование многоступенчатых центробежно-ударных измельчителей // Вестник машиностроения. 2013. № 8. С. 22-24.
7. Денисов В. А., Жиров Д. К. Разработка программы САР линии по безотходной переработке многокомпонентных материалов на примере алюминиевого шлака // Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т. 13, № 2. С. 285-289.
8. Протодьяконов М. М. Определение крепости угля на шахтах // Уголь. 1950. № 9. С. 20-24.
9. Феппль А. Теория сопротивления материалов и теория упругости : пер. с нем. А. Бубликова. Санкт-Петербург: Изд-во «Паровая Скоропечатня П.О. Яблонского», 1901. 418 с.
10. Сысков К. И. Методика определения прочности кусковых материалов // Заводская лаборатория. 1947. № 10. С. 1202-1205.
11. Барон Л. И., Логунцов Б. М., Позин Е. З. Определение свойства горных пород. М.: Госгортехиздат, 1962. 332 с.
12. Remenyi K. The theory of grindability and the comminution of binary mixtures. Budapest: Akademiai Kiado, 1974. 144 p.
13. Жиров Д. К. Многоступенчатая центробежно-ударная мельница // Патент РФ на полезную модель № 153992, 2015.
THE PRELIMINARY EVALUATION METHODOLOGY OF MATERIALS DISSOLVENCY, PARAMETERS OF DESIGN AND OPERATING MODES OF CENTRIFUGAL MILL
1Zhirov D. K., 2Terentiev E. I.
institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
2Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia
SUMMARY. Multi-component materials are characterized by mechanical parameters: hardness, friability, bulk density, chemical composition. If we consider a multicomponent material as a feedstock for further processing, then, as a rule, it's solid particles with air in the voids. The distance between particles in a material during its processing varies continuously. As a result, the bulk density of particulate material is not constant value. Static or dynamic compressive load to the material allows to significantly reduce the distance between solid particles. The dynamic load, unlike static allows to compress material more. Every day over a hundred million tons of various materials is processed in the world. Mechanical grinding is the first step in process of obtaining high-strength structural nanomaterials. Greatest share of crushed raw materials is a bulk material, containing a few non-uniform components in the structure. There are minerals, non-metallic minerals, slag, grain, waste industry, agriculture, etc.
Grinding materials can be produced in various ways, the most common: crush breakage, impact, abrasion, cutting or a combination of these methods. The analysis of the static and dynamic loading research of different materials shows that the most effective milling method for majority of heterogeneous multi-component materials is a free kick.
The analysis of existing methods for determining the grindability index from the point of efficiency using to determine the impact energy and impact quantity on the destruction process in the multistage centrifugal impact mills is produced. The analysis showed many shortcomings in existing methods applied to modeling the milling process in multistage centrifugal mills. The particle destruction technique a series of punches, provided for a total applied energy shock cycle less the energy required to break the particles with one shock has been developed. This technique allows the most authentically simulate the particles destruction process the in the multi-stage centrifugal impact mills, and allows you to define the required particle acceleration speed of the material, the optimal mode of destruction and the expected particle size distribution for the given parameters of work.
Experimental studies were carried out on the destruction of pea seeds in a centrifugal mill having one grinding stage, two stages of grinding and three stages at rotor speeds from 1200 min-1 to 6000 min-1. The results of grinding experiments in a centrifugal mill with a different number of working chambers are in good agreement with the data obtained during grinding studies on the impact unit, which confirms the adequacy of the developed technique for preliminary assessment of the grindability of materials, design parameters and operating conditions of a centrifugal mill.
Using developed techniques in conjunction with the developed particles motion model to disperse blades can be used in the design of centrifugal impact crushers and to select optimal modes of existing mills at crushing various solid-bulk materials.
KEYWORDS: shock, grading, particle, multi-step mill, grindability index,. grindability method. REFERENCES
1. Glebov L. A. Intensifikatsiya protsessa izmel'cheniya syr'ya v proizvodstve kombikormov [Intensification of the process of grinding raw materials in the production of mixed fodders]. Moscow, 1990. 450 p.
2. Zolotarev S. V. Udarno-tsentrobezhnye izmel'chiteli furazhnogo zerna (osnovy teorii i rascheta) [Shock-Centrifugal crushers feed grains (basic theory and calculation)]. Barnaul: GIPP «Altay» Publ., 2001. 200 p.
3. Tovarov V. V., Oskalenko G. N. Issledovanie vyleta chastits iz lopastnykh rotorov tsentrobezhnykh izmel'chayushchikh mashin [The study of particle emission from the rotor blade centrifugal grinding machines]. Trudy instituta Giprotsement. Vyp. XXIV [Proceedings of the Institute Giprocement. Issue. XXIV], Moscow: Gosstroyizdat Publ., 1962, pp. 64-91.
4. Lipanov A. M., Zhirov D. K. Matematicheskoe modelirovanie dinamiki dvizheniya chastits v ustanovkakh po izmel'cheniyu tsentrobezhno-udarnogo tipa. Chast' 1. Matematicheskaya model' [Modeling particles dynamic motion on centrifugal shock mill blades. Part 1. Mathematical model]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2014, vol. 16, no. 1, pp. 82-87.
5. Lipanov A. M., Zhirov D. K. Rezul'taty primeneniya avtomaticheskoy sistemy upravleniya protsessom pererabotki alyuminievogo shlaka [Results of application of automatic system of controlling of process of aluminium slag processing]. Tsvetnye metally [Non-ferrous metals], 2014, no. 7(859), pp. 87-92.
6. Lipanov A. M., Zhirov D. K. Issledovanie mnogostupenchatykh tsentrobezhno-udarnykh izmel'chiteley [Research of multistage centrifugal-impacting grinders]. Russian Engineering Research, 2013, no. 8, pp. 22-24.
7. Denisov V. A., Zhirov D. K. Razrabotka programmy SAR linii po bezotkhodnoy pererabotke mnogokomponentnykh materialov na primere alyuminievogo shlaka [Program preparation for automatic control system of waste-free processing line of multi-components materials in terms of aluminum dross]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2011, vol. 13, no. 2, pp. 285-289.
8. Protod'yakonov M. M. Opredelenie kreposti uglya na shakhtakh [Determination of coal fortress in mines]. Ugol' [Coal], 1950, no. 9, pp. 20-24.
9. Feppl' A. Teoriya soprotivleniya materialov i teoriya uprugosti [Theory of the resistance of materials and the theory of elasticity]. Per. s nem. A. Bublikova. St. Petersburg: Parovaya Skoropechatnya P.O. Yablonskogo Publ., 1901. 418 p.
10. Syskov K. I. Metodika opredeleniya prochnosti kuskovykh materialov [Method for determining the strength of lump materials]. Zavodskaya laboratoriya [Plant Laboratory], 1947, no. 10, pp. 1202-1205.
11. Baron L. I., Loguntsov B. M., Pozin E. Z. Opredeleniye svoistv gornih porod [Definition of rocks' properties]. Moscow: Gosgortehizdat Publ., 1962. 332 p.
12. Remenyi K. The theory of grindability and the comminution of binary mixtures. Budapest: Akademiai Kiado, 1974. 144 p.
13. Zhirov D. K. Mnogostupenchataya tsentrobezhno-udarnaya mel'nitsa [Multistage centrifugal-shock mill]. PatentRU, no. 153992, 2015.
Жиров Дмитрий Константинович, кандидат технических наук, научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412) 20-34-76, e-mail: [email protected]
Терентьев Егор Иосифович, магистр ИжГТУ имени М. Т. Калашникова
