Оценка износных характеристик рабочих инструментов валково-тарельчатых мельниц для приготовления пылеугольного топлива Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

к.т.н. Ульяницкий В. Н., к.т.н. Петров П. А., к.э.н. Ульяницкая О. В.

(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР), д.т.н. Еронько С. П.

(ДонНТУ, г. Донецк, ДНР)

ОЦЕНКА ИЗНОСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОЧИХ ИНСТРУМЕНТОВ ВАЛКОВО-ТАРЕЛЬЧАТЫХ МЕЛЬНИЦ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

В статье рассмотрены вопросы комплексной оценки показателей износных характеристик (параметров) рабочих инструментов — бандажей и сегментов — мельниц для приготовления пылеугольного топлива.

Ключевые слова: мельница, размольный валок, размольный стол, бандаж, сегмент, износ, пылеугольное топливо.

Машиностроение и машиноведение

УДК 621.926.3/8

Высокие энергетические затраты в металлургическом производстве обусловили поиск направлений снижения потребления дорогостоящих природного газа и кокса в доменной плавке [1, 2]. Многочисленные научные исследования и производственный опыт сошлись во мнении, что на данном этапе развития доменного производства наиболее эффективным альтернативным энергоносителем является пылеугольное топливо (ПУТ) [3, 4]. Для приготовления ПУТ используют измельчительные устройства нескольких типов и конструктивных конфигураций, получивших объединяющее название — валковые мельницы. Принципиальное их отличие заключается в кинематике силовой цепи главного привода, числе и геометрической форме измельчающих элементов машины [5, 6].

Однако процесс измельчения углей любой из мельниц осуществляется одинаково — путём раздавливания и частичного истирания размольными инструментами.

Важнейшей эксплуатационной характеристикой углеразмольных установок является величина износа рабочей поверхности размольного инструмента — валков и столов. У большинства современных мельниц измель-чительные элементы имеют сборную конструкцию: валки бандажированные, а столы

сегментированные. Именно бандажи валков и сегменты стола соприкасаются с измельчаемым материалом. Их рабочие поверхности изнашиваются, и при достижении нормативной величины износа бандажи и сегменты комплектно извлекаются из мельницы для реновации или отправки в металлолом.

Длительность рабочей компании размалывающих элементов валковых мельниц зависит от нескольких факторов, главными из которых являются абразивные свойства измельчаемого материала (в нашем случае углей) и противоизносные характеристики металла бандажей и сегментов [7]. По данным [8] наибольшую относительную износостойкость имеют легированные стали с повышенной твёрдостью. Проверка этого положения на различных сплавах и сталях [9] подтвердила, что зависимость относительной износостойкости от твёрдости сплава имеет прямолинейный характер.

Кроме того, на условия работы мельниц оказывают влияние неоднородности качества углей, исходная сегрегация и влажность, тонина (тонкость) помола ПУТ, обуславливающая надёжное зажигание и полное сгорание его в факеле на выходе из фурмы доменной печи.

Знание износных характеристик (интенсивность износа и его абсолютная величи-

Машиностроение и машиноведение

на) позволяет обслуживающему персоналу комплекса приготовления ПУТ установить оптимальный режим работы мельницы, определиться с периодичностью диагностирования (замеров) износа рабочих поверхностей измельчающего инструмента, снизить эксплуатационные расходы по замене изношенных бандажей и сегментов.

Целью статьи является определение из-носных характеристик рабочего инструмента вертикальных валково-тарельчатых мельниц MPS 3070 ВК и MPS 3550 ВК, приобретённых ПАО «Алчевский металлургический комбинат» у немецкой фирмы-изготовителя Pfeiffer AG (г. Кайзерслаутерн).

В этих мельницах приводными являются столы, чем обусловлена более простая кинематика главного привода машины. Мелющие холостые валки вращаются вокруг своих горизонтальных осей за счёт приводного усилия от стола через посредство измельчаемого угля. Три стационарных мелющих валка перемещаются в рабочей желобчатой поверхности медленно движущегося помольного стола. Положение валков на столе мельницы представлено на рисунках 1 и 2.

Как уже отмечалось, бандажи валков и сегменты стола, как наиболее изнашиваемые детали размольных элементов мельницы, выполнены съёмными.

Рисунок 1 Схема расположения измельчающих элементов машины: 1 — размольный валок; 2 — размольная плита (стол)

Рисунок 2 Схема расположения контактных рабочих поверхностей бандажа валка (1) и сегмента стола (2) мельницы: Яб, Яс — конструктивные радиусы образующих рабочих поверхностей бандажа

и сегмента; у — угол наклона оси валка относительно горизонтали перед запуском мельницы в работу

Этим обеспечивается доступность комплектной их замены новыми или отправки на восстановление.

Бандажи и сегменты изготовлены способом литья из легированного износостойкого высокохромистого чугуна марки 300Сг15Мо3, химический состав которого представлен в таблице 1.

Корпус валка, на который насаживается бандаж, изготовлен из конструкционной стали.

Соединение бандажа с корпусом валка осуществляется клеммовым креплением. Сегменты (а их 13 по окружности стола) располагаются в кольцевом гнезде и закрепляются клеммовым соединением.

Конструкции бандажа и сегмента мельницы MРS 3070 ВК приведены на рисунках 3 и 4.

К числу износных характеристик относят потерю собственного веса рабочим органом мельницы в процессе измельчения материала.

Машиностроение и машиноведение

Химический состав материала мелющих элементов бандажей и сегментов

Таблица 1

Наименование химического элемента

С

Si

Mn

Cr

Mo

Ni

V

P

Содержание, %

2,62

0,89

0,25

15,6

2,41

0,65

0,057

0,017

0,011

Рисунок 3 Конструкция бандажа размольного валка

Рисунок 4 Конструкция сегмента размольного стола

Для определения показателя потери веса бандажами и сегментами мельницы MРS 3070 ВК в условиях ПАО «АМК» воспользовались двумя методами.

Первый — достаточно простой и точный — это взвешивание инструмента после вывода из эксплуатации на замену новым или реставрацию. Демонтированные бандажи и сегменты подвергались тщательной очистке от остатков пылеугольной среды, обрабатывались подогретым сжатым воздухом и взвешивались на электронных весах участка весового хозяйства комбината. Результаты такого исследования представлены в таблице 2.

Первоначальный вес штатных новых инструментов составлял: бандажа — 4100 кг, сегмента — 545 кг. Собственно, после измельчения 196 тыс. т угольной массы вес бандажа составил 3500 кг, а сегмента — 429,6 кг. Таким образом, абсолютный износный показатель (потеря веса) составил: бандажа — 600 кг (14,6 % первоначального веса), сегмента — 115,4 кг (21,2 %), суммарный показатель всех (3 бандажей и 13 сегментов) рабочих элементов достиг 3300 кг (17,0 %).

Из относительных показателей износа наиболее информативным является потеря веса инструмента относительно количества (массы) обработанного угля. Для удобства сравнения принято пользоваться размерностью кг/тыс. т.

Относительный показатель позволяет эксплуатационной службе, имея базу накопленных данных, диагностировать (контролировать) техническое состояние рабочих элементов и намечать сроки вывода дефектных бандажей и сегментов мельницы на реставрацию.

S

Машиностроение и машиноведение

Таблица 2

Показатели измерения износа (мм) в контрольных точках бандажа и сегмента

Время эксплуатации с момента пуска, часов Измельчено угольной шихты, тыс. т Износные показатели

Первоначальный вес нового изделия, кг Абсолютная износная потеря веса, кг Относительные потери

относительно первоначального веса, кг/кг относительно массы измельчённого угля, кг/тыс. т за час эксплуатации, кг/час

4387 196 Бандажи валков

4100* 600 0,146 3,06 0,137

12300** 1800 9,18 0,410

Сегменты стола

545* 115,4 0,212 0,588 0,026

7085** 1500,2 7,644 0,342

Суммарные (бандажей и сегментов) показатели

19385 3300,2 0,170 16,824 0,752

* — показатель одного изделия

** — показатель комплекта изделий в машине

Временной показатель потери веса (кг/час) недостаточно информативен, поскольку продолжительность работы мельницы, из-за возможных непредвиденных обстоятельств, меньше календарного времени.

Обслуживающему персоналу желательно иметь возможность определять износ-ный показатель по потере веса в любой момент эксплуатационного периода.

В этом случае уместен аналитический метод, позволяющий по данным замера абсолютного износа в контрольных точках на маркировочных линиях рассчитывать все составляющие износных характеристик: площадь износа, объём изношенной части инструмента, а по нему — потерю веса бандажом и сегментом.

Известные предельные потери веса обуславливают полные издержки восстановления изношенных поверхностей рабочего инструмента (если оно экономически обосновано) и влияют на эксплуатационные показатели мельницы.

В качестве примера рассмотрим аналитические зависимости, определяющие из-носные характеристики бандажа размольного валка.

Потерю веса Gпи рабочим инструментом при износе определяем по формуле

Gи = V • р, (1)

где Уи — объём изношенной части;

р — объёмная масса металла размольного инструмента.

Величину объёма изношенной части находим по зависимости

V = Sи • ¿и, (2)

где Sи — площадь износа рабочей поверхности бандажа в радиальном сечении; — длина (протяжённость) износа

рабочей части бандажа в окружном направлении. Для нашего случая — длина окружности, проходящая через центр тяжести площади износа.

Для определения величины Sи применим графоаналитический метод, поскольку строго теоретически рассчитать площадь износа бандажа с достаточной точностью затруднительно из-за её близкой к серпо-видности формы.

Машиностроение и машиноведение

На основании данных замеров радиального износа в контрольных точках на маркировочных линиях (МЛ) с помощью шаблона (рис. 5) выполнено графическое изображение границы фронта износа рабочей поверхности бандажа.

Получение достоверных расчётных показателей обусловило необходимость выполнить графическое изображение поверхности износа на миллиметровой бумаге в масштабе 1:1. Для наглядности уменьшенная копия дана на рисунке 6.

А — шаблон; Б — бандаж; Г — граница износа; ПК — проектный контур рабочей поверхности бандажа; П — площадь износа; МЛ — маркировочная линия; Д — упор для шаблона; 1, 2, 3 ... 11 — контрольные

точки замеров радиального износа на МЛ

Рисунок 5 Схема измерения износа рабочей поверхности бандажа мелющего валка

с помощью шаблона

Рисунок 6 Графическое построение радиального износа рабочей поверхности бандажей: МЛ — маркировочные линии; 1, 2, 3 ... 11 — контрольные точки

Машиностроение и машиноведение

Далее поверхность износа разбивалась между маркировочными линиями на 10 элементарных участков, 8 из которых по форме близки к прямоугольнику или трапеции, концевые — к треугольнику (рис. 6).

Площадь износа рабочей поверхности с внешней стороны бандажа ограничена контуром проектной кривой радиуса R, а граница глубины (Г) износа — некоторой слегка волнообразной линией, характеризующейся неравномерностью износа, зафиксированного в контрольных точках. Результаты замера величины абсолютного радиального износа рабочей поверхности бандажа перед его заменой занесены в таблицу 3.

Для расчёта площади износа элементарного участка (рис. 7) приняли его форму близкой к трапеции, в которой нижнее основание обозначено 1н/, верхнее — 1в/, боковые стороны — ARi и ЛЯ/+1 (ЛЯ^). В соответствии с графическим построением lнi представляет собой дугу длиной -70 мм для всех участков. На формирование величины 1вi оказывают влияние соседние показатели износа ЛRi и ЛRi+1 (ЛRi_1), являющиеся боковыми сторонами трапеции (рис. 7). Величина угла р « 10° обусловлена расположением маркировочных линий на шаблоне.

Принятое допущение замены фактической формы площади элементарного участка близким к трапеции вносит незначительную погрешность в результаты расчёта, о чём свидетельствует сопоставление величин, определённых экспериментально, и расчётных (см. табл. 4).

Расчёт площади износа элементарного участка выполнен по формуле:

для трапеции

1щ + в AR + ARi+1

S =

2

2

для треугольника

1

Si = 2 в-Щ.

(3)

(4)

Объём износа элементарного участка бандажа представляет собой кольцевую фигуру и определяется по формуле

V = S • C

(5)

где V — объём износа /-го участка, мм3; Si — величина площади износа /-го участка, мм2;

С — длина окружности центра тяжести площади /-го элементарного участка.

о/ — центр тяжести площади элементарного участка; Я/ — радиус положения точки О/ относительно точки О

Рисунок 7 Схема выделенного элементарного участка изношенной поверхности бандажа

Данные замера радиального износа бандажа валка

Таблица 3

Время эксплуатации с момента запуска в работу, часов

Измельчено, тыс тонн

Радиальный износ бандажа, ЛЯ., мм

Номера контрольных точек на маркировочных линиях

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

4387

196

11

17

23

27

30

27

18

15

12

0

0

Машиностроение и машиноведение

В соответствии с построением С, является длиной окружности, проходящей через центр тяжести О, элементарной площади

износа (см. рис. 7): С, = к-Д, где Д — диаметр окружности С, по точке О,.

С учётом конструктивных параметров бандажа диаметр окружности Д составит (см. рисунки 7 и 3)

Д = 2Я, + 25. (6)

Тогда

С = 2к( Я + 5). (7)

С учётом формул (3), (4), (7) получим объёмы /-тых колец, имеющих сечение:

трапециевидных площадок износа

(1н + в ля +ля

V, = - 2 '+1 - 2к (я, + 5) ;(8)

концевых (треугольного) площадок износа V = в- Щ к(я + 5). (9) Определяем потери веса по формуле

Gi = V -р. (10)

Обычно для чёрных металлов объёмная масса р =7500...8750 кг/м3, в расчётах принимали р =7850 кг/м3.

Достоверность полученных характеристик износа зависит от точности замера радиального износа рабочей поверхности бандажа с помощью шаблона и точности графоаналитического метода определения площади износа бандажа.

Для большей достоверности полученных результатов оценки износных характеристик бандажа, величину элементарных площадок радиального износа (см. рис. 7) замеряли с помощью планиметра полярного модели ПП-2к.

Данные величин износа рабочей поверхности бандажа валково-тарельчатой мельницы MPS 3070 ВК по десяти (n=10) элементарным участкам, полученные аналитическим расчётом и с помощью планиметра, представлены в таблице 4.

В аналитических расчётах использованы геометрические параметры конструкции бандажа: D =1750 мм, R6 =490 мм, 5 =385 мм (см. рис. 3).

Таблица 4

Данные экспериментальных (AR-, R, lнj, lвj, Sm) и расчетных (Dj, Q, Sj, Vj, Gi) величин износа рабочей поверхности бандажа валково-тарельчатой мельницы MPS 3070 ВК

n AR R S. Di С. S. Vi х106 G iSbSfln) Snn

- мм мм мм мм 2 мм мм мм 2 мм 3 мм кг %

1 11 479 0 63 679 1749 5492 698,25 3,84 30,1 2,84

2 17 473 70 68 1053 1742 5470 966 5,28 41,49 -8,26

3 23 467 70 67 1444 1730 5433 1370 7,44 58,43 -5,12

4 27 463 70 65 1738 1720 5400 1687,5 9,11 71,54 -2,91

5 30 460 70 64 1994 1713 5379 1909,5 10,3 80,63 -4,24

6 27 463 70 64 1980 1713 5379 1909,5 10,3 80,62 -3,56

7 18 472 70 67 1660 1725 5417 1581,25 8,35 65,53 -4,74

8 15 475 70 67 1292 1735 5448 1198,75 6,53 51,27 -7,22

9 12 480 70 68 1018 1745 5479 962,5 4,73 37,1 -5,45

10 10 480 0 68 628 1743 5498 631,75 3,47 27,26 0,60

13486 12915 543,98

— экспериментальные,

— расчётные значения

Машиностроение и машиноведение

Сопоставительный анализ данных таблицы 4 свидетельствует о том, что величины площади износа рабочей поверхности бандажа в радиальном сечении, полученные аналитическим расчётом на основе графоаналитического метода и измеренные планиметром, отличаются в среднем на 4,5 %. Разброс граничных показателей по всем десяти элементарным участкам составил пределы 0,6.8,26 %. Величина суммарной площади износа, соответственно, составила: ^=12915 мм2, Sпп=13486 мм2, т. е. результат, измеренный планиметром, на 4,2 % более достоверен.

Однако использование в практических целях способа измерения площади износа планиметром маловероятно. Благодаря своей более высокой достоверности он применим в экспериментальном исследовании, когда требуется системный анализ факторов и показателей, обуславливающих процесс изнашивания рабочего инструмента. Для механослужбы участка приготовления ПУТ целесообразно использовать графоаналитический метод определения износных характеристик бандажа валка мельницы.

Выводы.

1. Основными факторами, обуславливающими износ рабочих поверхностей

Библиографический список

бандажей и сегментов мельниц, являются: абразивные свойства измельчаемых углей, исходные размеры (кусковатость) шихты и конечного продукта (тонина помола), механические параметры материала мелющих инструментов, количество переработанной угольной массы.

2. Исследование методов оценки износ-ных характеристик бандажей валка и сегментов стола даёт основание использовать наиболее доступный для механослужбы способ ориентировочного контроля состояния рабочей поверхности — устанавливать величину износа по количеству измельчённого угля за определённый период работы мельницы. Такой приём удобен тем, что не требует остановки машины для снятия показаний на маркировочных линиях и уменьшает риск внеплановых простоев оборудования.

3. Контрольные измерения необходимы только тогда, когда показатель износа по количеству тонн измельчённого угля приблизиться к предельно допустимой величине — 70 мм, установленной изготовителем мельницы. В этом случае будет приниматься решение о возможности дальнейшей эксплуатации рабочих инструментов или вывода их в реставрацию.

1. Мороз, А. Я. Использование энергоносителей в производстве продукции на металлургических и коксохимических предприятиях Донецкой области в 2011 году [Текст] / А. Я. Мороз, И. Т. Резниченко, С. Н. Тупилко // Металлургические процессы и оборудование. — Донецк, 2012. — № 1 —С. 12-16.

2. Новохатский, А. М. Проблемы замены кокса альтернативными видами топлива и пути их решения [Текст] : монография /А. М. Новохатский, А. В. Карпов. — Алчевск : ДонГТУ, 2013. — 182 с.

3. Alternate Carbon Sources for Sintering of Iron Ore (Acasos) / Roland Pietruck [ets]. — Luxembourg Office of the European Union, 2013. — 71 р.

4. Ульяницкий, В. Н. Особенности эксплуатации валковых мельниц для приготовления пылеугольного топлива [Текст] / В. Н. Ульяницкий, П. А. Петров, О. В. Ульяницкая, Р. Ю. Коробов // Сб. науч. трудов ДонГТУ. — Алчевск : ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ», 2017. — № 7 (50). — С. 146-152.

5. ГОСТ Р 55853-2013. Мельницы валковые среднеходные. Типы, основные параметры, технические требования [Текст]. — Введ. 2013-22-11. — М. : Стандартинформ, 2014. — 13 с.

6. Ульяницкий, В. Н. Анализ конструктивных особенностей и функциональных возможностей мельниц для приготовления пылеугольного топлива [Текст] / В. Н. Ульяницкий, А. М. Новохатский, П. А. Петров // Сб. науч. трудов ДонГТУ. — Алчевск : ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ», 2018. — № 9 (52). — С. 105-114.

Машиностроение и машиноведение

7. Клушанцев, Б. В. Дробилки. Конструкция, расчёт, особенности эксплуатации [Текст] / Б. В. Клушанцев, А. И. Косарев, Ю. А. Муйземнек. — М. : Машиностроение, 1990. — 320 с. : ил.

8. Хрущов, М. М. Исследование изнашивания металлов [Текст] / М. М. Хрущов, М. А. Бабичев. — М. : Изд-во АН СССР, 1960. — 352 с.

9. Волковинский, В. А. Мельницы-вентиляторы [Текст] / В. А. Волковинский, К. Ф. Роддатис, А. А. Харламов ; под общ. ред. проф. К. Ф. Роддатиса. — М. : Энергия, 1971. — 288 с.

© Ульяницкий В. Н. © Петров П. А. © Ульяницкая О. В. © Еронько С. П.

Рекомендована к печати д.т.н., проф. каф. ММК ДонГТУ Харламовым Ю. А.,

д.т.н., проф. каф. ГиПТЛНУ им. В. Даля Замота Т. Н.

Статья поступила в редакцию 11.01.19.

к.т.н. Ульяницький В. Н., к.т.н. Петров П. О., к.е.н. Ульяницька О. В. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР), д.т.н. еронько С. П. (ДонНТУ, м. Донецьк, ДНР)

ОЦ1НКА ЗНОСНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ РОБОЧИХ 1НСТРУМЕНТ1В ВАЛКОВО-ТАР1ЛЧАСТИХ МЛИН1В ДЛЯ ПРИГОТУВАННЯ ПИЛОВУГЫЬНОГО ПАЛИВА

У статт1 розглянуто питання комплексно! оцтки показниюв зносних характеристик (пара-метр1в) робочих iнструмент1в — бандаж1в i сегмент1в — млитв для приготування пиловугть-ного палива.

Ключовi слова: млин, розмольний валок, розмольний сты, бандаж, сегмент, знос, пиловугшь-не паливо.

PhD Ulianitskiy V. N., PhD Petrov P. A., PhD Ulianitskaia O. V. (DonSTU, Alchevsk, LPR), Doctor of Tech. Sc. Eron'ko S. P. (DonNTU, Donetsk, DPR)

ASSESSMENT OF WEAR CHARACTERISTICS OF OPERATING TOOLS OF THE ROLLER-PLATE MILLS FOR THE PULVERIZED COAL FUEL PREPARATION

The article deals with the issues of a full assessment of indicators of wear characteristics (parameters) of operating tools — sleeves and segments — mills for the pulverized coal preparation. Key words: mill, grinding roll, grinding table, sleeve, segment, wear, pulverized coal fuel.