CC BY
84
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 622.733:621.926
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФУТЕРОВКИ БАРАБАННОЙ МЕЛЬНИЦЫ НА ОСНОВЕ УЧЕТА ХАРАКТЕРА ДВИЖЕНИЯ ШАРОВОЙ ЗАГРУЗКИ
© 2012 г. Н.И. Сысоев, П.В. Маляров, Е.В. Скляров
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Изучен характер движения шаровой загрузки в барабанных мельницах с резинометаллической футеровкой в зависимости от режимов работы и уточнен механизм взаимодействия шаровой загрузки с футеровкой типа «лифтер - плита». Обоснованы критерии выбора конструктивных параметров рези-нометаллических футеровок и сформулированы рекомендации по их совершенствованию.
Ключевые слова: барабанная мельница; шаровая загрузка; резинометаллическая футеровка; траектория движения; удар; износ.
The movement character of ball load in tumbling mills with rubber-steel lining was examined in dependence of operating regimes, and amended mechanism of interaction ball load with lining «lifter - slab». Criterions of choice design values of rubber-metal lining were proved and recommendation for improving were formulated.
Keywords: tumbling mills; ball load; rubber-steel lining; trajectory of motion; impact; excessive ware.
Барабанные (шаровые) мельницы находят широкое применение для осуществления процессов дезинтеграции минерального сырья при подготовке руд к обогащению. Эти процессы являются весьма энергоемкими и сопровождаются интенсивным износом оборудования, особенно тех узлов и деталей, которые имеют непосредственный контакт с перерабатываемым материалом: футеровка барабана, разгрузочные решетки и мелющие тела. Несмотря на многолетний опыт использования барабанных мельниц с резиновой футеровкой, пока не удается в мельницах первой стадии эффективно применять этот вид футеровки. Главной причиной является то, что энергия взаимодействия шаров с футеровкой формирует импульсы сил, зачастую превышающие предельные по прочности резины. Снижение уровня энергии понижает эффективность дробления. Для разрешения этих противоречий требуется более тщательно изучить картину движения мелющих тел и взаимодействие их с резиновой футеровкой.
Экспериментально и теоретически установлено [1], что режим работы шаровых мельниц, у которых частота вращения барабана не превышает 80 % от критической, соответствует смешанному и характеризуется следующими особенностями:
- шары вместе с барабаном на некоторой части своих траекторий движутся по окружности, однако скольжение между слоями шаровой загрузки имеет место, причем характер скольжения зависит от режима работы мельницы и типа профиля футеровочных плит;
- скольжение загрузки на траекториях подъема приводит к тому, что при обычных скоростях вращения барабана (у = 70 - 80 % от критической) двухфазный режим не реализуется, а на практике контур внешнего слоя загрузки является трехфазным (рис. 1);
- в большинстве случаев шары движутся по замкнутым траекториям, т.е. при переходе на круговые траектории шар движется по окружности того же диаметра, что и при подъеме в предыдущем цикле.
Рис. 1. Контур внешнего слоя шаровой загрузки при смешанном режиме
Движение шаров внешнего контура можно представить в виде элементарных частей сложной траек-
тории: подъем по круговым траекториям CDA; движение по параболическим траекториям АВ; откатка по пяте ВС под углом е к оси абсцисс с эксцентриситетом e относительно центра вращения мельницы. При этом а является углом отрыва, а ß углом падения шаров внешнего слоя. При трехфазном цикле движение шаровой загрузки по внешнему контуру пяты перед ударом по футеровке происходит по прямой ЕС со скоростью Vm, которая имеет физический смысл абсолютной скорости шаров внешнего слоя. При повышенных частотах вращения, когда шары внешнего слоя переходят на траектории двухфазного цикла, абсолютная скорость определяется по известной формуле
Vm 1 + 8sin2 а .
ш 60
Величина эксцентриситета e абсолютной траектории шаров внешнего контура пяты, а также величина абсолютной скорости Уш зависят не только от параметров механического режима, но и от типа футеро-вочных плит.
В начальный период работы при увеличении частоты вращения для любого заполнения ф имеет место плавное уменьшение значения эксцентриситета, а затем при небольшом приращении частоты вращения барабана значение e уменьшается в несколько раз. При дальнейшем увеличении частоты вращения барабана изменения значений эксцентриситета вновь приобретают плавный характер. Такое явление можно объяснить тем, что при вращении барабана с частотой, не превышающей 80 % от критической, внешний слой шаров падает сначала на пяту, а затем сползает по ней к футеровке.
При частотах вращения барабана свыше 85 % от критической шары наносят удары по футеровке с параболических траекторий. В данном случае шары внешнего слоя переходят на траектории двухфазного режима.
При падении шаров на пяту имеет место их торможение, далее шары перемещаются по внешнему контуру пяты со скоростью, значительно меньшей, чем при движении по параболе. С переходом внешнего слоя загрузки в режим, соответствующий двухфазному циклу, абсолютная скорость VB1 резко возрастает, так как торможение на всех участках траектории падения отсутствует, вплоть до удара по футеровке.
Подобные процессы происходят и при работе инструментов горных машин [2] и исполнительных органов, что косвенно подтверждает правильность данных рассуждений.
В 2003 г. были опубликованы исследования зарубежных авторов [3], также выполненные на физической модели шаровой мельницы с прозрачным торцом. Распределение загрузки по зонам, а также характер её взаимодействия с футеровкой полностью совпадали с результатами, полученными нами в 70-е гг. прошлого столетия.
Кроме этого впервые были определены кинематические параметры взаимодействия загрузки с футе-
ровкой во всем диапазоне параметров механического режима промышленных измельчительных установок.
При проведении экспериментальных исследований было принято, что при одинаковом сцеплении шаров с футеровкой их движение определяют только параметры механического режима. Одинаковое сцепление загрузки с футеровкой было обеспечено пропорциональным уменьшением размеров мельницы, футеровки, шаров и крупности загружаемой руды, т. е. на основе теории подобия и размерности. Эксперимент проводился при заполнении шарами ф = 0,45 полного объема и относительной частотой вращения у = 80 % от критической. Оказалось, что при таких параметрах механического режима характерным является наличие зоны пяты, где происходит интенсивное измельчение истиранием и ударом, а также износ мелющих тел и футеровки.
Известно, что гладкая футеровка имеет малый коэффициент сцепления с шарами, из-за чего на траекториях подъема всегда имеет место скольжение загрузки, а следовательно, понижение производительности мельницы и повышенный износ броневых плит. Исследования [4] показали, что на круговых траекториях подъема в мельницах с фасонной футеровкой любого профиля скольжение внешнего слоя шаровой загрузки отсутствует, однако для разных профилей характер движения шаров внешнего слоя различен.
При расчете траектории движения шаров внешнего слоя «пяты» установлено, что удар шаров по футе-ровочным плитам происходит под некоторым углом атаки 5. Очевидно, что при смешанном режиме работы шаровых мельниц по футеровке в зоне «пяты» наносят удары шары только внешнего контура.
От величины угла атаки зависит, будет ли происходить удар шаров по поверхности футеровки со скольжением или без него. В первом случае наблюдается повышенный износ броневых плит и снижение производительности мельницы. Формула для расчета угла атаки, при ударе шаровой загрузки по футеровке, при смешанном режиме представлена в виде
5 = п/2 - аг^^+еУлД - е2 ,
где k - отношение скорости сползания шаров по «пяте» к окружной скорости барабана Кокр = ^; е - эксцентриситет прямолинейного участка «пяты» ВС по отношению к оси вращения барабана (рис. 1).
Известно, что наиболее эффективной будет та футеровка, которая способна остановить и увлечь на траектории подъема шаровую загрузку сразу же после контакта без проскальзывания. В настоящее время широкое распространение в практике измельчения получила ячейковая футеровка, спроектированная с учетом кинематических параметров смешанного режима (рис. 2).
В настоящее время ячейковые футеровки успешно применяются на ряде обогатительных предприятий цветной и черной металлургии. Эксплуатация данной футеровки подтвердила правомерность теоретических предпосылок. Ячейковая футеровка обеспечивает надежный захват шаровой загрузки сразу же после
А - А
Рис. 2. Модернизированная ячейковая футеровочная плита
контакта и её перемещение как в продольном, так и в поперечном сечениях. Эта футеровка характеризуется высокой износостойкостью и позволила в условиях ОАО «ГМК Норильский никель» увеличить производительность и экономить 380 т высококачественной марганцовистой стали в год [5].
Сегодня на ряде предприятий в мельницах II и III стадии измельчения используется резиновая футеровка типа «лифтер - плита». Такие футеровки применяются на мельницах с диаметрами барабанов до 3200 мм и с шарами диаметром не более 80 мм, так как с увеличением типоразмера мельниц и диаметров шаров имеет место явно выраженный абразивный износ, до сквозных отверстий (рис. 3).
Рис. 3. Сквозной износ лифтера резиновой футеровки
На рис. 4 представлен график энергетических уровней и импульса силы при соударении шаров внешнего слоя загрузки с футеровками различных типов.
Из графика видно, что энергия взаимодействия у резиновой футеровки в момент удара ниже энергетического уровня, необходимого для разрушения минералов при однократном воздействии. А в конструкции резинометаллической футеровки используется эффект конструкционного демпфирования, который позволяет снизить импульс силы и тем самым уменьшить пластические деформации металлических поверхно-
стей при соударении. Вместе с тем снижение импульса силы при соударении шаров с футеровкой не приводит к понижению производительности, так как энергия взаимодействия достаточная, чтобы разрушить минерал при однократном воздействии.
Р
1 . I уровень пластических деформаций стали 110Г13Л
2 II уровень разрушения рудных материалов при однократном воздействии
Ш S
Время соударения t
Рис. 4. Зависимость импульса силы от времени удара при соударении шаров со стальной 1, резинометаллической 2 и резиновой 3 футеровкой
Однако взаимодействие шаровой загрузки с футеровкой типа «лифтер - плита» недостаточно изучено с точки зрения кинематических параметров в точке отрыва, характера взаимодействия загрузки в зоне пяты, показателей измельчаемости.
Для уточнения характера движения внутримель-ничной загрузки с такой футеровкой нами были проведены экспериментальные исследования. На фото (рис. 5) представлена картина распределения загрузки по зонам и характер её взаимодействия с футеровкой, при заполнении мельницы шарами ф = 0,45 полного объема и частотой вращения барабана у = 75 % от критической.
Анализ взаимодействия загрузки с футеровкой показывает, что футеровка типа «лифтер - плита» обеспечивает подъем шаров на большую высоту, при этом угол отрыва шаров от футеровки меньше теоретических значений и меньше, чем у футеровок типа
А
А
«непрерывная волна» и ступенчатой футеровки. Принудительный подъем шаров на большую высоту и их отделение всей массой от пространства между лифтерами, приводит к порциальному характеру движения внешних слоев в зоне отрыва. Экспериментальные исследования показали, что при режимах движения со скоростью выше 80 % от критической значительная часть внешнего слоя шаров забрасывается на противоположную сторону барабана и они практически не участвуют в измельчении.
Экспозиция—с
1000
Футеровка типа ф = 0,45 «Лифтер - плита» у = 75 %
Рис. 5. Характер взаимодействия шаровой загрузки с футеровкой типа «лифтер - плита»
На основании анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований применительно к созданию защиты цилиндрической части барабанных мельниц могут быть сделаны следующие выводы:
Поступила в редакцию
- в качестве перспективных способов защиты цилиндрической части барабанных мельниц следует рассматривать футеровку типа «лифтер - плита» с резинометаллическим лифтером, а также футеровку типа «плита - плита» с завулканизированными металлическими вкладышами из твердых сплавов;
- при выборе геометрических параметров лифтера следует обращать внимание на его высоту и наклон рабочей поверхности, с целью исключения негативного влияния забрасывания шаров на процесс измельчения;
- для выбора рационального соотношения масс металлических и резиновых деталей комбинированных футеровок необходимо теоретически или экспериментально исследовать динамическое взаимодействие системы «металлический ударник - резинометал-лическая подложка».
Литература
1. Маляров П.В. Основы интенсификации процессов рудо-подготовки. Ростов н/Д., 2004. 320 с.
2. Крапивин М.Г., Раков И.Я., Сысоев Н.И. Горные инструменты: 3-е изд., перераб. и доп. М., 1990. 256 с.
3. Daniel M.J. Measurement of electrical energy consumption in a Bond ball mill.
4. Маляров П.В., Степурин В.Ф. О движении внешнего слоя шаров при смешанном режиме работы шаровых мельниц // Обогащение руд. 1979. № 2.
5. Маляров П.В., Степурин В.Ф., Баскаев П.М. Опыт применения ячейковой футеровки барабанных мельниц в условиях ЗФ ГМК «Норильский никель» // Цветные металлы. 2007. № 6. C. 22 - 24.
30 января 2012 г.
Сысоев Николай Иванович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Нефтегазопромысловые и горные машины и оборудование», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(86352)55-317. E-mail: [email protected]
Маляров Петр Васильевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Нефтегазопромысловые и горные машины и оборудование», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(86352)55-317.
Скляров Евгений Владимирович - аспирант, кафедра «Нефтегазопромысловые и горные машины и оборудование», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(86352)55-317.
Sysoyev Nikolai Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Oil and Gas Fields and Mining Machinery and Equipment» South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(86352)55-317. E-mail: [email protected]
Malyarov Pyotr Vasiliyevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Oil and Gas Fields and Mining Machinery and Equipment» South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(86352)55-317.
Sklyarov Evgeni.Vladimirovich - post-graduate student, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(86352)55-317._
