CC BY
126
УДК 66.047.75
Субботин Михаил Юрьевич Mikhail Subbotin
ВЛИЯНИЕ ЗАВИСИМОСТИ УГЛА ЕСТЕСТВЕННОГО ОТКОСА СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА ОТ ЕГО ВЛАЖНОСТИ НА КОНСТРУКЦИЮ СУШИЛЬНЫХ АППАРАТОВ
THE INFLUENCE OF DEPENDENCE OF CORNER OF NATURAL SLOPE OF LOOSE MATERIAL FROM HIS MOISTURE CONTENT ON THE DESIGN OF DRYING MACHINES
Дан анализ понятия угла естественного откоса, соотношения угла естественного откоса и угла внутреннего трения сыпучего материала. Представлены результаты исследования зависимости угла естественного откоса от его влагосодержания. Приведена формула, отражающая данную зависимость. Изложены перспективы использования формулы в вопросах интенсификации сушки сыпучих материалов, а именно — создание усовершенствованных насадок для барабанов промышленных сушилок. Описана принципиальная конструкция данных насадок и лабораторного аппарата, используемого при их проектировании
Ключевые слова: угол естественного откоса, физико-механические свойства, концентрат, сыпучие материалы, влагосодержание, сушка
Термическая сушка является последним этапом обезвоживания товарного концентрата. Необходимость данной операции обусловлена тем, что товарная влажность рудных концентратов в большинстве случаев не достигается механическими методами обезвоживания. Термическая сушка — это один из самых энергоемких процессов во всей технологической цепочке переработки минерального сырья. Затраты на термическую сушку достигают 10 % от общих затрат на обогащение минерального сырья и выше при нарушении технологических параметров процесса. Но, не смотря на это, на
The analysis of concept of a corner of a natural slope, ratio between a corner of a natural slope and corner of an internal friction of a loose material is displayed in article. Results of research of dependence of a corner of a natural slope from its moisture content are shown. The formula, which reflects this dependence, is given. Outlook of using this formula in matters intensify drying of bulk materials is given. Namely, creation of advanced attachments for trommel of industrial dryers. The basic design of these attachments, and the laboratory device used at their design is described
Key words: corner of the natural slope, physicom-echanical properties, concentrate, loose materials, moisture content, drying
большинстве действующих горно-перера-батывающих предприятий операции сушки не уделяется должного внимания [1].
Более глубокое изучение процесса сушки и снижение связанных с ним энергозатрат — весьма актуальная задача, которая требует создания высокоэффективных, экономичных режимов сушки и сушильных установок. Для разработки таких режимов и установок необходим комплексный анализ влажных материалов [2].
Интенсивность термической сушки рудных концентратов в значительной степени зависит от механических свойств
материала, в частности, от его сыпучести. Оценку сыпучести высушиваемого материала, как правило, начинают с измерения угла естественного откоса сыпучего материала.
Углом естественного откоса называют максимальный возможный угол между образующей линией неукреплённого склона свободно лежащего сыпучего материала и горизонтальной линией [3].
Говоря о методах определения угла естественного откоса, невозможно обойти понятие угла внутреннего трения сыпучего материала. Угол внутреннего трения сыпучего материала — это угол наклона прямолинейной части диаграммы, показывающей зависимость сопротивления сыпучего массива сдвигу от нагрузки на массив сыпу-
чего материала (рис. 1). Этот параметр является показателем сил трения, возникающих в массиве при явлениях сдвига [4; С. 81].
Выделим на откосе с углом к горизонту ф0 некоторый элемент, воздействующий весом Р на склон (рис. 2). Разложим эту силу на две составляющие: перпендикулярную склону N и касательную склону Q:
N = P cos ф0;
Q = Р sin ф0.
В работе Н.Н. Маслова [4] приводится формула, выражающая силу трения, возникающую под воздействием силы N по контактной плоскости выделенного элемента и склона (рис. 2)
T = N tg ф = P cos ф tg ф (1)
~ твн. тр. т0 ~ твн. тр. v '
Рис. 1. Зависимость усилия сдвига от нагрузки, уплотняющей слой сыпучего материала
Рис. 2. Силы, действующие на элемент, выделенный на склоне и находящийся в состоянии предельного равновесия
Однако данная формула является верной лишь в случае идеальных порошков, то есть воздушно-сухих материалов с небольшим углом естественного откоса. Этот факт упоминается в работе [4], но не раскрывается с достаточной полнотой. Необходимо в формулу ввести коэффициент, отражающий связующие силы в сыпучем материале, обусловленные наличием влаги и значением коэффициента трения скольжения частиц
T = N tg Фвн.тр.+ U = P cos Фоtg Фвн. + U. (2)
По мере увеличения угла наклона ф0 элемент придёт в состояние предельного равновесия, когда T = Q, т.е.
Р c°s Фо tg Фвн тр + U= Р sin Фо.
Отсюда
tg Фвн. тр+ U/ Р cos Фо= tg Фо. (3)
Рассмотрим, что представляет из себя величина, обозначенная U. Очевидно, что в воздушно-сухом состоянии сыпучей пробы это сила трения покоя, возникающая под действием веса частицы, покоящейся на откосе. Сила трения [5] определяется по формуле
FTp=k*F
(4)
где FTP — сила трения покоя частицы данного сыпучего материала на горизонтальном слое частиц того же сыпучего материала, кг/см2;
к — коэффициент трения, определя-
ется по справочным данным или опытным путём;
F — нормальная сила реакции опоры, Н.
В нашем случае F = N, а значит
tg Фвн. Tp+k*N/ Р cos ф0= tg ф0, (5)
или
tg Фвн. тр.+ k* Р COS Фо/ Р COS Фо= tg Фo,
tg Фвн. тр.+ k = tg Ф0'
Фвн. тр.+ arCtg k = Фо. (6)
Таким образом, угол откоса для свободно отсыпанного сыпучего грунта во влажном состоянии (угол естественного откоса) , как правило, незначительно превышает угол внутреннего трения. Причём с повышением влажности возрастает и угол естественного откоса.
С целью проверки существования данной зависимости, её точного определения проведена серия экспериментов на технической базе кафедры «Обогащение полезных ископаемых и вторичного сырья» Забайкальского государственного университета.
Рассмотрим вопрос об экспериментальном определении угла естественного откоса. Различают статический и динамический углы естественного откоса сыпучих материалов. Под статическим понимается угол естественного откоса, образованный при разрушении слоя частиц после удаления подпорной стенки. Под динамическим же понимается угол естественного откоса, образованный при падении частиц на плоскость, например, при отсыпке дамбы, рудного склада.
В естественных условиях угол определяется прямым замером ( например, угломером); в лабораторных условиях для этой цели применяется весьма широкий спектр методик и приборов, самым распространённым из которых является прибор, описанный в ГОСТ 28254 - 89 С. 2 [6].
Для определения статического угла естественного откоса тонкодисперсных сыпучих материалов, например, зол, Семибра-товским филиалом НИИОГаз разработан руководящий документ РТМ 26-14-10-78
«Пыль промышленная. Лабораторные методы исследования физико-химических свойств», регламентирующий методы определения как статического угла естественного откоса, так и динамического [7].
Автором другого прибора, получившего широкое распространение, является В.Г. Науменко. С помощью этого прибора возможен замер статического угла сыпучего материала как в воздушно-сухом состоянии, так и под водой. Замер проводится с помощью диска с нанесёнными на него концентрическими кругами, на который установлен вертикальный тарировочный стержень. Угол ф0 измеряется по откосу, остающемуся после удаления избыточных масс грунта с диска. В данном случае мы имеем дело с измерением статического угла естественного откоса.
После проведения библиографического и патентного поиска и выявления набора самых распространённых методик и приборов для определения угла естественного откоса нами изготовлено пять приборов для измерения статического и динамического углов естественного откоса (рис. 3). Приборы № 1 и 2 служат для измерения динамического угла естественного откоса, а приборы № 3...5 — для измерения статического угла естественого откоса. Все приборы изготовлены по образцам существующих приборов, указанных в стандартных методиках и ГОСТах. Прибор «УВТ-3М» (№ 3) изготовлен с существенными усовершенствованиями, позволяющими вести испытания двух проб одновременно, при этом избегая их смешивание.
На данных аппаратах проведена серия тестов сухого материала с целью определения приборов, дающих минимальный «разброс» показаний. На всех изготовленных аппаратах проведено по пять измерений угла естественного откоса, и на основании полученых данных построена диаграмма, демонстрирующая разницу между показаниями приборов, а также между показаниями одного прибора (рис. 4). На данной диаграмме каждому прибору соответствует четырёхугольник,
верхняя граница которого представляет максимальное из пяти показаний прибора,
а нижняя — минимальное.
Рис. 3. Изготовленные приборы для определения угла естественного откоса сыпучих материалов
Рис. 4. Результаты измерений угла естественного откоса, полученные на изготовленных приборах
По даннной диаграмме видно, что точность измерений аппаратов № 1 и 2 практически идентична. При этом в процессе измерений на аппарате № 2 образующая линия склона имеет выгнутый вид, и для получения угла естественного откоса её необходимо аппроксимировать. Результаты измерений на аппарате № 5 явно занижены по причине того, что верхняя часть образуемого пробой конуса при проведении испытаний разрушается (рис. 5). Если линию склона продлить, восстановив его образующую, представляется возможным получить верные данные. Однако такая методика вносит значительную долю неточности и субьективных ошибок [8]. По этим причинам в процессе далнейших исследований от испытаний приборов № 2 и № 5 решено отказаться.
/"Ч о о
Сущность дальнейших исследований состояла в выявлении зависимости между углом естественного откоса и влажностью испытуемой пробы.
На концентратах, полученных на рудах Ново-Широкинского и Гарсонуйского месторождений, проведены определения
Рис. 5. Проведение испытаний на приборе № 5
углов естественного откоса при влажности 0; 2,5; 5; 7,5; 10 %, при влажности 12,5% сыпучий материал приобретает пластические свойства и понятие угла естественного откоса теряет смысл.
Результаты испытаний свинцового концентрата, полученного на рудах Ново-Широкинского месторождения, представлены на рис. 6. На диаграмме отчётливо видно, что зависимости угла естественного откоса от влажности сыпучего материала имеют линейный вид. Коэффициент корреляции при математической обработке массива экспериментальных данных составил И = 0,99. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что зависимость статического угла естественного откоса свинцового концентрата подчиняется линейной функции
а= ф^*В, (7)
где а — угол естественного откоса влажного сыпучего материала, град.;
ш — влажность испытуемого сыпучего материала, %. При математической обра-
ботке данных на рис. 6 представлена переменной Х;
ф0 — угол естественного откоса сухого сыпучего материала, град.;
В — коэффициент, отражающий зависимость угла естественного откоса сыпучего материала от его влажности и устанавливаемый опытным путём для каждого сыпучего материала. При математической обработке данных на рис. 6 представлен множителем переменной Х.
Результаты испытаний флюоритового концентрата, полученного на рудах Гарсо-нуйского месторождения, представлены на рис. 7. Коэффициент корреляции при математической обработке массива экспериментальных данных составил И = 0,97...0,98. Очевидно, что зависимость статического угла естественного откоса данного концентрата подчиняется аналлогичной функции.
I ■■'■■
ЕС §
£ М
ё ■"'■ I ■ ■
55 50 45 40
V - !,12> + 59,4
я - 0,9961
у = 2,24х + 58,4
И =0,9Й9
2,5
-№4
-№3
7.5 10
ВЛАЖНОСТЬ ,
Рис. 6. Зависимость угла естественного откоса от влажности свинцового концетрата
2,5
№4 -№3
7,5 10
влажность, %
Рис. 7. Зависимость угла естественного откоса от влажности флюоритового концетрата
Также видно, что ф0 обоих концентратов около 59 град., а В не зависит от минерального состава сыпучего материала и составляет
„ 2,12 + 2,24 + 2,12 +1,96 В =-= 2,11.
4
На основании изложенного можно утверждать, что величина угла естественного откоса влажного сыпучего материала определяется следующим образом:
ф = ф + агйе к + В * ш, (8)
т влаж т вн. тр. ° 3 у '
где ф — угол естественного откоса влаж-
влаж
ного сыпучего материала, град.
к — коэффициент трения, определяется по справочным данным или опытным путём;
В — коэффициент, отражающий зависимость угла естественного откоса сыпучего материала от его влажности и устанавливаемый опытным путём для каждого сыпучего материала;
ш — влажность испытуемого сыпучего материала, %.
Данное выражение позволяет вычислять точное значение угла естественного откоса сыпучего материала в заданных условиях влажности.
Уравнение (8) применимо, например, в геотехнологиях, для вычисления угла откоса, предельной высоты отвалов [10] при известных значениях влажности сыпучего материала и окружающего атмосферного воздуха.
Основной же областью применения полученного выражения является проектирование внутренних насадок промышленных барабанных сушилок с учётом угла откоса высушиваемого материала и его изменением на протяжении сушки с целью максимально полного использования внутреннего объёма барабана.
На рис. 8 показано строение стандартной насадки промышленной барабанной сушилки. Как видно, завеса падающего материала не закрывает всю площадь сечения барабана. Поток сушильного агента в таких условиях проходит по пути наименьшего сопротивления, то есть в свободное от высушиваемого материала пространство.
Следствием этого являются низкая эффективность теплопередачи, повышенная скорость теплового агента, унос пыли. В некоторых случаях перечисленные проблемы пытаются компенсировать повышением температуры теплового агента, что ведёт к перерасходу тепла, более интенсивному износу сушилки и выходу из строя уплотнений барабана.
Рис. 8. Строение стандартной насадки промышленной барабанной сушилки
Рис. 9. Строение предлагаемой насадки промышленной барабанной сушилки
Строение предлагаемой насадки показано на рис. 9. Данная насадка имеет набор из двух типов лопаток, каждая из которых установлена под углом, определённым на основании выражения (8). Лопатки, расположенные ближе к центру сечения барабана, обеспечивают завесу материала в правой части сечения барабана ( рис. 9, а). Лопатки, расположенные ближе к периферии сечения барабана, обеспечива-
ют завесу материала в левой части сечения барабана (рис. 9, б). Такое расположение лопаток насадки барабана обеспечивает полное покрытие сечения барабана завесой высушиваемого материала (рис. 9, в) [2]. Для обеспечения оптимального течения процесса сушки на всей длине барабана необходимо выяснить как меняется влажность материала на протяжении сушки, то есть изучить кинетику сушки [9].
Для этой цели спроектирован лабораторный аппарат, имеющий соотношение и последовательность контактного и конвективного способов сушки, близкие к тем же параметрам промышленной барабанной сушилки. Данный аппарат позволяет отслеживать изменение влажности материала после известного числа циклов сушки в барабанной сушилке. В настоящее время подана заявка на предполагаемое изобретение.
Применение описанной конструкции насадки барабанной сушилки позволит снизить температуру сушильного агента
за счёт более эффективного теплообмена между агентом и высушиваемым материалом, снизить температуру отходящих газов, износ уплотнений барабана, а также унос материала за счёт снижения скорости сушильного агента (топочных газов).
Таким образом, установление точной зависимости угла естественного откоса высушиваемого материала от его влажности позволяет снизить унос частиц с отходящими газами, расход тепла и время сушки в барабанных сушильных аппаратах за счёт усовершенствования их конструкции.
Литература
1. Жукова Т.А., Алтухов А.В. Пути интенсификации барабанных сушильных аппаратов // Вестник ТГТУ. 2008. № 3.
2. Храмов А.Н. Интенсификация процесса сушки флотационных флюоритовых концентратов за счет реконструкции насадки барабанной сушилки // ГИАБ. 2009. С. 290-294.
3. Большая Энциклопедия Нефти Газа / дизайн и разраб. Р. Мавлютов. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ngpedia.ru/id533983p1.html . — Загл. с. экрана.
4. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. — М.: Высш. школа, 1982. 511 с
5. Сила трения скольжения / дизайн и разраб. Creative Commons Attribution-ShareAlike. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Сила_трения_скольжения. — Загл. с. экрана.
6. ГОСТ 28254 - 89 С. 2.
7. Руководящий документ РТМ 26-14-10-78 «Пыль промышленная. Лабораторные методы исследования физико-химических свойств».
8. Шершукова А.И., Чулков Е.Ю., Мороз А.В., Селезнев А.А. // Автоматизированное определение углов обрушения зернистых материалов // Sworld: матер. междунар. науч.-практ. конф. Тамбов, 2007. С. 91-92.
9. Субботин М.Ю. Библиографическое исследование процесса сушки продуктов обогащения процесса сушки продуктов обогащения полезных ископаемых // Кулагинские чтения: материалы XI междунар. науч.-практ. конф., ч. 3. Чита: ЗабГУ, 2011. С. 84-86.
10. Шпаков П.С., Долгоносов В.Н., Ожигин С.Г., Шпакова М.В. Исследование зависимостей предельной высоты откоса на слабом наклонном основании от сцепления пород массива и геометрических параметров слабого слоя для условий качарского месторождения // ГИАБ. 2010. № 3. С. 155-165.
11. Янюк Ю.В. Математическое моделирование и оптимизация процессов сушки сыпучих материалов в сушильной установке барабанного типа: автореф. дис. канд. техн. наук. Петрозаводск, 2004. 21 с.
Коротко об авторе_Briefly about the author
Субботин М.Ю., аспирант, Забайкальский госу- M. Subbotin, postgraduate student, Zabaikalsky State
дарственный университет (ЗабГУ) University
Научные интересы: горные науки, обогащение полезных ископаемых, вспомогательные процессы, криогенез, обезвоживание, сушка, тепломассопере-нос
Scientific interests: mining, mineral processing, auxiliary processes, KpnoreHe3, dewatering, drying, heat and mass transfer
