сотрудник
Россия
Россия
Белгородская область, Россия
УДК 621.926.55 Вибрационные шаровые мельницы
Шаровые барабанные мельницы нашли широкое применение во многих отраслях промышленности, в которых требуется высокая часовая производительность одного агрегата, достигающая нескольких сот тонн готового продукта – это горнорудная промышленность, энергетическая, химическая и промышленность строительных материалов. К настоящему времени габаритные размеры мельниц достигли своих пределов самая большая в мире мельница имеет диаметр 12 метров и длину барабана 36 метров, а ее производительность составляет 3000 тонн в час. Одним из основных направлений совершенствования мельниц является разработка таких конструкций внутримельничных устройств, которые повышали бы эффективность процесса измельчения в целом. Приведен краткий анализ конструкций шаровых барабанных мельниц, эффективность процесса измельчения. Описана конструкция предлагаемой авторами футеровки, состоящей из стандартных плит, в которых сделаны поперечные желоба диаметр желобов соответствует диаметру мелющих тел, находящихся на данном участке барабана мельницы. Диаметр желобов от загрузки к выгрузке уменьшается. Показано взаимодействие футеровки с мелющими телами и ее способность предотвращать поперечную и продольную сегрегацию мелющих тел. В ходе поисковых экспериментов выявлены основные факторы, влияющие на классификацию мелющих тел. К таким факторам относятся: коэффициент загрузки барабана мельницы мелющими телами; частота вращения барабана мельницы; глубина пазов футеровки; количество выступов в пазах футеровки. В качестве параметров оптимизации были выбраны: производительность мельницы; потребляемая мощность привода; удельный расход энергии; остаток на сите 008; удельная поверхность готового продукта. Приведены результаты экспериментальных исследований в виде уравнений регрессии и графиков. Проведен всесторонний анализ влияния исследуемых факторов и эффектов взаимодействия на формирование величин функций отклика и эффективность процесса измельчения в целом. Для выявления рациональных конструктивно-технологических параметров шаровой барабанной мельницы и режимов ее работы были совместно рассмотрены зависимости производительности мельницы и удельного расхода энергии от основных ее факторов. Установлены рациональные режимы работы шаровой барабанной мельницы, оснащенной новой конструкцией футеровки.
шаровая мельница, мелющие тела, сегрегация, измельчаемый материал
Введение. Шаровые барабанные мельницы (ШБМ) нашли широкое применение во многих отраслях промышленности – в горнорудной при помоле руд черных и цветных металлов, в энергетической при помоле угля, в химической при помоле различных минералов, в производстве цемента при помоле сырья, клинкера и добавок. Существенным преимуществом ШБМ является простота конструкции, высокая часовая производительность, достигающая тысяч тонн в час готового продукта и возможность осуществлять процесс измельчения при различных способах помола – по сухому, по мокрому и с одновременной сушкой [1–5]. Они могут работать в открытом, замкнутом, многоступенчатом циклах измельчения, что позволяет учитывать физико-механические свойства измельчаемого материала и обеспечивать требования к качеству готового продукта. В мировой практике доля ШБМ наряду с другими помольными агрегатами превышает
80 %. Однако они обладают и существенными недостатками главным, из которых является весьма низкий КПД (коэффициент полезного действия), который не превышает 5 % [6–10]. Несмотря на эти недостатки, по мнению отечественных и зарубежных экспертов, в обозримом будущем ШБМ останутся основным помольным агрегатом при крупнотоннажном производстве. В связи с этим проблема совершенствования конструкций ШБМ, с целью повышения эффективности их работы является актуальной [11–14].
Материалы и методы. Все известные конструкции ШБМ представляют собой полый цилиндрический барабан на 30–35 % заполнен мелющими телами чаще все шарами диаметром 40–110 мм. Также в качестве мелющих тел используются металлические пруты диаметром 80–100мм и длиной до 6 м, цильпебс – металлические цилиндры диаметром 28–40 мм и длиной до 45 мм. Кроме этого, в керамическом и производстве используется речная галька и шары из циркония.
Процесс измельчения осуществляется следующим образом. При вращении барабана мельницы мелющие тела под воздействием центробежной силы поднимаются на определенную высоту и падают, измельчая материал ударом, раздавливанием и истиранием. В ШБМ для измельчения должны подаваться куски материала размером до 50 мм. Однако на практике это не всегда выдерживается и в мельницу зачастую попадают куски размером до 300 мм. Безусловно это приводит к нарушению технологического регламента и снижению качества готового продукта. Для более эффективного процесса измельчения с учетом того, что в мельницу поступают куски материала различной крупности в барабан мельницы одновременно загружают набор мелющих тел размером от 40 до 110 мм. Целесообразно чтобы в процессе работы наиболее крупные мелющие тела находились в начале барабана мельницы и во внешнем слое загрузки куда поступают исходные крупные куски материала. Однако на практике происходит сегрегация мелющих тел. Крупные мелющие тела перемещаются в центральную часть загрузки и к выходу из помольной камеры, т. е. происходит то, что крупные куски в начале барабана мельницы измельчаются мелкими шарами, а в конце помольной камеры мелкие частицы измельчаются крупными шарами. Это существенно снижает эффективность процесса измельчения в целом – загрубляется готовый продукт, снижается производительность мельницы и как следствие повышается удельный расход энергии. С целью предотвращения сегрегации мелющих тел внутренняя поверхность барабана мельницы футеруется плитами различной конструкции, которые призваны существенно снизить сегрегацию мелющих тел.
Нами разработана принципиально новая конструкция футеровки, которая обеспечивает как поперечную, так и продольную классификацию мелющих тел предотвращает их сегрегацию [15–17].
Рис. 1. Продольное сечение барабана мельницы с предлагаемой конструкцией футеровки
1– корпус мельницы (барабан); 2, 3, 4 – бронеплиты; 5, 6, 7 – желоба; 8, 9, 10 – мелющие тела;
11, 12, 13 – выступы в желобах; 14, 15 – перфорированные поперечные кольца; 16, 17, 18 – секции;
19, 20 – сквозные щели в поперечных кольцах.
На рис.1 представлено продольное сечение барабана ШБМ, в котором установлена разработанная нами футеровка. Особенность предлагаемой конструкции ШБМ заключается в том, что внутренняя поверхность цилиндрического корпуса 1 футеруется бронеплитами 2, 3, 4, на поверхности которых выполнены соответствующие желоба 5, 6, 7 глубиной равной 0,4–0,5 диаметра шара. В желобах 5, 6, 7 выполнены выступы, соответственно, 11, 12, 13, высота которых равна 0,6–0,7 диаметра шара, находящегося в соответствующей секции 16, 17, 18, образованных между перфорированными кольцами 14, 15. В каждом из желобов 5, 6, 7 помещаются мелющие тела (шары) 8, 9, 10 соответствующего диаметра. Расстояние Л, М, Н между перфорированными кольцами пропорционально массе мелющих тел, находящихся на данном участке барабана мельницы. Размер мелющих тел уменьшается от загрузки к выгрузке по ходу процесса измельчения.
ШБМ работает следующим образом. Измельчаемый материал, клинкер вращающихся печей, подается в направлении П через полую загрузочную цапфу в секцию 16 помольной камеры мельницы, в которой подпадают под воздействие самых крупных мелющих тел 8, находящихся в желобах 5 и перемещаемых в поперечном сечении барабана и измельчают частицы материала преимущественно ударом. По мере измельчения частицы материала проходят через отверстия 19 в перфорированном кольце 14 поступают в секцию 17 и подвергаются последующему измельчению мелющими телами 9 меньшего диаметра находящимися в желобах 6. Измельчение материала в этой секции происходит в комбинированном режиме – частично ударом и истиранием. Далее частицы измельчаемого материала перемещаются через отверстия 20 в перфорированном кольце 15, поступают в секцию 18 с мелющими телами 10 меньшего диаметра. Их измельчение осуществляется в режиме раздавливания и истирания. Готовый продукт разгружается через полую разгрузочную цапфу в направлении Р. В каждом из желобов 5, 6, 7 имеются выступы 11, 12, 13, посредством которых мелющие тела поднимаются на заданную высоту. В секции 16 высота подъема мелющих тел 8 максимальная, в секции 17 высота подъема мелющих тел 10 минимальная.
Такое конструктивное выполнение футеровки с желобами различного диаметра и выступами обеспечивает распределение мелющих тел по размерам вдоль продольной оси барабана мельницы и предотвращает как поперечную, так и продольную их сегрегацию, что существенно повышает эффективность процесса измельчения.
Определение рациональных конструктивных параметров и режимов процесса измельчения в ШБМ, оснащенной новой конструкцией футеровки осуществлялось в экспериментальной установке 0,32×1,5 м, работающей в периодическом и открытом цикле измельчения. В качестве мелющих тел использовались шары диаметром 12–20 мм, а измельчению подвергался клинкер размером 1–0,63 мм.
Экспериментальные исследования проводились по полнофакторному плану ЦКРП 24. В ходе поисковых экспериментов определены основные факторы, влияющие на эффективность процесса измельчения: коэффициент загрузки мелющими телами х1 (ϕ); частота вращения барабана мельницы х2 (п); глубина пазов футеровки х3 (h); количество выступов в пазах футеровки х4 (z). В качестве параметров оптимизации были выбраны – производительность мельницы У1(Q); потребляемая мощность привода У2(Р) ; удельный расход энергии У3( q ) ; остаток на сите 008 У4 (R) ; удельная поверхность У5 (S) .
Коэффициент загрузки мелющими телами регулировался в пределах 0,05–0,40; частота вращения барабана мельницы регулировалась в пределах 0,08–0,95 с-1; глубина пазов футеровки от 3 до 14мм; количество выступов футеровки 2–10 шт.
В ходе реализации и обработки результатов экспериментов нами были получены уравнения регрессии в кодированном виде:
Производительность:
У 1 (Q)= 23,726 + 0,837Х1 + 0,229Х2 – 1,625Х3 + 0,521Х4 – 0,615Х1Х2 + 0,809Х1Х3 + 0,641Х1Х4 –
– 0,503Х2Х3 – 0,444Х2Х4 – 0,781Х3Х4 – 0,269Х12 +0,256Х22 + 1,319Х32 + 0,606Х42 (1)
Потребляемая мощность:
У2 (P)= 1,563 + 0,297Х1 + 0,049Х2 + 0,021Х3 – 0,043Х4 – 0,013Х1Х2 + 0,082Х1Х3 – 0,010Х1Х4 +
+ 0,025Х2Х3 + 0,009Х2Х4 – 0,023Х3Х4 – 0,002Х12 – 0,018Х22 + 0,024Х32 + 0,08Х42 (2)
Удельный расход энергии:
У3 ( q ) = 66,091 + 10,583Х1 + 1,495Х2 + 5,476Х3 - 3,553Х4 + 0,856Х1Х2 + 0,977Х1Х3 –
– 1,717Х1Х4 + 2,735Х2Х3 + 1,459Х2Х4 + 1,693Х3Х4 + 0,323Х12 – 1,136Х22 – 3,516Х32 – 1,679Х42 (3)
Остаток на сите 008:
У4(R008) = 3,405 – 0,363Х1 – 0,956Х2 + 2,430Х3 + 0,205Х4 + 1,419Х12 + 0,109Х22 ++ 1,567Х32 +
+ 1,143Х42 –0,054Х1Х2 + 1,603Х1Х3 + 0,303Х1Х4 - 0,621Х2Х3 - 0,381Х2Х3 + 0 ,324 Х3Х4 (4)
Удельная поверхность:
У5(S) = 2483,11 - 10,37Х1 – 158,91Х2 – 336,58Х3 – 18,15Х4 – 115,36Х12 – 115,39Х22 +
+ 12,28Х32 – 11,42Х42 – 5,71Х1Х2 – 96,24Х1Х3 + 37,30Х1Х4 + 17,96Х2Х3 + 50,40Х2Х4 +115,93Х3Х4 (5)
Анализ величины и знаков коэффициентов при факторах и эффектах взаимодействия в уравнениях регрессии (1)–(5) позволяет определить влияние каждого из них на формирование величины соответствующего параметра оптимизации.
Наибольшее влияние на увеличение производительности (1) мельницы оказывают коэффициент загрузки барабана мельницы мелющими телами, количество выступов на футеровке и частота вращения барабана мельницы. С их увеличением производительность мельницы возрастает. Это очевидно. А увеличение глубины пазов приводит к снижению производительности, так как шары начинают выпадать из пазов и это приводит к нарушению режима движения мелющих тел, их сегрегации и снижает эффективность процесса измельчения в целом. Сравнивая величину коэффициентов в уравнении (1), можно сделать вывод о том, что наряду с основными факторами существенное влияние на формирование функции отклика вносят эффекты взаимодействия Х1Х3, Х1Х4. Причем суммарная абсолютная величина коэффициентов при факторах Х1, Х2, Х3, Х4 составляет 0,038, а при эффектах взаимодействия этих факторов – 0,278, т.е. в 7,3 раза больше.
Аналогичные выводы можно сделать и в отношении уравнения (2). Величина потребляемой мощности зависит в большей мере от величины коэффициента загрузки мелющими телами, частоты вращения барабана мельницы и глубины пазов в футеровке. При этом эффекты взаимодействия факторов в меньшей степени влияют на формирование величины функции отклика. Суммарная величина коэффициентов при факторах равна 0,324, а при соответствующих эффектах взаимодействия 0,094, т.е. в 3,44 раза меньше.
Удельный расход энергии определяется как отношение потребляемой мощности привода к производительности мельницы и он определяется по уравнению регрессии (3). Этот параметр зависит от параметров (1) и (2) и он характеризует эффективность процесса измельчения. Рациональным является такой режим работы мельницы, при котором производительность мельницы по готовому продукту стремится к максимуму, а потребляемая мощность привода к минимуму. Хотя известно, что максимальная производительность мельницы пропорциональна потребляемой мощности привода. А именно, чем больше производительность мельницы, тем больше величина потребляемой мощности. Этот вывод является базовым и на практике необходимо стремится к снижению удельного расхода энергии, в большей мере, за счет повышения эффективности процесса измельчения, путем интенсификации движения мелющих тел, предотвращения их поперечной и продольной сегрегации, обеспечения внутримельничной классификации измельчаемого материала.
Качество готового продукта характеризуется размером частиц, который контролируется остатком на контрольном сите с размером ячеек 80мкм (4) и их удельной поверхностью (5). Величина коэффициентов (4), их знаки позволяют сделать вывод о том, что с увеличением коэффициента загрузки и частоты вращения барабана мельницы остаток на сите 008 снижается т.е. качество помола улучшается – этот вывод очевиден. А с увеличением глубины пазов и количества выступов в пазах помол загрубляется. Это можно объяснить тем, что большая часть мелющих тел работает в водопадном ударном режиме измельчения, что снижает эффективность процесса измельчения. Суммарная величина коэффициентов при факторах равна 1,316, а при эффектах взаимодействия 0,375, т.е. в 3,5 раза меньше. Эффекты взаимодействия в данном случае оказывают существенно меньшее влияние на формирование функции отклика, чем сами факторы.
Что касается уравнения (5) – удельной поверхности частиц готового продукта то величина удельной поверхности, в данном случае, зависит от размера частиц готового продукта, т.е. чем меньше размер частиц, тем больше удельная поверхность готового продукта. Отрицательные знаки при всех факторах в уравнении (5) говорят о том, что увеличение любого из факторов приводит к снижению удельной поверхности готового продукта, а за счет эффектов взаимодействия удельная поверхность возрастает. Разница между величиной коэффициентов в первой степени и эффектами взаимодействия составляет 0,11, т.е. 0,03 %, что не существенно. Таким образом, формирование величины функции отклика (5) в равной мере обеспечивается как факторами, так и их эффектами взаимодействия.
На рис. 2, рис. 3, рис.4 представлены графические зависимости, отражающие наиболее характерные результаты экспериментальных исследований.
Минимальная производительность мельницы 19 кг/ч (рис. 2, б) соответствует минимальному коэффициенту загрузки, равному 0,2, глубине пазов равным 11 мм, при этом увеличение коэффициента загрузки до 0,4 обеспечивает повышение производительности мельницы до 25,5кг/ч. Максимальная производительность мельницы (рис. 2, в) 26,9 кг/ч достигается при коэффициенте загрузки барабана 0,4 и количестве выступов в футеровке – 8 шт. Во всех случаях при всех режимах работы мельницы характер кривых (рис. 2) монотонно возрастающий, т.е. с увеличением коэффициента загрузки производительность мельницы увеличивается в среднем на 27,6 %.
Зависимости удельного расхода энергии от глубины пазов в футеровке носит экстремальный характер (рис. 3) с точкой экстремума в районе, соответствующем глубине паза – 11мм. Минимальный расход энергии 31кВт.ч/т наблюдался при глубине пазов 2мм, количестве выступов – 8шт. Максимальный расход энергии 80кВт.ч/т соответствует режиму работы мельницы: глубина пазов 11мм, коэффициент загрузки 0,35 (рис. 3, б).
Рис. 2. Зависимость производительности У1(Q) от коэффициента загрузки барабана мельницы Х1
а) при различной частоте вращения барабана мельницы Х2. 1 – 0,95 с-1;2 – 1,05 с-1; 3 – 0,78 с-1; б) при различной глубине пазов Х3. 1 – 8 мм; 2 – 11 мм; 3 – 5 мм; в) при различном количестве выступов Х4.
1 – 6 шт; 2 – 8 шт; 3 – 4 шт.
а)
б)
в)
Рис. 3. Зависимость удельного расхода электроэнергии У3 от глубины пазов Х3
а) при различном коэффициенте загрузки барабана мельницы Х1. 1 – 0,3; 2 – 0,35; 3 – 0,25;
б) при различной частоте вращения барабана мельницы Х2. 1 – 0,95 с-1;2 – 1,05 с-1; 3 – 0,78 с-1;
в) при различном количестве выступов Х4. 1 – 6 шт; 2 – 8 шт; 3 – 4 шт
а
б
в
Рис. 4. Зависимость остатка на сите 008 от глубины пазов Х3
а) при различном коэффициенте загрузки барабана мельницы Х1. 1 – 0,3;2 –0,35; 3 – 0,25;
б) при различной частоте вращения барабана мельницы Х2. 1 – 0,95 с-1;2 – 1,05 с-1; 3 – 0,78 с-1;
в) при различном количестве выступов Х4. 1 – 6 шт; 2 – 8 шт; 3 – 4 шт;
Зависимость тонкости помола от глубины пазов в футеровке при всех режимах работы мельницы также носит экстремальный характер в зоне минимума, характеризуемой глубиной пазов в футеровке – 5мм (рис. 4). Например, при глубине паза 2 мм, коэффициенте загрузки 0,35 остаток на сите 008 составляет 2,0 % . а с увеличением глубины паза до 14мм помол загрубляется и остаток на сите 008 возрастает до 18 % (рис. 4, б). Это объясняется тем. что самые крупные мелющие тела удерживаются в глубоких пазах и интенсивно перемещаются в водопадном режиме измельчая частицы материала преимущественно ударом. Для получения тонкомолотого материала целесообразно использовать режим работы мельницы, представленный на графике рис.4, в – глубина пазов должна быть в пределах 2–8 мм, количество выступов в пазах
4–6 шт, коэффициент загрузки барабана мельницы 0,35.
Уравнения регрессии (2)–(4), полученные в результате многофакторного эксперимента, позволяют установить рациональные значения параметров Х1, Х2, Х3, Х4, при которых процесс измельчения происходит наиболее эффективно. Однако определение рационального режима работы шаровой барабанной мельницы представляет собой совместный анализ полученных зависимостей функций отклика от варьируемых факторов, которые необходимо рассматривать совместно, т.к. их общее взаимодействие дает наиболее полное представление о процессах, происходящих в мельнице, возможность их контроля и регулирования.
Для выявления рациональных конструктивно – технологических параметров шаровой барабанной мельницы были рассмотрены совместные зависимости производительности, удельного расхода энергии, остатка на сите 008, удельной поверхности от коэффициента загрузки, частоты вращения барабана мельницы, глубины пазов в футеровке и количества выступов в пазах футеровки.
( Q,G,R008,S )=f ( Х1,Х2,Х3,Х4 ) . (6)
К каждой из функций отклика предъявлялись следующие требования:
Q > max ; q > min ; R008 > min ; S > max . (7)
Максимальные значения производительности мельницы Q =34,9 кг/ч регистрируются при факторах Х1 = 0,3, Х2 = 0,95 с-1, Х3 = 2мм, Х4= 8 шт (рис.5) . Следует отметить что при данных параметрах работы мельницы значения удельной поверхности измельчаемого материала S составили 2943,96 см2/г, значения мощности Р составили 1,7 кВт, удельных энергозатрат q составили 32,49 кВт·ч/т, а остаток на сите 008 составил
5,31 %.
Из приведенных на рис. 5 графических зависимостей следует, что максимальная производительность Q = 33,7 кг/ч достигается при уровнях факторов Х1 = 0,3, Х2 = 1,05 с-1, Х3 = 2мм, Х4 = 6 шт. Следует отметить, что при данных параметрах работы мельницы значения удельной поверхности измельчаемого материала составила
S = 2895,17 см2/г, потребляемая мощность
Р = 1,6 кВт·ч, удельные энергозатраты g = 35,96 кВт·ч/т, остаток на сите 008 R008= 5 %.
На основании проведенных экспериментальных исследований, анализа полученных результатов в виде уравнений регрессии и графических зависимостей нами были определены рациональные технологические и конструктивные параметры работы шаровой барабанной мельницы , оснащенной разработанной нами футеровкой: коэффициент загрузки барабана мельницы 0,30–0,35 ; частота вращения барабана мельницы 0,95–1,05 с-1 ; глубина пазов в футеровке 5–11мм ; количество выступов 6–8 шт.
Рис. 5. График зависимостей функций отклика У1, У2, У3, У4, У5 от X3 – высоты выступов
Выводы. Проведенная нами работа по совершенствованию футеровки шаровой барабанной мельницы показала возможность существенно повысить эффективность процесса измельчения за счет принудительной классификации мелющих тел, которая исключает их поперечную и продольную сегрегацию. Такой тип футеровки может быть использован как при сухом, так и при мокром способе измельчения в мельницах, работающих по открытому и замкнутому циклах измельчения.
1. Серго Е.Е. Дробление, измельчение, и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра, 1985. 285 с.
2. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. М.: Химия, 1977. 368 с.
3. Богданов В.С. Теоретические основы расчета усовершенствованных конструкций шаровых барабанных мельниц. Старый Оскол: ТНТ, 2023. 360 с.
4. Перов В.А. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра. 1990. 301 с.
5. Крюков Д.К. Футеровка шаровых мельниц. М.: Недра, 1966. 174 с.
6. Богданов В.С., Анциферов С.И., Богданов Д.В., Хахале П.А. Оптимизация энергоэффективности футеровки шаровых барабанных мельниц // Цемент и его применение. 2021. №4. С. 38–41.
7. Воробъев Н. Д., Богданов В.С., Ельцов М.Ю. Математическая модель движения мелющих тел в барабанных мельницах. Общие принципы построения // Известия Вузов. Горный журнал. 1988. №8. С. 116–119.
8. Богданов В. С., Сухоруков И.Н., Богданов Д.В., Несмеянов Н.П. Проектирование футеровки шаровых барабанных мельниц // Цемент и его применение. 2024. № 2. С.48–51.
9. Шувалов С.И., Михеев П.Г. Распределение мелющих тел и размалываемого материала в поперечном сечении вращающегося барабана мельницы // Вестник ИГЭУ. 2019. Вып. 2. С. 1–7.
10. Хардер Й. Развитие одноэтапных процессов измельчения в цементной промышленности // Цемент Известь Гипс. 2006. № 1. С. 24–38.
11. Hander J. Moderne Mahltechnik in der Zementindustrie // ZKG International. 2013. №03. Рр. 31–42.
12. Jorgensen S.W. Cement grinding-a Comparison between Vertikal Roller Vill and Ball Mill // Cement International. 2015. №02. Рр. 45–58.
13. Harde J. Moderne Mahltechnik in der Zementindustrie // ZKG International. 2023. №03. Рр. 31–42.
14. Stoiber W. Comminution Technology and Energy Consumpton // Cemen International. 2023. Рp. 44–52.
15. А.с. 1316695 А1 (SU). Футеровка шаровой мельницы /Богданов В.С. и др. Опубл . в БИ . 1987. №22.
16. А.с. 2397813 (RU). Классифицирующая футеровка цементной мельницы / Богданов В.С. и др. Опубл.в БИ . 2010. № 24.
17. А.с. 1738341 А1 (SU). Футеровка трубной мельницы / Богданов В.С. и др. – Опубл. в БИ. 1992. № 21.
