Гранулометрический состав – важный показатель физических свойств и структуры материала. Кроме того состав готового продукта при измельчении отражает вероятностный процесс образования кусков (зёрен) различной крупности в результате их разрушения [1, 2].
Для получения готового продукта необходимого гранулометрического состава, который в дальнейшем используют для получения готового продукта, на обогатительных фабриках применяют широкий спектр различных измельчительных операций и операций по грохочению. Для этого используется разнообразное оборудование, удовлетворяющего технологическому процессу, для которого установлены основные закономерности формирования гранулометрического состава конечного продукта в зависимости от технологии, конструктивных и режимных параметров используемого для этого оборудования [3, 4].
В то же время для нового класса машин, к которому относятся вертикальные мельницы динамического самоизмельчения с замкнутым контуром системы «МКАД», такие закономерности не разработаны по причине короткого срока их создания, сдерживает их внедрение в различных отраслях народного хозяйства РФ и странах СНГ.
Так как процесс взаимодействия разрушаемых кусков и частиц в мельницах этой системы носит случайный характер, то на первоначальном этапе исследования получение экспериментальных данных о характере формирования гранулометрического состава продуктов помола минерального сырья в зависимости от режимных и конструктивных параметров мельниц системы «МКАД» является актуальной задачей.
На рис. 1 представлена конструктивная схема вертикальной мельницы динамического самоизмельчения системы «МКАД», показывающая принцип её работы.
Характерной особенностью мельниц этой системы является то, что в них для разрушения кусков и частиц используется не только кинетическая энергия вращающегося ротора, но итак называемая «циркулирующая» энергия замкнутого контура [5-10].
Рис. 1. Конструктивная схема вертикальной
мельницы динамического самоизмельчения
системы «МКАД»:
1 – приводной двигатель; 2 – ротор;
3 – барабан; 4 – активная зона измельчения;
5, 6 – верхняя и нижняя ветвь замкнутого контура
Это достигается тем, что за счёт одновременного вращения в одном направлении, но с разными угловыми скоростями ротора 2 и барабана 4 (кинематическом несоответствии верхней 5 и нижней 6 ветви замкнутого контура замкнутого контура), осуществляется передача крутящего момента и мощности от приводного двигателя 1 к столбу измельчаемого материала производится по двум параллельным направлениям.
За счёт этого происходит вовлечение в движение частиц и кусков верхней части столба, которое отсутствует в мельницах системы «МАЯ» [11–13]. Это способствует тому, за счет сил трения, возникающих при соприкосновении кусков материала с внутренней поверхностью вращающегося барабана 4, приводится во вращение верхняя часть столба измельчаемого материала, находящегося в барабане. Куски и частицы, находящиеся в верхней части столба материала, двигаясь к центру от внутренней поверхности барабана за счёт центробежных сил, приобретут дополнительную линейную скорость, что приведёт к росту их кинетической энергии. Рост скорости и кинетической энергии приведут к более интенсивному их перемешиванию и дополнительному силовому взаимодействию при их соприкосновении друг с другом. В результате этого происходит вовлечение в движение и взаимодействие большего объема частиц материала, исчезновению называемых «застойных» зон и их активное взаимодействие между собой. Так как скорость этих слоев в мельнице данной конструкции обеспечивается кинематическим несоответствием ветвей замкнутого контура, то интенсивность взаимодействия кусков и частиц, испытывающих дополнительное силовое воздействие, будет определять выходные параметры вертикальной мельницы динамического самоизмельчения –производительность, гранулометрический состав и энергозатраты. Вместе с этим вовлечение в движение дополнительного объёма частиц верхней части столба будет сопровождаться нарастающим доминированием процесса истирания, что ведёт к изменению гранулометрического состава готового продукта. Таким образом, величина кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура позволит регулировать не только производительность, но и гранулометрический состав готового продукта
В таблице 1представленырезультаты, полученные при проведении экспериментальных исследований гранулометрического состава измельченного мергеля в мельнице системы «МКАД» со средним размером исходных кусков dср=40 мм [14] и графики зависимости влияния кинематического несоответствия Iкн и высоты столба материала Hсл на гранулометрический состав измельчения мергеля при диаметре выпускных отверстий в барабане dвып=5,0 мм (рис. 2–7).
Графики зависимостей построены с помощью программыAdvanced Grapher, которая позволяет по шести точкам эксперимента провести кривые, которые с минимальной погрешностью описывают образовавшийся гранулометрический состав в зависимости от величины кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура мельницы системы «МКАД».
Для мельницы системы «МКАД» гранулометрический состав измельченного мергеля при заданном диаметре выпускных отверстий в барабане будет зависеть от двух факторов: высоты слоя материала над ротором Hсл и величины кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура Iкн.. Высота слоя материала, определяющая давление на ротор, и кинематическое несоответствия ветвей замкнутого контура, влияющее на силовые и энергетические показатели процесса измельчения, будут обеспечивать протекание процесса самоизмельчения для мельницы рассматриваемой системы.
Анализ влияние кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура и высоты слоя материала в барабане на изменение гранулометрического состава фракции 5,0÷3,0 мм (рис. 2) показывает, что при высотах слоя 260, 380 и 500 мм с увеличением значения кинематического несоответствия наблюдается незначительный её прирост на 10÷15 %. При этом частицы, разрушенные и уменьшенные до размера этой фракции, мгновенно вытесняются через выпускные отверстия в барабане за его внешние границы. Другая часть объёма находящихся в барабане частиц опускается вниз под действием их сил тяжести на ротор и под воздействием ребер вращающегося ротора совершают повторные движения по тороидальной траектории, взаимодействуя со встречающимися на пути их движения и постоянно уменьшаясь в размере в основном за счёт удара и раскалывания на более меньшие размеры.
Для фракции 3,0÷1,2 мм характерно более резкое увеличение её содержание в общем объеме (рис. 3) при увеличении кинематического несоответствия Iкн. Это можно объяснить тем, что, несмотря на выпуск незначительного числа частиц уменьшенных в размере частицы размерами менее диаметра выпускных отверстий5,0÷ 3,0 мм в то же время их количество возросло при их раскалывании в первоначальный момент времени. Это приводит к тому, что их общая площадь возрастает. Следовательно, количество ударов и число соприкосновений их между собой также вырастет. В результате этого процесс будет протекать с нарастающей интенсивностью, приводящий к нарастанию по определённой зависимости содержания в готовом продукте помола фракции более мелкой фракции с размерами частиц 3,0÷1,2 мм.
Таблица 1
|
№п/п |
nрот -nрот |
I к.н. |
Hсл, мм |
Gвых, кг/мин |
Гранулометрический состав готового продукта По фракциям ∆y, % |
||||
|
5,0-3,0мм |
3,0-1,2мм |
1,2-0,63мм |
0,63-0,27мм |
0-0,27мм |
|||||
|
1.1 |
768-196,4 |
0,22 |
260 |
4.27 |
0,91 11,7 |
0,88 12,8 |
0,28 6,8 |
0,79 25,4 |
1,21 43,3 |
|
1.2 |
0,22 |
380 |
5,44 |
0,88 12,2 |
1,09 12,4 |
0,384 6,2 |
1,17 22,1 |
1,90 47,1 |
|
|
1.3
|
0,22 |
500 |
4,62 |
1,18 6,4 |
0,786 11,7 |
0,265 6,3 |
0,862 30,4 |
1,40 45,2 |
|
|
1.1 |
691,2-196,4 |
0,29 |
260 |
3,35 |
0,587 17,1 |
0,845 14,3 |
0,217 5,8 |
0,853 22,8 |
1,24 40,1 |
|
1.2 |
0,29 |
380 |
4,25 |
0,77 12,9 |
0,833 11,3 |
0,255 5,0 |
0,93 25,9 |
1,47 44,5 |
|
|
1.3
|
0,29 |
500 |
3,687 |
0,70 19,0 |
0,71 19,3 |
0,217 5,9 |
0,87 23,3 |
1,19 44,3 |
|
|
1.1 |
614,4-196,4 |
0,32 |
260 |
3,65 |
0,663 17,2 |
0,702 21,5 |
0,205 6,8 |
0,722 23,9 |
0,96 30,5 |
|
1.2 |
0,32 |
380 |
3,91 |
0 ,82 11,7 |
0,69 17,4 |
0,20 4,4 |
0,83 22,7 |
1,11 43,8 |
|
|
1.3
|
0,32 |
500 |
3,59 |
0,84 11,4 |
0,69 16,5 |
0,187 5,1 |
0,768 19,1 |
1,12 47,9 |
|
|
1.1 |
768-292,4 |
0,38 |
260 |
3,12 |
0,71 17,3 |
0,67 18,0 |
0,24 6,3 |
0,78 21,6 |
1,23 33,9 |
|
1.2 |
0,38 |
380 |
4,53 |
0,715 15,8 |
0,77 18, 4 |
0,312 6,9 |
1,01 22,1 |
1,73 38,3 |
|
|
1.3
|
0,38
|
500 |
3,81 |
0,87 14,8 |
0,808 15,2 |
0,21 6,2 |
0,86 23,4 |
1,06 40,4 |
|
|
1.1 |
691,2-292,4 |
0,42 |
260 |
3,98 |
0,607 13,7 |
0,622 19,4 |
0,184 6,6 |
0,57 22,8 |
0 ,737 37,5 |
|
1.2 |
0,42 |
380 |
4,26 |
0,58 14,8 |
0,835 19,1 |
0,251 5,9 |
0,822 23,6 |
1,77 41,6 |
|
|
1.3
|
0,42 |
500 |
4,84 |
0,813 11,5 |
0,914 19,7 |
0,266 6,8 |
0,95 22,8 |
1,90 31,1 |
|
|
1.1 |
614,4-292,4 |
0,48 |
260 |
2,11 |
0,64 21,8 |
0,586 21,8 |
0,164 5,8 |
0,635 20,7 |
0,67 29,8 |
|
1.2 |
0,48 |
380 |
3,07 |
0,703 18,2 |
0,721 19,6 |
0,175 5,1 |
0,682 20,4 |
0,79 35,7 |
|
|
1.3
|
0,48 |
500 |
2,66 |
0,734 21,2 |
0,55 22,1 |
0,128 5,2 |
0,572 21,6 |
0,68 29,9 |
|
Рис. 2. Зависимость выхода фракции 5,0÷3,0 мм мергеля с исходными кусками dср=40 мм от величины
кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура и высоты слоя материала в барабане; диаметр выпускных отверстий в барабане dвып=5,0 мм: красная линия – Нсл =260 мм; синяя линия Нсл –380мм; серая линия
Нсл = 500 мм
Рис. 3. Зависимость выхода фракции 3,0÷1,2 мм мергеля со средним размером исходных кусков dср=40 мм от величины кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура и высоты слоя материала в барабане; диаметр выпускных отверстий в барабане dвып=5,0 мм красная линия – Нсл =260 мм; синяя линия – Нсл=380 мм; серая линия – Нсл = 500 мм
Рис. 4. Зависимость выхода фракции 1,2÷0,63 мм мергеля со средним размером исходных кусков dср=40 мм от величины кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура и высоты слоя материала в барабане; диаметр выпускных отверстий в барабане dвып=5,0 мм красная линия – Нсл =260 мм; синяя линия – Нсл =380мм; серая линия Нсл =500 мм
Рис. 5. Зависимость выхода фракции 1,2÷0,63 мм мергеля со средним размером исходных кусковdср=40 мм от величины кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура и высоты слоя материала в барабане; диаметр выпускных отверстий в барабане dвып=5,0 мм красная линия – Нсл =260 мм; синяя линия – Нсл =380 мм; серая линия – Нсл = 500 мм
Рис. 6. Зависимость выхода фракции 0,27÷0 мм от величины кинематического несоответствия ветвей
замкнутого контура и высоты слоя материала в барабане; диаметр выпускных отверстий в барабане dвып=5,0 мм красная линия – Нсл =260 мм; синяя линия – Нсл =380 мм; серая линия – Нсл = 500 мм
Поэтому, когда угловая скорость ротора (частота) начинает превышать угловую скорость барабана на величину ∆n=(nрот – nбар) > 400 об/мин при заданной угловой скорости барабана, то происходит проскальзывание частиц слоев верхнего и нижнего столба относительно друг друга. В результате такого взаимодействия интенсивность их контактов снижается. Следовательно, объем выхода частиц самых мелких фракций 0,27÷0 мм будет снижаться, а более крупных возрастать.
Дляфракции1,2÷0,63 мм характерной особенностью является практическое постоянное не зависящее от величины кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура содержание этой фракции в готовом продукте (рис. 4).Это обусловлено тем, что в какой-то момент при определённых условиях процесс измельчения приобретает равновесный характер, когда процессы раскалывания и истирания равновесны, но уже обозначился плавный переход в процессы совращения размеров частиц в основном за счёт их истирания между собой.
Для фракции 0,63÷ 0,27 и 0,27÷ 0 мм (рис. 5, 6) характерно то, что образовавшиеся частицы после предыдущих процессов будут преобладать в общем объёме циркулирующей по тороидальной траектории массы кусковатой формы, находящейся в барабане, после первичного измельчения примут шаровую или овальную форму. Поэтому каждая вновь образованная частица при движении вдоль стенок внутренней полости барабана будет соприкасаться не по всей поверхностью, с ней только в одной отдельной точке.
Можно утверждать, что при таких значениях кинематического несоответствия изменение размеров частиц будет происходить главным образом преобладания процессов не раскалывания, а истирания, который приводит к большему объему выхода самых мелких фракций. При возрастании величины кинематического несоответствия, которая происходит за счет увеличения угловой скорости ротора, частицы материала, находящиеся в полости барабана и примыкающие к его стенкам начинают проскальзывать относительно неё. Проскальзывание частиц приводит к тому, что эти частицы не принимают участие в перемещении по наиболее выгодной для осуществления процесса самоизмельчения тороидальной траектории. Поэтому циркуляция частиц происходит менее интенсивно в вертикальной плоскости, и процесс самоизмельчения начинает затухать по мере возрастания величины кинематического несоответствия. Поэтому по возрастания величины кинематического несоответствия более Iкн>0,38 будет снижаться интенсивность взаимодействия частиц, а выход фракций0,27÷0 и 0,63÷0,27 мм в процентном соотношении будет уменьшаться.
Таким образом, по полученным данным образования гранулометрического состава готового продукта можно с большой долей вероятности можно утверждать, что процесс измельчения в мельнице системы «МКАД» характеризуется тремя сопроцессами. При этом для самых крупных фракций 5÷3 и 3÷1,2 мм процесс измельчения исходного материала протекает в основном за счёт раскалывания и удара, для фракций 1,2÷0,63 является переходным (равновесным) процессом, при котором увеличение Iкн не влияет на изменение этой фракции и интенсивным истиранием, при котором увеличение Iкн приводит к существенному снижению содержание в продукте помола содержание наиболее мелких фракций 0,63÷0,27 и 0,27÷0 мм.
Исследование влияния высоты слоя на формирование гранулометрического состава продукта измельчения показывает следующее.
Высота столба материала над роторомHсл будет влиять на выход фракций самых мелких фракций 0,27 ÷0 и 0,63÷0,27 мм. Наибольший её выход происходит при высоте Hсл = 380 мм, а минимальная при слоя высотах соответственно 500 и 260 мм – красная и синяя линия. При этом зависимость выхода этих фракций при высотах 380 мм и 500 мм отличаются не более 4÷7 %. Выход этих фракций при высоте 260 мм во всех случаях меньше в среднем на 10÷15 %, чем при высоте 380–500 мм. При высоте более 500 мм выход фракций 0,27 ÷0 и 0,63 ÷0,27 мм начинает снижаться более резко. Это можно объяснить следующим образом. При высотах Hсл = 260 мм и менее процесс самоизмельчения происходит менее интенсивно, чем при больших высотах. Это происходит потому, что с уменьшением высоты столба материала над ротором, снижается давление, которое оказывают верхние слои материал на нижний слои, расположенные над ротором, которое должно находиться в пределах 0,005–0,05 МПа [13].
Кроме того, в исследованиях было установлено, что при высотах более 500 мм при одновременном вращении ротора и барабана при средней крупности исходного материала, равной dср= 40 мм, в средней части столба образуются пустоты, и целостность столба нарушается. Поэтому образование этих пустот нарушает циркуляцию материала, интенсивность взаимодействия кусков и частиц снижается, а объем выхода мелких фракций снижается.
Следовательно, высота столба материал над ротором в пределах Hсл= 380 ÷500 мм является наиболее оптимальной, при которой способ самоизмельчения будет осуществляться с большим выходом самых мелких фракций (45÷70 %).
Анализ зависимостей рассева готового продукта от высоты столба материала, находящегося над ротором, и величины кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура для фракции 1,2÷ 0,63 мм показывает, что его состав остается практически неизменным для всех диаметров выпускных отверстий и составляет в среднем 5-7 % от общего выхода фракций. Это явление объяснятся следующим образом.
В начальный период самоизмельчения, когда протекает преимущественно процесс раскалывание исходных кусков за счет центробежных сил вращающегося ротора, наступает процесс перераспределения одного процесса с преимущественным способом раскалывания частиц и переход к преобладанию процесса их истирания. Этот переходной процесс представлен на рис. 5.15-5.19, где процесс образования фракции 1,2÷0,63 мм имеет практическую линейную зависимость, близкую к функции у3 = f(C) для высоты столба 380 и 500 мм и у2 = f(-ax +C) для высоты 260 мм. Характер последней зависимости объясняется менее интенсивным взаимодействием частиц из-за ослабевающего влияния давления верхних слоев на нижние.
Анализ зависимости выхода самых крупных фракций 3,0÷1,2 мм и фракции 10,0÷3,0 мм от высоты столба материала над ротором и величины кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура для всех размеров выпускных отверстий имеют полиноминальную возрастающую зависимость типа
y1 =f(a1x2+b1x+C1), (1)
Т.е. с возрастанием величины кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура увеличивается в готовом продукте выход фракций 10,0 ÷ 3,0 и 3,0 ÷1,2 мм.
Причина такого протекания процесса объяснятся тем, что в первоначальный период процесса самоизмельчения для кусков преобладающим способом сокращения их размеров является раскалывание, которое осуществляется за счет кинетической энергии вращающегося ротора. Поэтому с увеличением угловой скорости ротора, а с ним и величины кинематического несоответствия объем выхода этих фракций будет возрастать.
Анализ зависимость выхода самых крупных фракций 3,0÷1,2 мм и фракции 10,0÷3,0 мм от высоты столба материала над ротором и величины кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура для всех размеров выпускных отверстий имеют полиноминальную возрастающую зависимость типа
y2=f(a2x2+b2x+C2), (2)
Т.е. с возрастанием величины кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура увеличивается в готовом продукте выход фракций 10,0 ÷ 3,0 и 3,0 ÷1,2 мм.
Это объясняется тем, что в первоначальный момент времени ив начале процесса самоизмельчения преобладающим способом сокращения их размеров является раскалывание за счет кинетической энергии вращающегося ротора. Поэтому с увеличением угловой скорости ротора, а с ним и величины кинематического несоответствия удельный вес выхода этих фракций будет возрастать.
Выводы
Результаты экспериментальных исследований влияния конструктивных и режимных параметров на формирование гранулометрического измельченного материала (мергеля) для вертикальной мельницы динамического самоизмельчения системы «МКАД» позволили сделать следующие выводы.
1. Конструктивные и режимные параметры влияют на формирование гранулометрического состава измельченного материала, что позволяет путём их регулирования в процессе работы мельницы получать в соответствии с требованиями производства необходимый состав этого продукта, что невозможно достичь в мельницах системы «МАЯ».
2. Установлены зависимости гранулометрического состава готового продукта при измельчении мергеля от основных влияющих факторов – высоты столба материала, находящегося над ротором, кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура и диаметра выпускных отверстий в барабане измельчительного устройства.
3. При увеличении кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура с Iкн= 0,38– 0,48 и частоте оборотов ротора более 292 об/мин интенсивность взаимодействия частиц внутри барабана снижается. Это объяснятся тем, что за счет центробежных сил вращающегося ротора частицы, ударяясь о внутреннюю поверхность барабана, раскалываются на ней и образуют липкий мелкий слой измельченных частиц, который препятствует эвакуации их из мельницы, что снижает производительность и удельный вес наиболее мелких фракций размером 0,63÷0 мм.
4. Образование большего содержания не эвакуируемых фракций в барабане (переизмельчение) приводит к нарушению целостности столба материала над ротором как единого объекта, что нарушает процесс возврата части подведенной к нему мощности и рекуперации её, которая реализуется при её передаче по двум параллельным направлениям от приводного двигателя. Это ведёт к снижению производительности росту энергозатрат и изменению гранулометрического состава готового продукта
5. Установлены соотношения высоты слоя над ротором и среднего размера исходных кусков материала, при которых достигаются максимальные значения производительности и гранулометрического состава готового продукта.
6. Полученные экспериментальные поданные, показывающие формирование гранулометрического состава измельчённого материала (мергеля) в зависимости от кинематического несоответствия ветвей замкнутого контура и высоты слоя материала в барабане позволят их использовать при проектировании мельниц системы «МКАД», в конструкции которых имеется замкнутый контур.
