Ханин Сергей Иванович. Разработка научных основ проектирования шаровых мельниц с энергообменными и классифицирующими устройствами

Краткое описание

Ханин Сергей Иванович. Разработка научных основ проектирования шаровых мельниц с энергообменными и классифицирующими устройствами: диссертация ... доктора Технических наук: 05.02.13 / Ханин Сергей Иванович;[Место защиты: ФГБОУ ВО Белгородский государственный технологический университет им.В. Г.Шухова], 2017

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. ШУХОВА»
(БГТУ им. В.Г. Шухова)

УДК 621.926.52
На правах рукописи
Ханин Сергей Иванович
РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ С ЭНЕРГООБМЕННЫМИ И КЛАССИФИЦИРУЮЩИМИ
УСТРОЙСТВАМИ
Специальность 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (строительство и ЖКХ)
Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор
Богданов Василий Степанович
Белгород 2016 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
РАБОТЫ ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ 15
1.1 Состояние и развитие техники и технологии для помола материалов 15
1.2 Конструктивно-технологические возможности повышения эффективности работы шаровых мельниц 19
1.3 Анализ методик для расчёта конструктивных элементов мельницы 29
1.4 Существующие подходы к математическому описанию процесса движения шаровой загрузки во вращающемся барабане 31
1.5 Основные теории расчёта мощности, потребляемой электродвигателем привода шаровой мельницы 38
1.6 Описание параметров, характеризующих процесс выделения частиц на просеивающих поверхностях внутримельничных устройств 45
1.7 Основные теории в области измельчения материалов и их применение для мельниц с внутримельничными устройствами 47
1.8 Постановка задач исследования 53
Выводы 55
2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ПРОСТРАНСТВЕННОГО ДВИЖЕНИЯ СФЕРИЧЕСКОГО ТЕЛА В МЕЛЬНИЦЕ
С УСТРОЙСТВАМИ 57
2.1 Особенности конструкций лопастных энергообменных устройств 57
2.2 Разработка метода расчета параметров основных протекающих в корпусе мельницы процессов, «затрачиваемой» мощности, динамических нагрузок на её конструкцию 61

2.2.1 Общие положения и принимаемые допущения 61
2.2.2 Описание метода расчета 65
2.3 Определение параметров процесса движения сферического тела в корпусе 71
2.3.1 Параметры процесса движения сферического тела до взаимодействия с
бронефутеровками конусообразной и цилиндрической камер 71

3
2.3.2 Установление параметров процесса движения сферического тела до взаимодействия с перегородкой общего положения 78
2.3.3 Определение параметров процесса движения сферического тела до взаимодействия с вращающимся вместе с корпусом цилиндрическим стержнем общего положения 82
2.3.4 Параметры процесса движения сферического тела до взаимодействия с двухзаходной винтовой лопастью 85
2.3.5 Установление параметров процесса движения двух сферических тел до их взаимодействия 87
Выводы 90
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СФЕРИЧЕСКОГО
ТЕЛА С БРОНЕФУТЕРОВКОЙ И УСТРОЙСТВАМИ 92
3.1 Взаимодействие сферического тела с внутримельничными устройствами .. 92
3.1.1 Взаимодействие сферического тела с корпусом 92
3.1.2 Взаимодействие сферического тела с конусообразной и цилиндрической поверхностями бронефутеровки камеры 97
3.1.3 Алгоритм определения параметров взаимодействия сферических тел друг с другом, устройствами и бронефутеровкой 99
3.1.4 Взаимодействие сферического тела с перегородкой общего положения 100
3.1.5 Взаимодействие сферического тела с двухзаходной винтовой лопастью 105
3.1.6 Взаимодействие двух сферических тел 107

3.2 Энергетический расчёт мощности, необходимой для обеспечения движения шароматериальной загрузки 108
3.3 Установление динамических нагрузок на конструкции внутримельничных устройств и корпуса 110
3.4 Определение динамических нагрузок на подшипники корпуса 116
3.5 Условия для реализации математических моделей протекающих в
мельнице процессов 117

4
3.5.1 Определение количества сферических тел и формирование их исходного положения в камере мельницы 117
3.5.2 Математическое представление бронефутерованного корпуса и внутримельничных устройств 119
Выводы 123
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ
МАТЕРИАЛА В МЕЛЬНИЦЕ 125
4.1 Повышение эффективности процесса выделения материала из шароматериальной среды на стадии его грубого помола 125
4.2 Математическая модель процесса измельчения частиц материала 130

4.2.1 Принимаемые допущения и общие подходы 130
4.2.2 Взаимодействие частицы материала и мелющего тела 131
4.2.3 Взаимодействие частиц материала друг с другом, бронефутеровкой и внутримельничными устройствами 143
4.3 Математическая модель процесса перемещения частиц материала через
отверстия классифицирующего устройства 148
4.3.1 Определение вероятности перемещения частиц материала через отверстия прямоугольной и эллипсообразной форм бронефутеровки 148
4.3.2 Определение вероятности перемещения частиц материала через отверстия колосниковой классифицирующей поверхности 153
Выводы 157
5 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И
МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ХАРАКТЕРИСТИКА ОБОРУДОВАНИЯ 159
5.1 Оборудование и средства для проведения исследований 159
5.2 Методики проведения экспериментальных исследований 172
5.3 Моделирование протекающих в корпусе мельницы процессов 178
Выводы 190
6 ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДВИЖЕНИЯ МЕЛЮЩИХ ТЕЛ В КОРПУСЕ
С ВНУТРИМЕЛЬНИЧНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ 192
6.1 Движение мелющих тел в цилиндрической и конусообразной камерах без

5
внутримельничных устройств. . 192
6.2 Количественное распределение мелющих тел и их скоростей в цилиндрической камере с лопастными энергообменными устройствами 200
6.3 Распределение мелющих тел по их размерам в камерах мельницы 211

6.3.1 Обоснование использования и описание коэффициента сегрегации мелющих тел по их крупности 211
6.3.2 Поперечная сегрегация мелющих тел в цилиндрической камере 213
6.3.3 Продольная сегрегация мелющих тел в цилиндрической и конусообразной камерах 221
Выводы 227
7 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЛЮЩИХ ТЕЛ С
БРОНЕФУТЕРОВКОЙ И ВНУТРИМЕЛЬНИЧНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ 230
7.1 Распределения средних значений кинетической энергии мелющих тел в камерах цилиндрической и конусообразной формы 230
7.2 Энергия мелющих тел, выделяющаяся при их взаимодействии друг с другом, бронефутеровкой и внутримельничными устройствами 233
7.3 Характеристика мощности, необходимой для обеспечения движения мелющих тел в камере мельницы с различными устройствами 239
7.4 Характеристика динамических нагрузок на подшипники мельницы 249
7.5 Проверка адекватности математических моделей, описывающих параметры процессов движения сферических тел и взаимодействия с бронефутеровкой и
внутримельничными устройствами 254
Выводы 261
8 КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
МАТЕРИАЛОВ 264
8.1 Определение взаимосвязи параметров, характеризующих процесс разрушения частиц цементного клинкера 264
8.2 Исследование процессов измельчения материалов в мельнице, оснащенной классифицирующими устройствами 269
8.3 Изучение рациональных условий измельчения материала различной

6
крупности в камерах мельницы 292
8.4 Сопоставление эффективности применения в мельницах классифицирующих и энергообменных устройств 305
8.5 Проверка адекватности математической модели процесса измельчения частиц материала при ударе о плиту 310
8.6 Рекомендации применения внутримельничных устройств 311

8.6.1 Применение энергообменных устройств 311
8.6.2 Применение классифицирующих устройств 316

8.7 Конструктивное совершенствование внутримельничных классифицирующих и энергообменных устройств 319
8.8 Описание метода расчёта шаровых мельниц с устройствами 325
Выводы 339
9 ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ
РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 343
9.2 Промышленные испытания мельниц мокрого помола с различными
лопастными эллипсными энергообменными устройствами 343
9.3 Промышленные испытания мельниц сухого помола с двухзаходными
винтовыми лопастями и классифицирующим устройством 355
9.3.1 Внедрение на мельнице двухзаходных винтовых лопастей 355
9.3.2 Испытания мельницы с цилиндрическим классифицирующим устройством 359

9.4 Испытания мельницы с рациональными ассортиментом и массой мелющей загрузки 361
9.5 Перспективы промышленного внедрения внутримельничных классифицирующих устройств 362
Выводы 364
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 367
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 373
ПРИЛОЖЕНИЯ 403

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования
1. Разработаны научные и методологические основы проектирования шаро¬вых мельниц с энергообменными и классифицирующими устройствами, доказана целесообразность изменения скоростных характеристик процесса движения МТ при вращении корпуса и удаления устройствами из зоны измельчения мелкой фракции материала по мере ее образования.
2. Разработан метод расчета параметров процессов пространственного дви-жения мелющих тел и частиц материала, их взаимодействия с различными кон-струкциями бронефутеровок, внутримельничных устройств, друг с другом; из-мельчения частиц материала, их классификации; расчёта «затрачиваемой» мощ-ности, динамических нагрузок на конструкцию мельницы. Метод основывается на объединении процедурой реализации, на основе объектно-ориентированного представления, разработанных математических моделей, описывающих парамет¬ры рассматриваемых процессов. Получены аналитические выражения для расчета энергии взаимодействий МТ и частицы материала с различными конструкциями бронефутеровок и устройств; передаваемых корпусом мельницы на подшипники динамических нагрузок; методика расчёта динамических нагрузок на конструк¬ции корпуса и устройств. С использованием этого метода расчета выполнены ис-следования параметров процессов движения МТ и рассматриваемых взаимодей¬ствий (со, V', S, F, Р, AE?i, Евыд, V'MT.CP, Угкр, £ и др.). Установлено влияние днищ, вертикальных перегородок, лопастных энергообменных, классифицирующих устройств на рассматриваемые процессы. Обоснована целесообразность примене¬ния внутримельничных устройств, увеличивающих подвижность МТ, изменяю¬щих характеристики процесса их движения при вращении корпуса, повышающих энергонапряженность мелющей среды.
3. Для описания распределения МТ по их размерам в камерах мельницы по-лучено аналитическое выражение коэффициента их сегрегации. Теоретически подтверждено наличие поперечной сегрегации МТ в камерах мельницы, продоль-

368
ной сегрегации в конусообразной камере; обоснованы механизмы сегрегаций. Ис¬следованы закономерности изменения поперечной и продольной сегрегаций МТ в цилиндрической и конусообразной камерах в зависимости от параметров мельни¬цы. Для описания поперечной сегрегации МТ в цилиндрической камере получено уравнение регрессии, характеризующее изменение %поп в диапазоне %поп = -0,114…0,02 при варьировании (рц иі//ц в диапазонах срч = 0,2…0,4; щ = (0,5… 1)у/кр. Для описания продольной сегрегации МТ в конусообразной камере получены уравнения регрессии, устанавливающие зависимость коэффициента продольной сегрегации £пр от параметров мельницы. Установлены области их рациональных значений: у/к = (0,7… 1)у/кр; срк = 0,26… 0,32; угла наклона образующей камеры 6К = 14…18°; соотношения длины камеры и диаметра большего основания Lк/Dк = 0,75...0,92; обеспечивающих £пр = - 0,455... - 0,34.
4. Установлены и обоснованы, при вращении корпуса, закономерности из¬менений в выделенных в продольном направлении камер объёмах средних значе¬ний скоростей МТ, распределения количественных значений МТ и выделившейся при их взаимодействии с устройствами, бронефутеровкой корпуса, друг с другом энергии Евыд. Определены области 1Вл,лэу выраженного влияния ЛЭУ на характе¬ристики процесса движения МТ. В зависимости от вида устройств, их воздей¬ствия на МТ при вращении корпуса отличаются цикличностью, интенсивностью, направлением, величиной 1ВЛ.ЛЭУ, что приводит к соответствующим изменениям средних значений скоростей МТ, количественных значений МТ и Евыд в выделен¬ных объемах. Это позволяет осуществлять выбор устройств с учётом типоразмера мельницы, свойств и стадии измельчения материалов. Области их выраженного влияния на характеристики процесса движения МТ в 1,5… 2,5 раза превышают ве¬личины проекций устройств на продольную ось корпуса 1Лэу. В зависимости от вида устройств, расположения принадлежащих 1ВЛ.ЛЭУ выделенных объемов в ка-мере, при вращении корпуса количества МТ в этих объемах изменяются на 14…220 %, средние значения их скоростей - на 12…67 %, а величины Евыд - на 12…95%. Средние значения скоростей МТ и величины «выделяемой» ими в ка-мерах с ЛЭУ энергии, в зависимости от вида устройств, превышают аналогичные

369
показатели для мельницы без ЛЭУ соответственно на 6…22 % и 2,3…13,7 %.
5. Установлены изменения полной «затрачиваемой» мощности и ее состав¬ляющих. Применение лопастных энергообменных устройств обеспечивает пере¬распределение взаимодействий МТ между устройствами, бронефутеровкой днищ, барабана, что приводит к соответствующим изменениям мощностей, «затрачива¬емых» при этих взаимодействиях. При установке ЛЭУ, в зависимости от их вида, увеличение полной «затрачиваемой» мощности составляет от 2 % до 13,5 %. Ве¬личины мощности, «затрачиваемой» при взаимодействии мелющих тел с ЛЭУ со-ставляют от полной «затрачиваемой» мощности от 6,3% до 26 %. Уменьшать ко¬лебания полной «затрачиваемой» мощности позволяет симметричное расположе¬ние ЛЭУ в проекции на плоскость, перпендикулярную продольной оси корпуса.
6. Исследованы изменения радиальных Fr1, Fr2 и осевой Fz составляющих динамических нагрузок на опорный и опорно – упорный подшипники, возникаю¬щих от взаимодействия мелющих тел с ЛЭУ и бронефутеровкой корпуса при его вращении. Для корпуса с устройствами и без них Fr1, Fr2 и Fz имеют колебатель¬ный характер. Для мельниц одного типоразмера с различными вариантами уста¬новки ЛЭУ отклонения колебаний Fr1, Fr2 от их средних значений составляют 4,5 %...17,1 %. В зависимости от конструкции ЛЭУ, средние значения абсолютных величин осевых составляющих динамических нагрузок F'zcp составляют от 4,4% до 25 % средних значений Fr.cp, что характеризует при установке в мельницах энергообменных устройств повышение продольного воздействия на мелющие те¬ла.