Особенности существующих конструкций динамических сепараторов и направления их совершенствования
Номенклатура оборудования для классификации - это десятки моделей таких производителей как: Волгоцеммаш, Magotteaux S.A., Christian Pfeiffer, FLSmidth, KHD, Polysius. Процесс классификации в сепараторах преимущественно осуществляется под воздействием центробежной, гравитационной и сил инерции.
При этом эффективность сепарации и ряд параметров, характеризующих производительность и качество сепарации (селективность, уровень байпаса, фракционный состав готового продукта, количество готового продукта в крупке, дезагрегирующая способность) отличаются в зависимости от конструкции [131]. Конструктивные оказывают непосредственное влияние и на процесс подачи материала в сепаратор, его распределение в классификаторе, траекторию движения пылегазовых потоков, дезагрегацию, вывод готового продукта и крупки, регулирование тонины мелкой фракции и другие. Продукт помола подается из мельницы в сепаратор различными способами: ковшевым элеватором, винтовым транспортерам, по аэрожелобам или комбинациями транспортирующего оборудования [6, 66].
Каждому из способов загрузки материала должны соответствовать расположение и конструкция внутрисепараторных устройств, которые разрабатываются отдельно для каждого сепаратора [34]. Подача материала в сепаратор может осуществляться по патрубкам, расположенным в верхней части сепаратора, через входной штуцер снизу, а также «боковая» подача (рисунок 1.9) [14, 37]. Схема подачи материала в верхнюю часть предполагает наличие одного и более патрубков. Они могут иметь прямоугольное или круглое сечение. Такая подача может осуществляться через полый вал. Обычно, материал поступает параллельно оси вращения вертикального вала сепаратора, что менее эффективно, чем подача в определенную зону распределительного устройства при питании сверху и сбоку. Загрузка через полый вал применяется в конструкциях, где вращение приводного вала внутрисепараторных устройств осуществляется с различной частотой.
Этот способ загрузки может быть обусловлен и наличием распределительного устройства в нижней части сепаратора.
Рисунок 1.9 Схема подачи материала в сепаратор
а) - в нижний патрубок; б) - сверху; в) - через полый вал; г) - «боковая»
Подача материала через полый вал не является предпочтительной, так как это усложняет конструкцию подшипниковых узлов [79]. При положении распределительного устройства в нижней части может применяться боковая подача [37, 74]. При таком способе подачи питающий желоб, расположенный внутри сепаратора, оказывает влияние на направление и однородность пылегазовых потоков. Более приемлемой является загрузка через несколько желобов - увеличивается равномерность распределения частиц при попадании на
распределительный устройство и в газовом потоке по объему сепаратора. Так, воздушный сепаратор Presep VTP имеет четыре питающих желоба, что обеспечивает равномерную подачу материала на распределительное устройство. При этом недостатком такой конструкции является сложность разделения материала на равные четыре потока. Трубы и желоба подачи материала могут иметь дополнительные устройства, которые закручивают материал, придавая ему уже на этой стадии, например, центробежное ускорение [105, 115].
Нужно отметить, что способ подачи материала в сепаратор оказывает влияние на процесс сепарации в целом, поэтому оптимизация конструкции загрузочных устройств и выбор способа и места его подачи являются одним из способов совершенствования сепараторов. Одним из направлений повышения эффективности может быть подача, обеспечивающая повышение дезагрегации частиц материала.
В центробежных сепараторах с динамическими элементами (распределительными и вентиляторными устройствами) крутящий момент на вал (ротор) сепаратора передается в основном через клиноременную передачу, предохранительную муфту или зубчатую пару. Первые два способа позволяют снизить влияние дисбаланса и биений на выходной вал привода, что повышает ресурс работы и надежность [37, 39, 74].
Для регулирования параметров процесса и характеристик готового продукта применяют электродвигатели с изменяемой частотой вращения, что позволят избежать остановок по настройке сепаратора для изменения крупности готового продукта [110]. Это также дает возможность изменять скоростные параметры не только газообразных потоков, но и частиц, поступающих в зону сепарации, что важно для подбора рациональных режимов.Для равномерного рассеивания материала и образования пылегазовой взвеси в сепараторе применяют распределительные устройства. Частицы должны распределяться в газовом потоке таким образом, чтобы в дальнейшем можно было выделить из потока необходимую фракцию с минимальными энергетическими затратами и максимальной точностью [95]. К устройствам, которые создают в сепараторе пылегазовую взвесь, относятся вращающиеся
диски, тарелки, конусы, лопастные распределители. Поступающий на рассеивающее устройство материал получает центробежное ускорение и распыляется в газовом потоке в виде взвеси частиц в газе. Распределители подвергаются абразивному воздействию, их выполняют из износостойких сталей, защищают наплавкой, покрывают специальными растворами и керамической футеровкой. На рисунке 1.10 а) представлен плоский распределительный диск с износостойкими элементами в виде секторов. Одним из недостатков такой конструкции является неравномерный износ футеровки, так как материал поступает в одно место по диаметру одинаково отдаленное от оси вращения.
Рассеивающие устройства в виде диска с конусом в средине позволяют распределить материал более равномерно, чем диск, конструкция которого представлена выше. Материал скатывается с конуса за счет центробежной и гравитационной сил. Так, сепаратор «Полидор» 04000 имеет распределительное устройство с конусом, одним из недостатков этой конструкции является использование четырех присоединительных отливов, которые препятствуют движению материала, поступающего на распределительное устройство (рисунок 1.10 б) сверху и нарушают траекторию его движения.
Рисунок 1.10 Распределительные устройства сепараторов а) «Стуртевант СД» с футеровкой; б) «Полидор» с конусной частью
1,2 - секторы футеровки диска, 3 - основание диска
Конструкции дисков могут иметь радиальные ребра или лопатки, которые придают определённую траекторию частицам, а также создают воздушные потоки [106]. При взаимодействии с материалом лопасти могут разрушать агрегаты со слабыми связями между частицами. Слипшиеся в агрегаты частицы, отброшенные на стенки сепаратора, также разрушаются при столкновении, в случае достижения достаточных внутренних напряжений, которые превышают силы связи, удерживающие части вместе [102, 128]. При этом необходимо отметить, что дезагрегация при контактных взаимодействиях будет способствовать повышению эффективности сепарации, вследствие снижения количества агрегатов возвращенных на повторный помол.
Проанализировав конструкции распределительных устройств, можно сделать вывод, что направлением их совершенствования может быть повышение равномерности распределения материала и придание частицам рациональных траекторий движения для их классификации и разрушения агрегатов.
Для создания газовых потоков в сепараторе используют различные устройства: динамические - крыльчатки, вентиляторы и статические - направляющие лопатки, жалюзи, улитки. Крыльчатки в сепараторе создают направленный вращающийся пылевоздушный поток, силы которого воздействуют на взвешенные частицы и придают им траектории движения в зависимости от их крупности. Траектория движения частиц зависит от их массы и формы поэтому, обладающие одинаковой массой, но разной формой частицы, могут иметь различные траектории и скорости движения. Основным требованием к работе вентиляторов является создание направленного потока с однородным полем скоростей, чтобы минимизировать возможностью образования завихрений и пульсаций [97]. Этим критериям наиболее близко подходит плоскопараллельное движение потока в зоне сепарации, когда вероятность попадания частиц не соответствующего размера в готовый продукт минимальна [120].
В связи с этим конструкции для создания направленных газовых потоков должны иметь высокую точность изготовления [78].
На рисунке 1.11 представлена конструкция крыльчатки сепаратора «Полизиус», диск которого имеет съемные лопасти. Изменение числа лопастей для управления параметрами процесса, когда через ревизионные люки в корпусе классификатора снимают часть лопастей, прерывают производственный процесс, в результате снижается производительность помольного комплекса. Для решения этой проблемы Пироцкий В.З. предложил механизм регулирования, который позволяет изменять положение лопастей во время работы сепаратора [62]. Недостатком этого устройства является сложный приводной механизм ручного типа. Поэтому разработка методов автоматического регулирования положения направляющих статических и динамических лопастей независимо друг от друга, без остановки оборудования, является актуальным направлением совершенствования рассмотренных узлов сепаратора.
Рисунок 1.11 Крыльчатка сепаратора с лопастями
1 - лопасть; 2 - диск;
К динамическим устройствам для закручивания потока и регулирования параметров процесса классификации за счет частоты вращения относится вращающаяся корзина, так называемая «беличья клетка», состоящая из двух дисков соединенных между собой лопастями или прутками различного сечения, которые воздействуют на пылегазовую взвесь. Существуют конструкции с различным количеством направляющих в виде прутков, лопаток прямоугольного
сечения и со сложной формой, которые установлены под определенным углом, как показано на рисунке 1.12.
Мелкие частицы вместе с воздушным потоком проходят между направляющими динамической корзины и удаляются через патрубки тонкой фракции. В связи с этим «клетки» имеют определенную конструкцию, которая зависит от производительности сепаратора, параметров исходного и готового продукта, а также от конструктивных особенностей классификатора.
Рисунок 1.12 Типы направляющих элементов корзины (показано сечение
корзины): а) лопасти установлены под углом; б) прутки круглого сечения; в) лопасти со сложной формой
Существуют устройства, где предусмотрены и статические направляющие пластины или лопатки (рисунок 1.13 а)) [5]. Статические направляющие могут иметь приводные устройства для настройки параметров процесса классификации [4]. Пластины также устанавливаются по типу «чешуи»: так система жалюзи у сепараторов SD компании Magotteaux имеет ряды статических направляющих (рисунок 1.13 б)). Эти направляющие пластины образуют «ложную» стенку сепарационной камеры. Плоскость пластин скрещивается с осью вращения корзины из прутков, а угол наклона каждой из пластин относительно оси образует конус, по которому крупка, отброшенная центробежными силами, скатывается в конус крупного продукта.
Такой способ установки пластин позволяет задерживать материал в зоне классификации, при этом снижается попадание готового продукта в крупку. Агрегаты частиц, взаимодействуя со статическими элементами, также могут
разрушаться. Направляющие пластины или их поверхность выполняются из износостойких материалов, устойчивых к абразивному воздействию.
1.13 Статические направляющие устройства а) сечение зоны сепарации Christian Pfeiffer QDK 31-N, где 1 - пластины ротора; 2 - статические направляющие; б) направляющие жалюзи в виде «чешуи» сепаратора MAGOTTEAUX S.A. SD («Стуртевант СД»)
Рассмотренные конструкции сепараторных устройств не имеют специально предназначенных для дезагрегации элементов, поэтому создание питающих устройств, вентиляторных колес, крыльчаток, статических и динамических пластин внутрисепараторных устройств, которые позволяют повысить дезагрегирующую способность сепаратора является направлением совершенствования и повышения производительности сепараторов [41].
1.4