ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Промышленность строительных материалов является одной из ключевых отраслей, которая, в том числе обеспечивает развитие и рост экономики страны. Так, важная роль в реализации майских указов отводится строительной отрасли (Указы Президента Российской Федерации В.В.
Путина от 7 мая 2012 года №№600, 603). В связи с этим для достижения поставленных в указах целей, в производстве строительных материалов приоритетными являются вопросы совершенствования, повышения эффективности оборудования и протекающих в нем процессов. Одним из наиболее энергоемких в производстве строительных материалов является получение порошкообразных материалов методом помола. Для получения продукта с заданными гранулометрическим составом и удельной поверхностью используют комплексы, основными компонентами которых обычно являются помольное оборудование и сепаратор для разделения частиц по крупности. Одной из известных проблем при получении порошкообразных материалов является агрегация частиц, которая особенно остро стоит для склонных к агрегации материалов. В большей степени агрегация присуща частицам тонкой фракции, при этом совокупная крупность частиц в составе агрегата зачастую соответствует грубой фракции. В результате чего частицы готового продукта в составе агрегатов повторно возвращаются в мельницу в виде крупки. Наличие в крупной фракции частиц готового продукта приводит к снижению эффективности работы комплекса в целом и является причиной энергетических потерь. При этом, существующие конструкции оборудования для сепарации не позволяют обеспечить достаточную эффективность процесса разрушения агрегатов (дезагрегации) и как следствие процесса сепарации в целом. На данный момент селективность (вероятность попадания частиц в крупку) лучших образцов сепараторов достигает только 15% для частиц крупностью менее 5 мкм.Таким образом, подтверждается актуальность проблемы агрегации при получении порошкообразных материалов.
При этом исследование характераагрегации частиц и создание устройств, способствующих дезагрегации позволит повысить эффективность производственных комплексов и снизить энергетические затраты на выпуск порошкообразных материалов и изделий на их основе.
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в исследование процессов сепарации порошкообразных материалов, их дезагрегации и разработку методик математических расчетов внесли: Барский М.Д., Глухарев Н.Ф., Дерягин Б.В., Дешко Ю.И., Евсеев Е.А., Зимон А.Д., Зятиков П.Н., Иванов О.С., Карбиев К.К., Коузов П.А., Мизонов В.Е., Ребиндер П.А., Сапожников М.Я., Сиденко П.М., Суслов А.Д., Урьев Н.Б., Ушаков С.Г., Фролов Ю.Г., Фукс Н.А., Ходаков Г.С., Шваб А.В., Щукин Е.Д., Clark M., Haber J., Klumpark Ivan V., Negel C., Ossen C., Tromp K.F., Weisskopf V.F., а также многие другие. Их труды и исследования в значительной мере способствовали изучению процесса воздушной сепарации, проблем связанных с агрегацией порошкообразных материалов и различных способов и подходов их дезагрегации.
Вместе с тем, вопрос механического разрушения связей частиц в агрегатах при реализации процесса воздушной сепарации порошкообразных материалов не получил достаточного изучения и существует необходимость в проведении дополнительных исследований в рассматриваемой области.
Объект исследования - динамический сепаратор с дезагрегирующим устройством.
Предмет исследования - процесс разрушения агрегатов частиц материала в динамическом сепараторе при контакте с дезагрегирующим устройством.
Цель работы - повышение эффективности процесса дезагрегации порошкообразных материалов в динамическом сепараторе, увеличение производительности путем установления закономерностей, математического описания и определения значений параметров дезагрегирующего устройства.
Для достижения цели поставлены следующие задачи.
1. Выполнить анализ техники и технологии разделения порошкообразных материалов, определить направление повышения эффективности процесса дезагрегации и производительности сепараторов.
2. Разработать патентно-защищенную конструкцию дезагрегирующего устройства динамического сепаратора, обеспечивающего совершенствование процесса дезагрегации порошкообразных материалов в результате дезагрегации частиц тонкой фракции.
3. На основании математического описания получить выражения для определения конструктивно-технологических параметров динамического сепаратора с дезагрегирующим устройством.
4. Исследовать характер агрегации частиц микроскопическим и гранулометрическим методами, определить поверхностное натяжение различных фракций молотого мергеля.
5. Установить закономерности изменения эффективности процесса дезагрегации (η),потребляемой мощности (P)и производительности (Q) динамического сепаратора с дезагрегирующим устройством с учетом варьирования параметров устройства, определить рациональные значения параметров, при которых Q→MAX, η →MAX, P→MIN.
6. Разработать инженерную методику расчета основных конструктивно - технологических параметров динамического сепаратора с дезагрегирующим устройством.
7. Осуществить промышленное применение результатов работы.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Работа соответствует паспорту специальности 05.02.13, а именно областям исследований:
3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин и агрегатов и их взаимосвязей при комплексной механизации основных и вспомогательных процессов и операций.
6. Исследование технологических процессов, динамики машин, агрегатов, узлов и их взаимодействия с окружающей средой.
Научная новизна.
1. На основании математического описания получено выражение для определения эффективности процесса дезагрегации порошкообразных материалов дезагрегирующим устройством в виде многозаходных лент в динамическом сепараторе.
2. Определены форма агрегированных частиц, их критический размер, распределение по крупности в составе агрегатов и значения величин поверхностного натяжения для отдельных фракций агрегатов молотого мергеля.
3. На основании математического описания получены выражения, позволяющие определить вертикальную составляющую скорости частицы в зоне сепарации непосредственно перед контактом с лентой дезагрегирующего устройства и рациональный угол установки лент.
4. Для динамического сепаратора с дезагрегирующим устройством получены математические выражения в виде уравнений регрессии, позволяющие определить эффективность процесса дезагрегации, производительность, потребляемую мощность и определить рациональные значения конструктивных параметров устройства, установлены закономерности изменения эффективности процесса дезагрегации от этих параметров.
Теоретическая значимость работы заключается в математических описаниях, позволяющих определить основные конструктивно-технологические параметры динамического сепаратора при оснащении дезагрегирующим устройством в виде многозаходных лент; в установлении закономерностей изменения эффективности процесса дезагрегации от параметров устройства.
Практическая значимость работы заключается в разработке патентнозащищенной конструкции дезагрегирующего устройства в виде многозаходных лент для динамического сепаратора; инженерной методики расчета, позволяющей определить основные параметры динамического сепаратора с дезагрегирующим устройством, обеспечивающего увеличение эффективности процесса дезагрегации на 14,2...15,4%, производительности сепаратора на 4,6...5,14%. Реализовано успешное промышленное использование дезагрегирующего устройства на сепараторе CSA6 при производстве молотого мела на ОАО
«Шебекинский меловой завод». Результаты исследований используются в учебном процессе в БГТУ им. В.Г. Шухова.
Работа выполнялась при поддержке РФФИ и Правительства Белгородской области в рамках проекта №14-41-08042 «р_офи_м».
Методы исследований. Использовались общепринятые для технических наук теоретические (идеализация, формализация), экспериментальные (наблюдение, эксперимент, сравнение). В основу исследований характера агрегации и эффективности процесса дезагрегации положены методы микроскопического и гранулометрического анализа, выполненные соответственно при помощи электронного микроскопа высокого расширения TESCAN MIRA 3 LMU, а также лазерного анализатора размеров частиц ANALYSETTE 22 NanoTec plus.
Положения, выносимые на защиту.
1. Патентно-защищенная конструкция динамического сепаратора сыпучих материалов с устройством в виде многозаходных лент, обеспечивающим повышение эффективности процесса дезагрегации.
2. Полученные в результате математического описания выражения для определения:
- эффективности процесса дезагрегации агрегатов дезагрегирующим устройством в виде многозаходных лент в динамическом сепараторе.
- вертикальной составляющей скорости частицы в зоне сепарации непосредственно перед контактом с лентами дезагрегирующего устройства, установленного на заданной высоте в сепарационной камере;
- рационального угла установки многозаходных лент дезагрегирующего устройства;
3. Уравнения регрессии для динамического сепаратора с дезагрегирующим устройством, характеризующие эффективность процесса дезагрегации, производительность, расходуемую мощность и определить рациональные значения конструктивных параметров устройства
4. Определенная экспериментальным путем критическая крупность «тонких» частиц и их распределение по крупности в составе агрегатов различных фракций для молотого мергеля.
5. Результаты исследований по установлению закономерностей изменения эффективности процесса дезагрегации, производительности, расходуемой мощности для динамического сепаратора с дезагрегирующим устройством в виде многозаходных лент.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций соответствует современным требованиям и обоснована использованием фундаментальных законов, точных контрольно-измерительных устройств, высокотехнологичного оборудования центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова, согласованием результатов расчетов с данными экспериментальных исследований и промышленного внедрения.
Апробация результатов. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы были представлены в ходе: Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития науки и образования» - Москва, 2013 г.; IV Международной научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» - Владикавказ, 2013 г.; Международной научно-практической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс» - Губкин, 2015г.; Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2015» - Казань, 2015 г.; VII Международном молодёжном форуме «Образование, наука, производство». - Белгород, 2015 г.; Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии и инновации» - Белгород, 2016 г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 18 статей, в том числе 5 статей в центральных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 134 источников. Работа выполнена на 213 страницах, в том числе 149 страниц основного текста, 60 рисунков и 16 таблиц.