ВВЕДЕНИЕ
Процесс помола является одним из важнейших среди множества механических процессов, осуществляемых в промышленности строительных материалов [4].
Исследования в области процессов помола различных материалов имеют актуальное значение, так как тонкость продуктов помола значительно влияет на их потребительские свойства.
При этом следует отметить, что помол и классификация мельчайших частиц наиболее проблематичны [27].Необходимость повышения тонкости продуктов помола потребовала как модернизации существующих мельниц, так и создания новых. Помол различного сырья является одним из наиболее энергоемких процессов. Поэтому правильный подбор измельчителя в значительной мере определяет эффективность и рентабельность производства строительных материалов в целом.
Измельчению высокоскоростным ударом свойственны некоторые особенности, которые в других случаях можно было не учитывать. К ним относится, прежде всего, изменение свойств материалов при высоких скоростях деформаций.
В последние годы для производства продуктов помола сконструированы и широко применяются мельницы с высокой скоростью воздействия ударных элементов на частицы измельчаемого материала: вибрационные, струйные, ударно-отражательные, дезинтеграторы и другие типы мельниц [28].
Повышенный износ исполнительных органов мельниц ударного действия существенно повышает эксплуатационные расходы данного оборудования.
Долговечность исполнительных органов машин и степень загрязненности измельченного материала продуктами намола являются лимитирующими факторами при выборе того или иного измельчителя.
С этой точки зрения наиболее перспективными являются центробежные противоточные мельницы (ЦПМ), в которых осуществляется механический разгон частиц. В интенсификации процесса помола и повышения долговечности центробежных противоточных мельниц важную роль играют рационально
подобранные траектории полета частиц в рабочей камере, обеспечение ее равномерной загрузки и т.д.
Данные задачи решаются организацией наиболее оптимальных режимов работы мельниц, при этом должно обеспечиваться получение скоростей соударения частиц, равных скорости их разрушения [134].Общеизвестно, что наиболее эффективно в этом плане лобовое соударение наиболее крупных частиц, в то время как соударение мелких частиц желательно осуществлять по принципу косого взаимодействия в пересекающихся траекториях. В настоящее время конструктивное исполнение центробежных противоточных мельниц выбирается на основе эмпирических данных, при этом разрушение крупных и мелких частиц происходит за счет встречного направленного движения полидисперсных потоков [17, 134]. Данный фактор требует существенной доработки существующих конструкций центробежных противоточных мельниц с целью повышения эффективности их работы.
Объект исследования - центробежная противоточная мельница с селективным самоизмельчением частиц.
Предмет исследования - процесс помола материала в центробежной противоточной мельнице с селективным самоизмельчением частиц.
Рабочая гипотеза:
Повышение эффективности процесса помола в центробежной противоточной мельнице можно достичь за счет организации селективного самоизмельчения частиц.
Научная идея:
Организация работы центробежной противоточной мельницы, при которой осуществляется лобовое соударение крупных частиц и соударение мелких частиц в пересекающихся потоках, что в целом должно повысить эффективность процесса помола.
Цель работы:
Повышение эффективности процесса помола и увеличение
производительности по готовому продукту в центробежной противоточной
мельнице путем организации селективного самоизмельчения частиц во встречных и пересекающихся потоках.
Задачи исследования:
1. Анализ существующих конструкций для помола строительных материалов и определение направлений их конструктивно-технологического совершенствования.
2. Разработка патентно-защищенной конструкции центробежной
противоточной мельницы с селективным воздействием на измельчаемый материал, обеспечивающей повышение эффективности процесса помола и повышение производительности по готовому продукту.
3. Получение аналитических выражений для определения: скорости движения крупных частиц вдоль поверхности криволинейной лопасти ротора; угла схода частиц с прямолинейной и криволинейной лопастей ротора; граничного размера частиц, разделяемых с помощью радиальных прямолинейных лопастей.
4. Получение аналитического выражения для описания кинетики измельчения частиц материала в зоне встречных пересекающихся потоков и встречным лобовым ударом в тангенциальном патрубке.
5. Проведение теоретических исследований для определения взаимосвязи между углами схода крупных частиц с криволинейной поверхности и мелких частиц с радиальной прямолинейной поверхности лопастей ротора.
6. Разработка методики и конструктивного оформления для проведения экспериментальных исследований.
7. Получение уравнений регрессии для установления закономерностей изменения производительности, удельной поверхности и удельных затрат энергии.
8. Разработка инженерной методики расчета центробежной противоточной мельницы.
9. Разработка рекомендаций для реализации результатов работы в производстве и учебном процессе.
Соответствие диссертации паспорту специальности.
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.02.13 по областям исследования:
3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин и агрегатов и их взаимосвязей при комплексной механизации основных вспомогательных процессов и операций.
6. Исследование технологических процессов, динамики машин, агрегатов, узлов и их взаимодействия с окружающей средой.
Научная новизна заключается в получении:
- уравнения, определяющего скорость движения частицы вдоль поверхности криволинейной лопасти ротора для нахождения времени и координат отрыва крупной частицы с ее поверхности;
- выражения для определения величины угла схода крупной частицы материала с поверхности криволинейной лопасти ротора, которое дает возможность определить траектории встречного движения крупных частиц, сходящих с криволинейных лопастей;
- выражения для определения граничного размера частиц, разделяемых с помощью радиальных прямолинейных лопастей прямоугольного поперечного сечения, которое дает возможность определить высоту данной лопасти, необходимую для разделения крупных и мелких частиц по встречным лобовым и пересекающимся потокам;
- выражения для определения величины скола мелких частиц в результате их косого соударения в зоне встречных пересекающихся потоков;
- аналитического выражения для определения отношения конечного размера крупной частицы к ее начальному размеру в результате лобовых соударений;
- математической модели для определения взаимосвязи между углами схода частиц с прямолинейной и криволинейной поверхностей лопастей и координатами загрузочных патрубков;
- уравнений регрессии для определения производительности, удельной поверхности и удельных затрат энергии в зависимости от геометрических и
технологических параметров.
Практическая ценность работы:
На основании результатов исследований разработана центробежная противоточная мельница, конструкция которой защищена патентами РФ на изобретения (№2563691, В02С 13/28; №2567522, В02С 13/22). Центробежная противоточная мельница позволяет повысить эффективность помола, за счет чего удельный расход энергии снижается с 21 до 1 6,9 кВт ч/т, прирост производительности составляет 15%.
Результаты разработки используются в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 15.03.02-21 - Технологические машины и комплексы предприятий строительных материалов.
Автор защищает:
1. Выражения для определения скорости движения частицы вдоль прямолинейных и криволинейных лопастей роторов в центробежной противоточной мельнице.
2. Формулу для определения граничного размера частиц, разделяемых с помощью радиальных прямолинейных лопастей прямоугольного поперечного сечения и угла схода частиц с прямолинейной и криволинейной лопастей горизонтально вращающегося ротора.
3. Уравнение для определения величины скола мелких частиц в результате их косого соударения в зоне встречных пересекающихся потоков.
4. Аналитическое выражение для определения отношения конечного размера крупной частицы к ее начальному размеру в результате лобовых соударений.
5. Математическую модель для определения взаимосвязи между углами схода частиц с прямолинейной и криволинейной поверхностей лопастей и координатами загрузочных патрубков.
6. Уравнения регрессии, позволяющие определить влияние основных факторов на формирование функций отклика: производительность, удельную поверхность и удельные затраты энергии.
7. Конструкцию центробежной противоточной мельницы, защищенную 2
патентами РФ на изобретение и обеспечивающую повышение эффективности процесса помола известняка.
Реализация работы:
Разработаны рекомендации для промышленного внедрения на ООО «Новатор» (г. Белгород) для помола мрамора и на ООО «АвтоДор» (г. Шебекино) для помола известняка, а также методика расчета конструктивно-технологических параметров мельницы внедрена в учебном процессе Белгородского государственного технологического университета имени В.Г.
Шухова на кафедре «Механическое оборудование».Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы и результаты докладывались на научно-технических конференциях, проводимых в БГТУ им. В.Г. Шухова: "Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов" - г. Белгород, 2014; 2015; 2016гг, на кафедре механического оборудования БГТУ им. В.Г. Шухова, на конференции «Интерстроймех-2015» - г. Казань, а также на Юбилейной Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова «Наукоемкие технологии и инновации».
Публикации:
По результатам диссертационной работы опубликовано 20 научных статей, в том числе 9 работ опубликованы в ведущих рецензированных журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получено 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 181 наименований. Работа изложена на 193 страницах, в том числе текста - 156 страниц, 76 рисунков и 7 таблиц.
1.