Новые направления в развитии техники и технологии измельчения материалов

А.Н. Дровников, д.т.н., профессор А.А. Остановский, к.т.н., докторант, Институт Сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета

Важнейшей задачей в современных условиях развития народного хозяйства РФ является повышение производительности труда в таких отраслях промышленности, как горно-добывающая и металлургическая, строительная и промышленность производства строительных материалов, а также при обогащении различных полезных ископаемых, использующих дробильно-измельчительное оборудование. Успешное её решение требует создания и внедрения принципиально новых машин и технологических процессов, превышающих по своим технико-экономическим показателям лучшие отечественные и мировые достижения [1].

Как показывает опыт эксплуатации измельчительного оборудования в этих отраслях промышленности, экстенсивный путь развития оборудования для измельчения, характеризующийся увеличением геометрических размеров, привел к созданию таких крупных агрегатов, эксплуатация и ремонт которых на предприятиях вызывает значительные трудности.

Кроме того, для находящегося в настоящее время в эксплуатации различного оборудования характерны такие недостатки как высокие энергоемкость и металлоемкость, низкий коэффициент полезного действия, низкая удельная производительностью и надежность, высокий расход дорогостоящей стали на мелющие тела и футеровку, а также высокий уровень шума. Поэтому они во многом не удовлетворяют комплексу современных требований отраслей промышленности.

Дальнейшая интенсификация процесса измельчения, исходя из сегодняшних требований инновационного пути развития, целесообразна только на основе принципиально новых способов измельчения и наличия для этих целей соответствующего оборудования, не уступающего по своим техническим и технологическим характеристикам лучшим отечественным и зарубежным образцам [2].

Сложившаяся ситуация вызвала в последние годы у нас и за рубежом резкую интенсификацию работ по созданию более эффективных дробильно-измельчительных машин.

Основные факторы, которые, прежде всего, учитываются при этих разработках – необходимость интенсифицировать процесс, резко поднять производительность труда, снизить расход металла и энергозатраты на измельчение материала [3]. Анализ существующих конструкций наиболее прогрессивных в этом отношении мельниц динамического самоизмельчения и основных направлений их совершенствования показал, что рабочий процесс в них изучен достаточно полно, разработан математический аппарат, определяющий режимные и конструктивные параметры мельниц такого типа [4].

Как показывает анализ исследований, созданные и находящиеся в эксплуатации мельницы динамического самоизмельчения различного конструктивного исполнения, достигли предельных значений по производительности и минимальным энергозатратам [5]. Это объясняется тем, что в основе конструкций существующих мельниц динамического самоизмельчения используется кинетическая энергия вращающегося ротора, зависящая в основном от скорости его вращения, которое не может превышать некоторого критического значения. При этом следует отметить, что тенденция обеспечить повышение производительности измельчения путем установки более мощных приводов на известном измельчительном оборудовании, непременно ведет к снижению их надежности и увеличению капитальных затрат.

На наш взгляд, одним из технических решений, позволяющих снизить удельные энергозатраты, могут стать конструкции, в которых используются механизмы «замкнутого контура», в которых возникает явление «циркуляции» энергии.

«Циркуляция» энергии позволяет в процессе измельчения обеспечить дополнительное силовое воздействие на куски материала, что будет способствовать более интенсивному их раскалыванию и истиранию, приводящими к снижению энергозатрат.

В настоящее время известны конструктивные схемы и конструкции Ашин, у которых реализован принцип «замкнутого контура».

При этом реализация этой идеи может быть воплощена в двух вариантах:

1) измельчители, в конструкции которых в силовом замкнутом контуре появление циркуляции энергии происходит за счет предварительного «заневоливания» упругого элемента звена кинематической цепи [6].

2) измельчители, в конструкции которых явление циркуляции энергии происходит за счет кинематического несоответствия верхнего и нижнего контуров кинематической цепи [7, 8].

На рис. 1 изображена схема измельчителя динамического самоизмельчения с силовым замкнутым контуром.

Измельчитель динамического самоизмельчения по патенту №2465960

Измельчитель динамического самоизмельчения по патенту №2465960

На рис. 2 представлен созданный на основе нашего изобретения опытный образец измельчителя динамического самоизмельчения с cиловым замкнутым контуром. Техническая характеристика измельчителя содержится в таблице. Измельчитель динамического самоизмельчения приведенной конструктивной схемы работает следующим образом.

Рис. 1 Опытный образец измельчителя динамического самоизмельчения с силовым замкнутым контуром: 1 – барабан; 2 – укосина; 3 – шкив ведомый привода барабана; 4 – стопор; 5 – шкив ведущий привода барабана; 6 – электродвигатель; 7 – шкив ведущий привода ротора; 8 – плита опорная; 9 – пыльник; 10 – бункер; 11 – шибер; 12 – сборная емкость

Рис. 1 Опытный образец измельчителя динамического самоизмельчения с силовым замкнутым контуром:
1 – барабан; 2 – укосина; 3 – шкив ведомый привода барабана; 4 – стопор; 5 – шкив ведущий привода барабана; 6 – электродвигатель; 7 – шкив ведущий привода ротора; 8 – плита опорная; 9 – пыльник; 10 – бункер; 11 – шибер; 12 – сборная емкость

В барабан 3 через загрузочные отверстия В, выполненные в верхней части барабана, порционно загружается исходный материал. В процессе работы постоянно образуется обновляемый столб кусков материала над чашей ротора 8. При включении электродвигателя 12 куски измельчаемого материала, находящиеся в полости чаши ротора, начинают переме- щаться к ее периферии под действием центробежной силы, одновременно прижимаясь к радиальным ребрам 16, и, попав в активную зону, измельчаются за счет ударов, скалывания и истирания. Частицы материала, соразмерные с боковыми отверстиями, выполненными в боковой стенке чаши ротора 8, выводятся за счет центробежной силы через эти отверстия, и попадают в приемный бункер 17. Частицы материала крупностью, превышающей размеры отверстий в боковой поверхности чаши ротора, совершают движение в барабане по восходящей винтовой линии и далее вместе с исходным кусковым материалом и частично измельченным ранее опускаются в рабочую зону полости чаши ротора. При этом из-за разных передаточных отношений нижней и верхней ветвей контура измельчителя, получаемых установкой сменных шкивов разных диаметров привода чаши 11 и барабана 13, установленных на выходных концах вала электродвигателя 12, происходит накопление и отставание за каждый оборот их угловых скоростей. Ввиду этого отставания формируется кинематическое несоответствие вращения барабана и чаши ротора. Из-за кинематического несоответствия появляется возможность использовать «циркуляцию» мощности, возникающую в замкнутом контуре «чаша ротора- барабан». При этом суммарная мощность на чаше ротора будет значительно больше, чем на валу электродвигателя 12, что приводит к возникновению напряжения в кусках материала, попавшего в зону контакта восходящих частиц, находящихся в чаше ротора, и других, опускающихся вниз под действием собственного веса к границе соприкосновения их с рабочей поверхностью чаши ротора. Этим обеспечивается измельчение соприкасающихся кусков материала с повышенным контактным напряжением при интенсивном их перемешивании. При достижении расчетного максимального момента на чаше ротора, определяемого упругой деформацией кручения материала вала двигателя, производится расцепление предохранительной муфты 15, установленной между двигателем и чашей ротора, и сброс нагрузки в кинематическом замкнутом контуре. После этого предохранительная муфта вновь замыкается, и система контура возвращается в исходное состояние, при котором отсутствует отставание по скорости вращения между выходным концом вала электродвигателя и чашей ротора (верхней и нижней кинематическими ветвями измельчителя).098 3

По завершению этого цикла процесс повторяется в такой же последовательности. Далее рабочий процесс многократно повторяется до достижения требуемой степени измельчения, вывода и аккумулирования в приемном бункере измельченного материала, через боковые отверстия, выполненные в чаше ротора.

Рубашка вала 4, установленная в полости барабана 3, служит для защиты наружной поверхности опорного вала 5 от преждевременного износа измельчаемым материалом. В настоящее время одновременно с проводимыми научными исследованиями на созданном образце измельчителя нами ведутся переговоры с предприятием – «Машиностроительный завод «Восток», занимающимся изготовлением оборудования для обогатительных фабрик Восточного Донбасса (грохотов, молотковых дробилок и др.), о разработке технической документации и изготовлении опытно- промышленного образца для этих производств.

Главные преимущества представленного измельчителя в сравнении с существующими типами измельчительного оборудования состоят в следующем:

– более низкие удельные энергозатраты на измельчение материала (ориентировочно на 30-40%);

– отсутствие в выходном продукте материалов износа рабочих органов и камеры измельчителя;

– меньшая металлоемкость, что может обеспечить приемлемую стоимость и возможность широкого приобретения потенциальными покупателями различных отраслей промышленности;

– простота в изготовлении и обслуживании, что позволяет организовать их производство на предприятиях, не обладающих сложным металлообрабатывающим оборудованием;

– универсальность, позволяющая производить процесс измельчения практически самых разных материалов, – от металлургической, химической отраслей промышленности и промышленности строительных материалов, до пищевой промышленности, сельского хозяйства и переработки отходов производств;

– возможность получения измельчаемого материала закругленной и овальной формы, что очень важно, например, при производстве обмазки для покрытия электросварочных электродов;

– заложенная в конструкции возможность постоянной модернизации по мере возрастания потребностей производства и получения на этой основе измельчительного оборудования с более высокими эксплуатационными характеристиками;

– возможность использования появления «циркуляции» энергии для осуществления технологических операций в других отраслях промышленности, например, для очистки деталей от коррозии и другого;

– заложенная в схемных решениях системная методология, позволяющая с единых позиций проектировать измельчительное оборудование для самых различных отраслей промышленности с учетом унификации и дифференциации конкретных производств.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1. Хетагуров В. Н. Разработка и проектирование центробежных мельниц вертикального типа. - Владикавказ: Терек. 1999. с. 225.

2. Гегелашвили М. В. Теория и практика мельниц динамического самоизмельчения. Владикавказ: Терек. 2001. с.– 208.

3. Ягупов А.В., Гегелашвили М.В., Хетагуров В.Н. Интенсификация размола проб материалов для АСАК. Цветная металлургия, 1984, №10, с. 57-59.

4. Ягупов А. В., Хетагуров В. Н., Выскребенец А. С., Ягупов А.А. О динамике работы мельницы МАЯ // Колыма, 1986, №6, с. 12-14.

5. В. Н. К определению скорости удара частиц измельчаемого материала в полости ротора мельницы МВ-1 // Научные труды СКГТУ 3, Владикавказ, 1997, с.165-171.

6. Патент РФ 2234373. Дровников А. Н. и др. «Мельница динамического самоизмельчения », опубл. 20. 08. 04. Бюл. №23.

7. «Измельчитель динамического самоизмельчения». Дровников А. Н., Остановский А. А., Никитин Е. В., Осипенко Л. А., Агафонов Н. А. Патент РФ №2465960, опубл. 12.10. 12. Бюл №31.

8. «Мельница». Дровников А. Н., Остановский А. А., Маслов Е. В., Бурков Н. В., Романенко Г. Н. Заявка 201224864/13(038058). Решение о выдаче патента на изобретение от 10. апреля 2013.

Ключевые слова: энергия, измельчения, образец, вращающейся, кинетическая, циркулирующая, машины, замкнутого, энергозатраты

Журнал "Горная Промышленность" №6 (111) 2013, стр.98