Трубноя шаровая мельница 4х13,5 м

Введение

            Цементная промышленность является одной из ведущих отраслей строительной индустрии. Производственные мощности цементных заводов  постоянно наращиваются в количественном и качественном отношениях, что достигается техническим перевооружением и реконструкцией старых заводов, внедрением прогрессивных технологий и нового оборудования. Это позволяет существенно снизить удельные капитальные вложения, эксплуатационные расходы, капитальные вложения на реконструкцию, а также снизить себестоимость продукции при одновременном повышении производительности труда.

         В связи с получением права на проведение зимних олимпийских игр в 2014 году, вопрос о наращивании производственных мощностей стал особо остро.   Это случилось из-за того, что в нашей стране большая часть оборудования технически и морально устарела, и мы не можем конкурировать с Турцией и Китаем, которые просто заваливают нашу страну импортным цементом. Но решить эту проблему в короткие сроки, можно при помощи модернизации старого оборудования и  внедрения новых технологий, которые довольно неплохо развиты благодаря усердному труду наших учёных.    

    Важнейшая задача современного этапа развития производства основного вида вяжущих  материалов – портландцемента заключается  в интенсификации и повышении эффективности производства, что требует высоких знаний теоретических основ процессов его получения. Это относится ко всем стадиям производства от выбора наиболее рациональных и рационоспособных видов сырья для получения портландцементного клинкера, осуществление наиболее рационального режима работы и его обжига, а также помола до наиболее эффективной реализации вяжущих свойств материала на стадии твердения.

       Трубные шаровые мельницы просты в конструкции  и работе, хорошо зарекомендовали  себя в нашей стране и за рубежом, но у них имеется и ряд недостатков. В данной работе я попытаюсь высветить основные недостатки и найти пути решения для их устранения.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Классификация и основные сведения о мельницах

   Все существующие типы мельниц классифицируются по следующим основным признакам:

По конструкции  и принципу работы различают следующие  основные типы мельниц  [2]:

     Рисунок 1 Схема мельниц: а- барабанная мельница (1- шары, 2- барабан, ), б- ролико- маятниковая мельница (1- неподвижное кольцо, 2- ролик, 3- крестовина, 4- вал), в- кольцевая шаровая мельница (1- шары, 2, 3- вращающееся кольцо), г- ударная мельница (1- молотки), д- вибрационная мельница (1- корпус, 2- шары), е- мельница струйной энергии.

1. Тихоходные мельницы, к ним относят:

Барабанные мельницы (рис.1, а), предназначаемые для тонкого помола. Эти мельницы могут работать по принципу удара и частично истирания свободно падающими мелющими телами 1 (шарами, цилиндрами, прутками, стержнями и т. п.), находящимися во вращающемся или вибрирующем барабане 2 вместе с измельчаемым материалом. Барабанные мельницы без мелющих тел работают ударом при частичном истирании крупных кусков материала о мелкие;

2. Среднеходные мельницы, к ним относят:

а) Роликовые  маятниковые мельницы (рис.1, б), в   которых   материал  раздавливается между неподвижным кольцом 1 и  быстровращающимися    роликами 2, подвешенными шарнирно  к    крестовине 3 укрепленной на вертикальном валу 4. Ролики прижимаются к рабочей дорожке неподвижного кольца центробежной  силой  инерции.

б) Кольцевые шаровые мельницы (рис.1, в), в которых размол материала осуществляется методом раздавливания между шарами 1, уложенными на беговой дорожке с небольшим зазором друг от друга, и вращающимся кольцом 2. Шары прижимаются к беговой дорожке нижнего вращающегося кольца верхним кольцом 3;

       3) Быстроходные мельницы, к ним относят:

а)Ударные мельницы (рис.1, г) предназначены для размола материалов, 
при этом в ряде случаев с одновременной подсушкой его. Ударные мельницы строятся или со свободно подвешенными — шахтные мельницы или с жестко закрепленными молотками 1 — аэробильные мельницы. Измельчение осуществляется по принципу удара, отчасти истирания, а также за счет удара частиц друг о друга;

б)  Вибрационные мельницы (рис.1, д) применяются для тонкого и сверхтонкого помола материалов. Размол материала происходит в результате круговых колебаний корпуса 1 мельницы с частотой             15-50гц. При этом измельчаемый материал подвергается многократному воздействию загруженных в мельницу небольших шаров 2;

       4) Мельницы струйной энергии (рис.1, е), размол в которых происходит за счет взаимного удара частиц материала, находящихся в турбулентном воздушном потоке, движущемся с большой скоростью, а также частично за счет трения материала о стенки размольной камеры.

     Все существующие типы шаровых и трубных  мельниц могут быть классифицированы по следующим основным признакам [4]:

Рисунок 2 Схемы шаровых мельниц.

     по  принципу работы — на периодические (рис.2, а) и непрерывно действующие (рис.2, б, в, г, д, е, ж);

     по  способу помола — на мельницы сухого или мокрого помола;

     по  конструкции и  форме барабана — на цилиндрические однокамерные (см. рис.2, а, б, в, г), многокамерные (см. рис.2, е, ж) и конические (см. рис.2, д);

     по  способу загрузки и разгрузки — на мельницы с загрузкой и разгрузкой через люк (см. рис.2, а); с периферийной разгрузкой (см. рис.2, в,); с центральной загрузкой и разгрузкой через пустотельные цапфы (см.рис.2, б, г, д, е, ж);

     по  конструкций привода— с периферийным (шестеренчатым) приводом и с центральным приводом;

     по  схеме работы — с открытым или замкнутым циклом.

     В барабанных мельницах отношение  длины барабана L к его диаметру D не превышает 1-2, в то время как в трубных это отношение равно 3-6.

     От  того, по какой из схем работает помольная  установка, во многом зависят ее производительность, удельный расход энергии, однородность готового продукта по величине частиц, а также стоимость эксплуатации помольной установки.

     [3] При производстве цемента, извести, гипса, керамических изделий и т.п. материалы измельчаются до частиц размером менее десятых долей миллиметра. Процесс помола отличается большой энергоёмкостью и стоимостью.

     Трубные мельницы в промышленности строительных материалов применятся в основном на цементных заводах, и преимущественно замкнутого цикла.

     Мельницы  периодического действия используют для тонкого помола глин и глазури в производстве тонкой керамики.

     Достоинства шаровых мельниц: получение высокой  и постоянной тонкости помола и регулирование её; возможность подсушки материала в самой мельнице; простота конструкции; надёжность в эксплуатации; высокая производительность; возможность измельчения пород различной твёрдости.

     Недостатки: низкий к.п.д.; значительный расход энергии; большая масса и размеры; большой пусковой момент; сильный шум во время работы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Конструкция и  принцип действия  шаровой мельницы 

    Цементная трубная мельница 4 х 13,5 м (рис. 7) состоит  из барабана (2), загрузочного (1) и разгрузочного (3)  устройств, камеры разгрузки (4), главного (5) и вспомогательного (6) приводов и смазочной системы (7) жидкой смазки узлов мельницы. Главный привод включает в себя цилиндрический двухступенчатый редуктор, соединенный промежуточным валом с мельницей и эластичной муфтой с электродвигателем. Вспомогательный привод служит для проворачивания мельницы во время ремонтных работ.

    Барабан мельницы сварной из стальных листов толщиной 45 мм. С торцов барабан закрыт крышками, переходящими в пустотелые цапфы. Цапфы опираются на цапфовые подшипники, воспринимающие нагрузку от массы барабана и передающие её на фундамент. Крышки (днище) крепят к цилиндрической части барабана болтами по всему диаметру и с внутренней стороны облицовывают плитами из марганцевой стали. Толщина плит 50-110 мм. Для загрузки мелющих тел, монтажа и смены плит в корпусе барабана предусмотрены люки. По длине барабан разделен межкамерной двойной перегородкой на две камеры: шаровую и цильпебсную. В торце барабана со стороны разгрузочного устройства установлена разгрузочная решетка. Загрузочное устройство мельницы состоит из стальной наклонно расположенной питательной течки с внутренней футеровкой. Течка расположена на металлической тумбе, прочно прикрепленной к фундаментной плите.

    Течка входит в торцевую часть входной цапфы, в которой установлена и вращается вместе с мельницей загрузочная втулка, представляющая собой трубу с литыми винтовыми ребрами (лопастями). Между течкой и загрузочной втулкой проложены войлочные прокладки.

    Материал  поступает в течку и из неё направляется загрузочной втулкой в барабан мельницы. Разгрузочное устройство мельницы имеет выходную крышку, отлитую вместе с цапфой. К днищу прикреплены болтами радиальные литые секторы разгрузочной решетки с щелевыми отверстиями, через который проходит размолотый материал в полость, ограниченную крышкой и решеткой, где установлена литая диафрагма с направляющим конусом и радиальными лопастями. При вращении барабана материал захватывается лопастями и подается на конус, после чего поступает в разгрузочную втулку выходной цапфы, по которой перемещается к разгрузочному патрубку, расположенному между цапфой и приводным валом мельницы.

    В патрубке предусмотрены отверстия  для разгрузки цемента на цилиндрическое контрольное сито. Крупные частицы, а также возможные осколки мелющих тел задерживаются ситом, а готовый продукт направляется к транспортным устройствам

    -элеватору  – при замкнутом цикле помола;

    - двухкамерному  насосу при открытом цикле  помола .

    Задержанные ситом крупные частицы поступают в патрубок разгрузочной камеры и удаляются из мельницы.

    Футеровка мельниц предохраняет поверхность  барабана от изнашивания и имеет  большое значение в механизме  движения дробящей загрузки. Футеровка  представляет собой плиты из марганцовистой или хромистой стали высокой твердости. Барабан футерован продольными, а днище – поперечными плитами.

    Цапфовые  подшипники, предназначенные для  операния барабана мельницы, состоят из рамы, корпуса вкладыша, корпуса вкладыша и крышки. Корпус подшипника и вкладыша сопрягаются по сферическим поверхностям, что обеспечивает самоустановление подшипника при работе мельницы. Внутреннюю поверхность вкладыша заливают баббитом. Цапфовый подшипник смазывают с помощью принудительно-циркуляционной смазочной системы. Для охлаждения вкладыша в его теле установлен змеевик. В него по трубе поступает холодная вода, которая, нагреваясь, выходит наружу.

3  Патентные исследования 

      [5] С целью повышения эффективности процесса измельчения и качества продукции было проведено патентное исследование. Были рассмотрены следующие конструкции мельниц.

      1. Конструкция трубной шаровой мельницы с двумя наклонными эллипсными элементами, составленными из набора   параллельных прутьев и  установленных  в   загрузочных  и   разгрузочных   частях барабана корпуса (см.рис. 4) (А.С. N 1404110 В 02 С 17/06 )

      Недостатком этой конструкции является незначительно увеличение эффективности процесса измельчения материала, вследствие преимущественно продольного перемещения загрузки сегментами в противоположных направлениях.

      Рисунок 4 Схема межкамерной перегородки мельницы

      (А.С. N 1404110 В 02 С 17/06 )

      2. Конструкция трубной шаровой мельницы с межкамерной перегородкой, состоящей из двух сегментов. Один из которых расположен под углом к оси мельницы, другой расположен вертикально (см. рис. 5) (А.С. N 1034773 D 02 С 17/18 )

      Рисунок 5 Схема межкамерной перегородки мельницы

      (А.С. N 1034773 D 02 С 17/18 )

      Недостатком этой конструкции являются высокая  сложность крепления межкамерной  перегородки, недостаточная интенсивность истирания измельчаемого материала.

      Для устранения вышеуказанных недостатков  была разработана межкамерная перегородка.

      3.Она состоит из следующих элементов: первый - наклонный сегмент; угол его наклона 135-150° к продольной оси барабана от загрузочной крышки. Второй - горизонтальная секция. Третий - вертикальная секция, с наклонным сегментом горизонтальной секцией. Данная конструкция отличается от вышеупомянутых более высокой эффективностью процесса измельчения, качеством готовой продукции, снижением энергозатрат     (см.рис. 6) ( А.С. N 1814919 В 02 С 17/18 )

      Рисунок 6 Схема межкамерной перегородки мельницы

( А.С. N 1814919 В 02 С 17/18 )

      С целью реализации найденного в ходе патентного исследования оригинального решения, подтвержденного проведенным экспериментов, и анализом его результатов предлагается для повышения эффективности процесса измельчения материалов в трубных шаровых мельницах установить межкамерную перегородку сложной конфигурации ( А.С. N 1814919 В 02 С 17/18), состоящую из трех элементов.

      Первый - наклонный сегмент, расположенный  под углом 135-150° к продольной оси  барабана от загрузочной крышки.

      Второй - сегмент разгрузочной части, установленный  вертикально.  Третий - горизонтальная секция, соединяющая первый и второй сегменты между собой.

      Ее  длина находится в пределах 1 - 1,4 диаметра корпуса мельницы.

     Перегородка подобной конструкции имеет ряд  свойств. Наряду с возникающими продольно-поперечными перемещениями шароматериальной загрузки образуются три четко выраженных участка, воспроизводящих соответственно три скоростных режима движения загрузки: водопадный с продольными перемещениями, смешанный режим, каскадный режим с малой продольно-поперечной составляющей. Загрузка осуществляет продольно-поперечное перемещение, но не во взаимно противоположных направлениях навстречу друг другу, естественно, значительно снижаются колебания на опорах мельницы, благодаря наличию горизонтальной перфорированной секции обеспечивается большее уравновешивание, меняется кинематика движения мелющих тел, увеличивается вынос готового продукта аспирационным воздухом, снижается гидравлическое сопротивление и нагрузка на вентилятор, что в совокупности приводит к повышению эффективности процесса измельчения.

      На  рис. 7  представлена схема трубной  шаровой мельницы с трехэлементной перегородкой. На рис. 8  представлена схема трубной мельницы через 1/2 оборота барабана мельницы.

      Трубная мельница состоит из корпуса 1, загрузочной  крышки 2, разгрузочной крышки 3, наклонного эллипсного сегмента 4, вертикального сегмента 5, горизонтальной секции 6. 

      Рисунок 7 Схема трубной шаровой мельницы

      Рисунок 8 Схема трубной шаровой мельницы 

      Наклонный эллипсный сегмент 4 и вертикальный сегмент 5 состоят из набора прутьев, расположенных параллельно и сваренных между собой, ширина щелей между прутьями равна 8-12 мм. Горизонтальная секция 6 может изготавливаться сварной - из стального прутка или литой - из набора отдельных деталей, ширина щелей аналогична ширине щелей сегментов. Крепление прутков и осуществляется любым известным способом.

      Угол  наклона эллипсного сегмента 4 равен  = 135 - 150° к продольной оси барабана. Если < 135°, например равен 130°, то коэффициент сцепления мелющих тел с сегментом уменьшается настолько, что продольно-поперечное движение мелющих тел незначительно и существенного влияния на эффективность измельчения не оказывает.

      Если Ð > 150°, например Ð= 155°, то зона влияния наклонного сегмента увеличивается так, что мелющие тела действуют на загрузочную крышку мельницы и попадают в цапфу, закрывая проход поступающему материалу. При этом отодвинуть межкамерную перегородку трубной мельницы нельзя, т.к. расстояние от начального сегмента до разгрузочной крышки является оптимальным и определяется по формуле для относительного радиуса зоны влияния наклонной перегородки.

      Наличие перфорированной горизонтальной секции, соединяющей два сегмента, служит не только для разделения мельницы на две камеры, т.е. разделения мелющих тел. а в основном для более интенсивного истирания измельчаемого материала, так как за один оборот мельницы на измельчаемый материал на этом участке воздействуют мелющие тела первой и второй камеры, и способствуют выносу готового продукта аспирационным воздухом.

      Сегмент 5 установлен вертикально. Даже при  незначительном его отклонении от вертикали (например Ð = 88° или Ð = 92° ) загрубляется помол материала вследствие возрастания скорости продвижения материала по длине мельницы. Движение мелющей загрузки должно быть направлено преимущественно в поперечном направлении при незначительном продольно-поперечном движении, возникающем при скатывании части мелющих тел с горизонтальной секции.

      При высоте сегмента 5 более 0,5 D, мелющие тела будут падать с горизонтального участка, что приведет к переизмельчению материала, продольное движение мелющих тел незначительно. При уменьшении высоты сегмента 5 до 0,34 D, продольное движение мелющих тел незначительно или вообще отсутствует, так как высота мелющих тел смешанного участка приблизительно равна высоте мелющих тел, находящихся у вертикального сегмента, следовательно, здесь преобладает поперечное движение мелющих тел.

      Высота  наклонного эллипсного сегмента 4 находится  в пределах                   0,5 – 0,6 D, что способствует увеличению продольно-поперечного движения мелющей загрузки первой камеры, и соответственно, увеличению воздействия мелющих тел на измельчаемый материал и повышение эффективности использования площади просеивающей поверхности.

      Увеличение  высоты наклонного сегмента 4 с 0,5 D до 0,6 D целесообразно при трудноразмалываемом материале (клинкере ). В этом случае уменьшить скорость его продвижения по длине мельницы. При высоте наклонного сегмента 4 более 0,6 D, уменьшается высота сегмента 5, образуются застойные зоны, помол загрубляется.

      Длина горизонтальной секции выбирается равной 1 – 1,4 диаметра барабана мельницы. В  процессе работы материал в мельнице располагается по участкам согласно режима работы мелющей загрузки. В случае длины участка со смешанным режимом измельчения меньшей диаметра барабана мельницы (L< D ), нарушается позонное воздействие мелющей загрузки на материал, не происходит интенсификации процесса измельчения, снижается избирательность режимов работы мелющей загрузки (водопадного, смешанного, каскадного ). При длине горизонтальной секции более 1,4 D, соответственно уменьшаются длины участков в водопадном или каскадном режимах измельчения, что приведет к загрублению помола.

      Сущность  модернизации

      Межкамерная перегородка трубной мельницы, составленная из трёх сегментов, первый из которых расположен наклонно, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса измельчения и качества готовой продукции, второй сегмент расположен горизонтально, а третий вертикально, причём угол наклона первого сегмента равен 135-150 к продольной оси барабана от загрузочной крышки, высота первого сегмента составляет 0,5-0,6, а второго 0,5-0,4 диаметра барабана мельницы, длинна горизонтальной секции равна 1-1,4 диаметра барабана мельницы.   

4 Расчёт основных  параметров трубной

шаровой мельницы Ø4х13,5 м 

1)Критическая  и наивыгоднейшая  скорости вращения  барабана мельницы. [6] 

       Предельное число оборотов барабана мельницы, при котором окружная скорость становится критической, определяется из условий равновесия силы тяжести шара и центробежной силы инерции, действующей на шар, прилегающий к внутренней поверхности барабана:

                                                  Н

где - масса шара, кг;

     - сила тяжести шара, равная , Н;

       - окружная скорость барабана, м/с;

       - ускорение силы тяжести, м/с²;

       - расстояние от центра шара до центра барабана, м.

        Сила тяжести и центробежная сила инерции приложены к центру шара, поэтому правильней было бы принимать расстояние от центра шара до центра барабана равным , где - радиус шара. Практически величина по сравнению с незначительна и в дальнейшем, без заметной погрешности, вместо будем принимать .

         Центробежная сила  направлена по радиусу под углом   (см. рис. 9). Угол между вертикальным диаметром барабана и радиусом, соединяющим центр барабана с точкой , называется углом отрыва, а точка , в которой шар покидает круговую траекторию, - точкой отрыва.

          Силу тяжести  разложим на две составляющие: касательную и

нормальную  :

 Н,

        Сила  , противодействующая центробежной силе инерции , достигает максимальной величины при , т. е. при .

        Критическая же скорость, при  которой шары начинают не отрываться от внутренней поверхности барабана, будет достигнута в том случае, когда центробежная сила инерции станет большей или равной максимальной величине силы , т. е. равной или большей силы . На основании изложенного можем записать:

где - сила тяжести, равная , Н.

       Заменяя величину окружной скорости выражением

                                                       ,                                                                получим

                                                   .                                                                            

Рисунок 9  Схема к определению скорости барабана мельницы

     Откуда  получим, что критическая скорость будет достигнута при числе оборотов барабана, равном

где - внутренний диаметр барабана, м.

       Для шара, находящегося в точке  , его отрыв от стенки барабана и переход на параболическую траекторию возможен только при условии, что  

или

                                                     ,                                                          

откуда 

и далее

                                                     .                                          

критическая скорость равна  .

       Заменяя  через , получим

                                                               .                                              

       Скорость вращения барабана мельницы  принято определять в долях  критической скорости. Устанавливаем,  что эта доля  равна величине ,т. е.