Повышение качества готового продукта при дезинтеграции минерального сырья в центробежной мельнице вертикального типа

Актуальность проблемы. Для России важной государственной проблемой является снижение энергозатрат во всех уровнях производства и, в первую очередь, при переработке и обогащении руд, где наиболее трудоемким и энергоемким процессом является измельчение руды, на долю которого приходится около 64% энергозатрат.

Перспективными аппаратами нового типа, способными эффективно осуществлять операции измельчения при высоких технологических показателях и низких энергозатратах, являются центробежные мельницы вертикального типа. Эксплуатация этих мельниц при размоле свинцово-цинковых, медных, марганцевых, железных руд и других сырьевых материалов показала экономическую целесообразность нового способа самоизмельчения за счет отсутствия мелющих тел, совмещения операций мелкого дробления и измельчения, малой металлоемкости, отсутствия специальных фундаментов, высокой удельной производительности, сокращения удельного расхода электроэнергии, низкого расхода металла, низкого уровня шума в работе, простоты конструкции и ремонтных операций.

При создании центробежных мельниц вертикального типа производительностью более 5 т/ч был выявлен ряд технологических и технических проблем, связанных с вынужденной блокировкой кольцевого горизонтального разгрузочного зазора между подвижными и неподвижными элементами мельницы, а также с размещением в нижней кольцевой части рабочего пространства центробежной мельницы, в зоне над вращающимся ротором, дополнительных кольцевых просеивающих поверхностей. Так, повысилось переизмельчение готового продукта, снизилась производительность мельницы по исходному и готовому продукту, повысился расход электроэнергии и т. п.

Учитывая недостаточное научное и экспериментальное обоснование закономерностей измельчения минерального сырья в центробежных мельницах вертикального типа, а также способов эвакуации измельченного продукта из рабочего пространства, направление данного исследования представляется актуальным и своевременным.

Цель работы: повышение качества готового продукта при дезинтеграции минерального сырья в центробежной мельнице вертикального типа.

Идея работы, снижение переизмельчения готового продукта при измельчении минерального сырья в центробежной мельнице вертикального типа при изменении способа эвакуации измельченного материала из рабочего пространства мельницы.

Методы исследований. В работе применен комплексный метод исследований: критическое обобщение опыта на основе анализа литературных и патентных источников, гранулометрический и фракционный методы анализа продуктов измельчения, теоретические исследования с использованием теории гидродинамики, лабораторные эксперименты, методы планирования экспериментов, статистические методы исследований с обработкой результатов на ЭВМ.

Научные положения, защищаемые в работе.

1. Производительность центробежной мельницы вертикального типа по готовому продукту и затраты мощности на измельчение материалов от времени испытаний описываются соответственно нелинейной и линейной зависимостями в переходный период, который продолжается от 4 до 6 часов с момента первоначальной загрузки исходного продукта в мельницу.

2. Доказано, что зависимость выхода расчетных классов — 0,08 мм в выгрузке центробежной мельницы вертикального типа от времени испытаний при измельчении минерального сырья имеет нелинейный характер. При этом установлено, что наибольшее влияние на производительность мельницы по расчетному классу — 0,08 мм оказывают высота столба материала и количество ребер, установленных в полости ротора, а частота вращения ротора влияет незначительно.

3. Усовершенствована математическая модель движения измельчаемого материала в рабочем пространстве центробежной мельницы вертикального типа в виде системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса. Она показывает, что движение материала внутри неподвижного корпуса мельницы начинается у стенок корпуса, от плоскости вращения верхних кромок ребер ротора, имеющего форму перевернутого полого усеченного конуса, и продолжается по восходящей спиралевидной траектории, которая расположена на поверхности параболоида вращения с вершиной на оси мельницы, и далее завершается по нисходящей траектории у оси мельницы. При этом происходит формирование подвижного торообразного ядра материала над вращающимися ребрами, высота которого определяется частотой вращения ротора, давлением столба материала, находящегося над ротором, и коэффициентом эквивалентной вязкости продуктов измельчения.

4. Установка просеивающих поверхностей в периферийной нижней части рабочего пространства центробежной мельницы вертикального типа приводит к снижению выхода класса -0,04 мм в среднем на 15%, с одновременным повышением производительности по исходному продукту на 31,7%.

Научная новизна:

1. Впервые определены зависимости производительности центробежной мельницы вертикального типа по готовому продукту и мощности, затрачиваемой на измельчение материалов, учитывающие блокировку кольцевого зазора между подвижными и неподвижными элементами мельницы, наличие кольцевых просеивающих поверхностей в периферийной нижней части рабочего пространства мельницы, изменение высоты столба измельчаемого материала в корпусе мельницы, частоты вращения ротора и размера исходного питания.

2. Зависимость производительности центробежной мельницы вертикального типа по выходу расчетных классов — 0,08 мм от времени испытаний в выгрузке мельницы при измельчении минерального сырья определена с учетом блокировки кольцевого зазора между подвижными и неподвижными элементами и размещением кольцевых просеивающих поверхностей в периферийной нижней части рабочего пространства мельницы, позволяющие снизить переизмельчение кондиционного продукта, а также с учетом варьирования высоты столба материала в корпусе мельницы, частоты вращения ротора и количества ребер, установленных в полости ротора.

3. Усовершенствованная теоретическая модель движения измельчаемого материала в корпусе центробежной мельницы вертикального типа учитывает форму ротора в виде полого перевернутого усеченного конуса и установку в его полости радиальных ребер.

4. Впервые с учетом блокировки кольцевого зазора между подвижными и неподвижными элементами центробежной мельницы вертикального типа установлена доля участия просеивающих поверхностей, размещенных в периферийной нижней части рабочего пространства, в общем процессе эвакуации готового продукта.

Научное значение работы:

1. Установленные зависимости производительности центробежной мельницы вертикального типа по готовому продукту, а также мощности, затрачиваемой на измельчение материалов, позволяют прогнозировать расход электроэнергии при достижении той или иной производительности.

2. Установленная зависимость выхода расчетных классов — 0,08 мм в выгрузке центробежной мельницы вертикального типа позволяет регулировать гранулометрический состав конечного продукта с целью снижения переизмельчения материала, что, в свою очередь, позволяет увеличить количество материала, эффективно участвующего в последующем процессе флотационного обогащения.

3. Выявленные кинематические и динамические параметры движения измельчаемого материала в корпусе и роторе центробежной мельницы вертикального типа позволяют определить скорость и направление движения слоев материала в любой точке рабочего пространства, энергетические затраты на их перемещение, влияние высоты столба материала на характер его движения в пространстве над ротором.

Практическое значение работы:

— разработаны методики испытания центробежной мельницы вертикального типа и конструктивные решения по эффективной эвакуации готового продукта из ее рабочего пространства;

— разработана программа расчета на ЭВМ для определения производительности центробежной мельницы и затрат мощности на измельчение минерального сырья, а также гранулометрического состава продуктов размола на языке программирования Pascal;

— предложена конструкция центробежной мельницы вертикального типа с размещенными в ее корпусе кольцевыми элементами, использование которой позволяет повысить производительность процесса измельчения минерального сырья и снизить переизмельчение готового продукта.

Лостоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных условиях, использованием современных методик и измерительной аппаратуры, внедрением результатов исследований и новых научно-технических разработок в производство, подтвержденных актом внедрения. Все математические модели, представленные в диссертационной работе, адекватны экспериментальным данным с уровнем значимости 0,05.

Реализация выводов и рекомендаций. Основные рекомендации по реконструкции рабочего пространства центробежной мельницы, своевременной эвакуации готового продукта из центробежной мельницы, усовершенствованию конструкторской документации центробежной мельницы МВ-1 производительностью 5 т/ч, а также результаты по исследованию закономерностей измельчения минерального сырья в модернизированной центробежной мельнице приняты в 2011 г. к использованию ОАО «Кавказцветметпроект» при разработке новой технологической линии размола минерального сырья для получения порошковых продуктов с применением этих мельниц.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на научном симпозиуме «Неделя горняка-2011», г. Москва, 2011 г.- на Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека» — Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности, г. Екатеринбург, 2011 г.- на II Международной научно-практической конференции «Молодые учёные в решении актуальных проблем науки», Владикавказ, 13−15 мая 2011; на VII Региональной школы-конференции молодых ученых «Владикавказская молодежная математическая школа», Владикавказ, 25−30 июля 2011 годана научно-практической конференции, посвященной дню эколога «Природа. Общество. Человек», Владикавказ, 3 июня 2011 годана заседаниях секции технологических машин и оборудования ежегодных научно-технических конференций СКГМИ (ГТУ) 2009;2011 гг.- на расширенном заседании кафедры технологических машин и оборудования СКГМИ (ГТУ), 2011 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 статьях, из них 1 статья включена в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов, определенных ВАК РФ, а также получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, а также 5 приложений, изложенных на 146 страницах машинописного текста, и содержит 14 таблиц, 41 рисунок, список использованной литературы из 95 наименований.