ШАРОВАЯ ЗАГРУЗКА БАРАБАННОЙ МЕЛЬНИЦЫ Российский патент 2013 года по МПК B02C17/20 

Изобретение относится к цементной, горно-перерабатывающей, металлургической, химической, строительной и другим отраслям промышленности, связанным с помолом минерального сырья.

Известна шаровая мелющая загрузка барабанных мельниц, включающая шары и дополнительные мелющие тела в виде многогранников, грани которых образованы вогнутыми сферическими поверхностями, причем количество многогранников составляет 15-70% общего количества мелющей загрузки (см. авт. св. №948438, МКИ B02C 17/20, опубл. 07.08.1982).

Недостатком такой загрузки является сложность изготовления многогранников и быстрое их изнашивание.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является мелющая шаровая загрузка барабанной мельницы (см. авт. св. №660707, МКИ B02C 17/20, опубл. 14.05.1979), которая кроме основных шаров содержит дополнительно шары, диаметр которых составляет 0,15-0,33 средневзвешенного диаметра основных шаров, а масса их равна 0,003-0,035 массы основных шаров.

Прототип и предлагаемое изобретение объединяет общий подход, согласно которому шаровая загрузка содержит дополнительные шары, диаметр которых выбирается так, чтобы они вписывались в пустоты (поры) между основными шарами. Однако авторы прототипа огласили подход, но практически не осуществили его ввиду ряда некорректных исходных допущений. В результате эффект интенсификации измельчения оказался мизерным из-за незначительной массы дополнительных шаров (не более 3,5%).

Предлагаемое устройство позволяет:

- обеспечить максимально возможную степень заполнения пустот в загрузке основных шаров на основе расчета диаметра дополнительных шаров, вписанных в пустоты между основными шарами, т.е. максимально увеличить плотность упаковки шаров в шаровой загрузке;

- за счет увеличения плотности упаковки шаров увеличить степень тонкого помола (тонину помола);

- при равной тонкости помола сократить время помола, т.е. увеличить производительность мельницы и снизить удельный расход электроэнергии;

- за счет более тонкого помола повысить качество продукта помола, например, снизить температуру обжига смеси; повысить марку цемента и прочность цементного камня и др.

Изобретение направлено также на повышение конкурентоспособности цемента и изделий на основе цемента за счет повышения качества (марки) цемента, а также повышения арсенала средств для получения бетонов на основе цемента.

Указанная задача достигается созданием шаровой мелющей загрузки барабанной мельницы, включающей основные и дополнительные шары, отличающейся тем, что основные шары выполнены одного диаметра, при этом диаметр дополнительных шаров равен 0,22-0,73 диаметра основного шара (d₀), а масса составляет 0,016-0,56 массы основного шара (m₀).

Сущность изобретения состоит в увеличении энерговооруженности (Э) процесса измельчения, которая для шаровой загрузки выражается отношением массы мелющих тел (m_M.Т) к массе одновременно размалываемого материала (m_M.). Экспериментально установлено, что при увеличении отношения в три раза удельная поверхность размалываемого материала возрастает в 1,7 раза (см. табл.1).

Таблица 1 Зависимость удельной поверхности от отношения массы мелющих тел (m_M.Т.) к массе размалываемого материала (m_M) Измеряемая величина Размерность, г/г Удельная поверхность м²/кг 320 415 560

Анализ указанной зависимости показывает, что увеличить отношение

практически можно лишь уменьшением знаменателя, т.е. количества одновременно размалываемого материала, который в процессе измельчения занимает объем пустот между шарами. Следовательно, увеличивая плотность шаровой загрузки и уменьшая этим объем пустот между шарами, можно существенно увеличить отношение и интенсифицировать процесс измельчения в целом:

где Э - энерговооруженность, г/г;

γ _M.T. - плотность стальных шаров; γ_M.Т=7,86 г/см³;

γ _М - насыпная плотность клинкера; γ_М.=1,55 г/см³;

V_M.T. - доля объема мелющей загрузки, занятая шарами;

V_M - доля объема мелющей загрузки, заполненная размалываемым материалом.

Формирование плотной шаровой загрузки трубной мельницы.

Многочисленными замерами установлено, что многошаровая загрузка промышленных мельниц имеет объем пустот 40-42% и далека от плотнейшей упаковки, объем пустот в которой равен 26%. Увеличить плотность шаровой загрузки можно размещением более мелких шаров в пустоты между основными шарами.

В укладке шаров одного диаметра существует три вида пустот:

- тетраэдрическая, образованная четырьмя соседними шарами;

- октаэдрическая, образованная шестью соседними шарами;

- кубическая, образованная восемью соседними шарами.

В плотной упаковке шаров одного диаметра количество октаэдрических пустот равно числу основных шаров, количество тетраэдрических пустот в два раза больше числа основных шаров.

В максимально рыхлой упаковке основных шаров количество кубических пустот равно количеству основных шаров, а соотношение количеств октаэдрических и кубических пустот равно 6.

Диаметры шаров, которые помещаются в тетраэдрическую, октаэдрическую и кубическую пустоты равны: 0,225d₀, 0,414d₀ и 0,732d₀ соответственно, где d₀ - диаметр основного шара (табл.2).

На указанных соотношениях выполняются расчеты состава мелющих загрузок, главным образом 2-х шаровых.

Таблица 2 Соотношения диаметров основных и дополнительных шаров в плотной упаковке Вид шаров Варианты I II III IV V VI VII Диаметр основного шара, мм 100 80 70 50 40 30 25 Диаметр дополнительного вписанного в пустоту шара, мм 73¹ 58¹ 51¹ 37¹ 29¹ 22¹ 17¹ 41² 33² 29² 21² 17²     22³ 18³ 16³        

1 - кубическая пустота; 2 - октаэдрическая пустота; 3 - тетраэдрическая пустота.

Далее рассмотрены примеры использования заявленного устройства для измельчения материала в шаровой барабанной мельнице. Эффективность помола, при загрузке шаров плотной упаковки, проверялась на стандартной лабораторной двухкамерной мельнице Гипроцемента (диаметр внутренний - 0,5 м; длина камеры - 0,28 м; скорость вращения - 48 об/мин).

Пример конкретного выполнения 1.

Помол осуществлялся на шаровой загрузке массой 55 кг в ассортименте, обеспечивающем плотную упаковку шаров:

диаметр основного шара 40 мм - 39 кг;

диаметр вписанного шара 17 мм - 16 кг;

средневзвешенный шар - 33 мм.

Использовался клинкер Белгородского цементного завода. Чтобы исключить влияние крупности материала на процесс измельчения, исходный клинкер дробился на лабораторной щековой дробилке с последующим рассевом отбиралась для помола фракция 2,5÷5,0 мм. В камеру мельницы загружалась проба клинкера массой 6 кг. Помол велся до тонины помола цемента, принятой в практике цементных заводов: остаток на сите 008 - 8-10%; удельная поверхность - 300-320 м²/кг.

Степень измельчения материала определялась через каждые 5 минут помола выгрузкой всего материала и рассевом на ситах с размером ячеек: 2,5; 0,9; 0,63; 0,2; 0,08 (мм). Определялись частные и полные остатки на ситах и удельная поверхность конечного продукта на приборе ПМЦ-500. Полученные результаты приведены в табл.3.

Таблица 3 Измельчение клинкера на плотной загрузке шаров (диаметр основного шара - 40 мм; диаметр вписанного шара - 17 мм) Размер ячеек сита, мм Время помола, мин Количество клинкера, г Частные остатки на ситах Полные остатки на ситах г % г % 1 2 3 4 5 6 7 2,5     1682 28,4 1682 28,4 0,9     348,7 5,9 2030,7 34,3 0,63 5 6000 152,4 2,57 2183,1 36,8 02     657,6 11,10 2840,7 47,0 008     1576 26,60 4416,8 74,5 2,5     805,5 13,7 805,5 13,7 0,9     165,3 2,8 970,8 16,5 0,63 10 5880 70,3 1,2 1014,2 17,1 02     280,8 4,8 1322,0 22,5 008     692,8 15,2 2014,7 37,7 2,5     208,3 3,5 208,3 3,55 0,9     24,7 0,4 233,0 3,98 0,63 15 5855 10,9 0,2 244,0 4,20 02     51,6 0,9 295,5 5,00 008     656,0 11,8 951,5 16,80 2,5     65,2 1,1 65,2 1,13 0,9     7,4 0,13 72,6 1,86 0,63 20 5750 5,1 0,09 77,7 1,35 02     32,0 0,55 109,6 1,91 008     361 6,4 470,6 8,20 2,5     26,8 0,44 26,8 0,44 0,9     2,80 0,03 29,6 0,47 0,63     2,10 0,03 31,7 2,13 02 25 5750+345 г - -   - 008     370,0 6,1 401,6 8,20     (гипс) = 6095 г       S_уд.=328 м²/кг.

Пример конкретного выполнения 2.

Для сравнения полученных в примере 1 результатов и оценки эффективности загрузки шаров плотной упаковки выполнен аналогичный помол 6,0 кг фракции клинкера на стандартной шаровой загрузке следующего ассортимента:

диаметр 70 мм - 11 кг; диаметр 60 мм - 11 кг; диаметр 50 мм - 16 кг; диаметр 40 мм - 17 кг;

средневзвешенный шар - 53 мм.

Полученные результаты приведены в табл.4.

Таблица 4 Измельчение клинкера на стандартной загрузке шаров Размер ячеек сита, мм Время помола, мин Количество клинкера, г Частные остатки на ситах Полные остатки на ситах г % г % 1 2 3 4 5 6 7 2,5     455 7,58 455 7,85 0,9     325 5,42 780 13,00 0,63 5 6000 470 7,83 1250 20,83 02     1875 31,25 3125 52,08 008     2076 34,60 5201 86,68 2,5     220,7 3,70 220,7 3,70 0,9     170,3 2,83 391,9 6,55 0,63     240,9 4,04 631,9 10,59 02 10 5970 1240,0 20,80 1871,9 31,40 008     1802,9 30,20 3674,8 61,60 2,5     0,4 0 0,4 0 0,9     3,6 0,06 4.0 0,06 0,63 15 5920 7,7 0,13 11,7 0,2 02     589,6 9,96 601,3 10,16 008     1409,0 2380 2010,3 33,00 2,5     0,1 0 0,1 0 0,9     1,9 0,03 2,0 0,03 0,63 20 5890 5,0 0,08 7,0 0,11 02     335,5 5,70 342,5 5,81 008     1189,8 20,20 1532,3 26,00 2,5     0 0 0 0 0,9     1 0,02 1 0,02 0,63 25 5830 3,1 0,05 4,1 0,07 02     69,4 1,20 73,5 1,26 008     932,8 16,00 1006,3 17,26 2,5     0 0 0 0 0,9     0,6 0,01 0,6 0,01 0,63 30 5790 1,4 0.02 2,0 0,03 02     27,0 0,47 29,0 0,50 008     810,6 14,0 839,6 14,50

1 2 3 4 5 6 7 2,5     0 0 0 0 0,9     0,2 0 0,2 0 0,63 35 5750 0,8 0,01 1,0 0,02 02     23,9 0,41 24,9 0,42 008     667,0 11,60 692,0 12,00 2,5     0 0 0 0 0,9     0,1 0 0,1 0 0,63 40 5720+369 г 0,6 0 0,7 0 02   (гипс) = 6087 г 22,3 0,37 23,0 0,38 008     520,9 10,20 644,0 10,60             S_уд.=330 м²/кг.

Сравнение результатов помола клинкера, приведенных в таблицах 3 и 4, свидетельствует, что в сравнении со стандартной загрузкой плотная упаковка шаров обеспечивает более интенсивное измельчение материала: при одинаковой степени измельчения конечного материала (R₀₀₈ - 8-10%; S=320-390 м²/кг) продолжительность помола сократилась на 37% (с 40 мин до 25 мин).

Пример конкретного выполнения 3.

Опытно-промышленные испытания заводской загрузки шаров первой камеры мельницы 2,4×13,0 м (число оборотов мельницы - 19 об/мин; мощность двигателя - 1000 кВт).

Мелющая загрузка:

первая камера - шары - 30 т

вторая камера - цильпебс - 28 т

Характеристика первой камеры:

внутренний диаметр - 2,26 м;

длина камеры - 5,96 м.

Характеристика шаровой загрузки приведена в таблице 5. Ассортимент шаровой загрузки первой камеры приведен в колонках 1, 2 таблицы 5.

Таблица 5 Заводская загрузка первой камеры мельницы 2,4×13 м Диаметры шаров, мм Масса шаров, т Количество шаров в 1 т [3]* Количество шаров одного диаметра Поверхность шаров, м² Общая поверхность шаров данного диаметра, м² 10,0 6 243 1458 0,0314 46 9,0 3 334 668 0,0254 17 8,0 5 474 2360 0,0201 47 7,0 5 709 3545 0,0154 55 6,0 6 1129 6798 0,0113 74 5,0 5 1960 9800 0,00785 77 Итого 30,0   24559   315 * Справочник по производству цемента, М 1963

Средневзвешенный шар загрузки - 72,2 мм.

Средняя насыпная масса шаров загрузки - 4,63 т/м³.

Вычисление объема заводской шаровой загрузки:

объем шаровой загрузки (V_ш·з.):

30:4,63=6,48 м³,

где 30 - масса шаров, m;

4,63 - насыпная масса загрузки, m/м³;

объем шаров в загрузке:

30:7,86=3,82 м³

- объем пустот в шаровой загрузке:

6,48 м³ - 3,82 м³ = 2,66 м³.

Доля пустот в шаровой загрузке: 2,66:6,48=0,41 (41%).

Вычисление энерговооруженности (Э) шаровой загрузки по уравнению (I):

Удельная энерговооруженность заводской шаровой загрузки находится в пределах 7 т шаров на одну тонну размалываемого материала. Исходный цементный клинкер имел следующий гранулометрический состав:

Размер гранул, мм Содержание, % 20 0,5 10 8,5 5 29,35 2,5 2,10 1,25 8,5 0,63 8,2 <0,63 23,0 Итого 100,0

В течение рабочей смены (6 часов) были уточнены основные показатели работы мельницы 2,4×13,0 м в обычном заводском режиме:

средняя производительность - 21 т/ч;

остаток на сите 008 - 8,5-10,5 (%);

удельная поверхность средняя - 290 м² /кг;

количество материала, прошедшего через сито 008 - 89,5-90,5 (%).

Пример конкретного выполнения 4.

Опытно-промышленные испытания плотной шаровой загрузки первой камеры мельницы 2,4×13,0 м (табл.6).

Таблица 6 Характеристика плотной шаровой загрузки первой камеры мельницы 2,4×13 м Вид и диаметр шаров, мм Масса шаров, т Количество шаров в 1 т Количество шаров данного диаметра Поверхность шара данного диаметра, м² Общая поверхность шаров данного диаметра, м² Основной шар, 70 21,5 709 15243 0,0153 233 Вписанный шар 30 8,5 9090 77265 0,002826 261 Итого 30,0   92508   495

Средневзвешенный шар загрузки - 58,6 мм.

Насыпная плотность загрузки - 6,1 т/м³.

Вычисление общего объема пустот в плотной шаровой загрузке:

объем шаровой загрузки:

30: 6,11=4,92 (м³)

объем шаров в загрузке:

30:7,86=3,82 (м³)

объем пустот в шаровой загрузке:

4,92-3,82=1,1 (м³)

доля объема пустот от общего объема плотной шаровой загрузки:

1,1: 4,92=0,22 (22%).

Энерговооруженность (Э) плотной шаровой загрузки:

При прочих равных условиях плотная загрузка шаров оказывает на размалываемый материал разрушающее воздействие, величина которого в два с половиной раза больше (18:7=2,57), чем у обычной рыхлой шаровой загрузки. Плотная загрузка шаров имеет в 4-6 раз (в зависимости от варианта) большее число шаров и в 1,6 раза большую их общую поверхность (см. табл.6).

Совокупность указанных факторов обеспечивает плотной шаровой загрузке значительно более высокую размалывающую способность и повышенное качество конечного продукта помола (см. табл.7), т.е. более высокую степень измельчения цемента и большую прочность цементного камня.

Таблица 7 Влияние плотности шаровой загрузки на физико-механические свойства цемента Вид шаровой загрузки при помоле цемента Плотность шаровой загрузки, т/м³ Тонкость помола Предел прочности, МПа Прошло через сито 008, % Удельная поверхность, м²/кг на изгиб на сжатие в возрасте, сут в возрасте, сут 3 7 3 7 Заводская 4,63 90,4-91,5 283-296 Ср.290 3,5 5,0 18,8 28,7 Плотнейшая экспериментальная 6,10 97,3-97,6 325-454 Ср.380 4,1 6,0 24,8 39,1

Пример конкретного выполнения 5.

На плотной шаровой загрузке, рассмотренной в примере 4, на мельнице 2,4×13,0 м осуществлялся помол цемента с обычной тонкостью по остатку на сите 008 в пределах 9-10% и удельной поверхностью 275-302 м²/кг (средняя 290 м²/кг). В течение 6 часов работы достигнута средняя производительность 27,6 т/ч, что на 31% больше, чем производительность мельницы на заводской шаровой загрузке, составившей 21 т/ч.

Изобретение относится к цементной, горно-перерабатывающей, металлургической, химической, строительной и другим отраслям, связанным с помолом минерального сырья. Загрузка барабанной мельницы отличается оригинальной укладкой основных шаров, позволяющей вписывать в пустоты между шарами максимальное количество дополнительных шаров. Основные шары выполнены одного диаметра. Диаметр дополнительных шаров равен 0,22-0,73 диаметра основного шара. Масса дополнительных шаров составляет 0,016-0,56 массы основного шара и достигает 56% от массы основных шаров. В результате резко возрастает общая плотность укладки шаровой загрузки, которая достигает 5900-6100 кг/м³. Увеличение плотности шаровой загрузки приводит к значительному росту ее энерговооруженности, равной отношению массы мелющих тел к массе одновременно размалываемого материала. Энерговооруженность упаковки превосходит энерговооруженность обычной укладки в 2-2,5 раза. Плотная упаковка содержит в 2-4 раза большее количество шаров и имеет в 1,5-2 раза более высокую общую поверхность шаров, что многократно увеличивает число соударений шаров и их истирающую размалываемый материал способность. При плотной упаковке шаров увеличение производительности трубной мельницы достигает 30%. 7 табл., 5 пр.

Шаровая мелющая загрузка барабанной мельницы, включающая основные и дополнительные шары, отличающаяся тем, что основные шары выполнены одного диаметра, при этом диаметр дополнительных шаров равен 0,22÷0,73 диаметра основного шара, а масса составляет 0,016÷0,56 массы основного шара.