Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
На многих действующих цементных заводах Российской Федерации для измельчения цемента используют шаровую мельницу с низким КПД до 3,5%. Большая часть подведенной к мельнице энергии преобразуется в тепло, трение, звук и вибрацию, а сравнительно небольшая ее часть используется непосредственно для измельчения материала, т.е. накапливается в шаровой загрузке в виде потенциальной энергии. Сам процесс измельчения в подобном помольном агрегате затруднен из-за наличия таких отрицательных явлений как агрегация материала, его налипание на мелющие шары и бронефутеровку мельницы. Подобные явления наиболее сильно проявляются на участке тонкого измельчения, соответствующего для большинства действующих на сегодняшний день цементных мельниц, второй камере. Вследствие указанных причин, сильно возрастает удельный расход электроэнергии, затрачиваемой на помол, значительно снижается производительность цементной мельницы. По этой причине, узким местом технологии производства цемента любых марок является цех помола. Существует много путей, обеспечивающих интенсификацию процесса тонкого измельчения в мельнице. Одним из таких способов является рациональный подбор мелющих тел, обеспечивающий возможность более полного использования полезной мощности мельницы непосредственно для измельчения размалываемого материала. Оптимальный состав мелющей загрузки, особенно в камере тонкого помола, за счет увеличения степени истирающего воздействия на размалываемый материал, позволит снизить удельный расход электроэнергии, и тем самым увеличить производительность помольного агрегата. Авторами данной статьи исследовано влияние диаметра крупного шара в загрузке, соответствующей второй камере мельницы, на дисперсные характеристики размалываемого клинкера. В качестве параметров характеризующих тонкость помола материала, выступили удельная поверхность и величина полного остатка на сите № 008.
дисперсные характеристики клинкера, измельчение клинкера, шаровая мельница, ассорти-мент мелющих тел, тонкость помола, открытый цикл.
Цемент является одним из важнейших вяжущих материалов, нашедший очень широкое применение в строительстве. С 2010 по 2017 года средний объем потребления цемента в РФ составил 60 млн. т./год, а в 2018 году, согласно прогнозам, ожидается его увеличение на 3% [1]. Каждый производитель стремится увеличить объем выпускаемой продукции, с одновременным снижением энергетических затрат, с тем чтобы занять большую долю рынка сбыта. Завершение производства готового продукта и формирование его качества происходит в цементной мельнице, в России наиболее широкое применение получила трубная шаровая мельница открытого цикла [2].
Рис. 1. Динамика рынка цемента в РФ в период с 2010 по 2017 года
Процесс измельчения цемента очень энергоемок, т. к. удельный расход электроэнергии составляет от 35 до 45 кВтч/т цемента [3]. Учитывая увеличение темпов строительства, способствующих возрастанию спроса на быстротвердеющие и высокопрочные цементы [4], получение которых связано с еще большими энергетическими затратами, т.к. в данном случае полный остаток на сите № 008 должен быть ниже 1% [5]. В связи с этим возникает необходимость в поисках путей интенсификации процесса помола материала до высоких значений дисперсностей с минимально возможной энергоемкостью самого процесса измельчения без снижения и/или увеличения производительности цементной мельницы.
Пропускная способность мельницы определяется заданной тонкостью помола цемента, и чем она выше, тем ниже производительность и выше удельный расход электроэнергии [6]. Причины, снижающие производительность мельницы и увеличивающие энергоемкость процесса, заключаются в возникновении явления агрегации материала и его налипание на мелющие тела и бронефутеровку мельницы при длительном измельчении материала, а также нерациональный подбор ассортимента мелющих тел [7].
В данной работе проводился подбор рационального состава мелющей загрузки, состоящей из двух типов шаров: крупного и мелкого. Целью исследований было установление оптимального диаметра крупного шара во второй камере, обеспечивающего интенсификацию процесса измельчения клинкера в мельнице и способствующего увеличению ее производительности без снижения дисперсных характеристик цемента. Диаметр крупного шара в каждом эксперименте был разный, и принимал следующие значения: 74; 60; 40 и 25 мм.
Исследования проводили на мельнице ГИПРОЦЕМента 0,5×0,56 м, в которую загружался клинкер массой 4 кг фракции 10 – 0 мм без добавления к нему гипса. Во всех экспериментах клинкер измельчался в первой камере на загрузке Ø74/Ø54, представляющую собой плотную шаровую упаковку (ПШУ) [8,9], в течение первых 10 мин, затем этот ассортимент извлекался и загружался исследуемый. Плотная шаровая загрузка Ø74/Ø54 имела следующие характеристики: соотношение по массе Ø74:Ø54=2:1, коэффициент загрузки 0,2, общая масса мелющих тел 55 кг.
Во второй камере время помола составляло 25 мин, поэтому общее время помола – 35 мин. Через 10; 25 и 35 мин от измельченного клинкера отбирались пробы для определения значения удельной поверхности и остатка на ситах № 125; 09; 063; 0315; 02 и 008. На первых пяти ситах рассев осуществляли ручным способом, а на двух оставшихся – механическим. Удельную поверхность определяли методом воздухопроницаемости на ПМЦ – 500.
В таблицах 1–4 представлены результаты исследований, а для удобства на рисунках 2 и 3 в виде гистограмм показаны те же экспериментальные данные. Из этих данных хорошо видно, что первая камера мельницы, содержащая ПШУ мелющих тел, во всех опытах обеспечивала получение измельченного материала с одинаковыми дисперсными характеристиками. Удельная поверхность лежала в интервале 150–168 м2/кг, а полный остаток на сите №008 50,2–54,0 %. Данный факт позволяет утверждать, что первая камера мельницы в равной и достаточной степени подготавливала размалываемый материал перед подачей его в следующую камеру, следовательно, все расхождения в значениях дисперсных характеристик у измельченного клинкера полностью обусловлены составом мелющей загрузки второй камеры, что значительно облегчает проведение сравнительного анализа полученных результатов в рамках научно-исследовательской работы.
Согласно полученным результатам следует, что измельченные клинкера, полученные при использовании мелющей загрузки с крупным шаром размером 60 мм и с шаром 25 мм, имеют совершенно одинаковые значения дисперсных характеристик на протяжении всего процесса измельчения клинкера, так на 35 мин помола в первом случае R008 = 0,7%, Sуд = 419 м2/кг (табл. 2), а во втором – R008 = 0,6%, Sуд = 412 м2/кг (табл. 4).
Добавление к мелким шарам крупного шара диаметром 74 мм равносильно добавлению к ним шара Ø40. Об этом свидетельствует тот факт, что на протяжении всего процесса измельчения клинкера, последний имел одинаковые значения дисперсных параметров на обеих мелющих загрузках. Так за 35 мин помола материала во второй камере с шарами Ø74, удельная поверхность составила 385 м2/кг, а полный остаток на сите № 008 – 1,8% (табл. 1). Замена вышеуказанного крупного шара на Ø40 привела к следующим значениям рассматриваемых параметров: Sуд = 382 м2/кг, R008 = 1,7% (табл. 3).
Производительность мельницы оценивалась по количеству времени, которое необходимо затратить для достижения клинкером величины удельной поверхности 300 – 350 м2/кг и полного остатка на контрольном сите № 008 не превышающим 15 %. Математические расчеты показали, что во всех опытах производительность мельницы равнялась 9,6 кг/ч.
Таблица 1
Дисперсные характеристики клинкера, полученного на загрузке с шарами Ø74
|
Мелющая загрузка |
Удельная поверхность S, м2/кг |
Приращение у дельной поверхности ∆S, м2/кг |
Полный остаток на сите № 008, % |
Общее время помола, мин |
|
I камера Ø74/Ø54 = 2:1 |
168 |
0 |
54,0 |
10 |
|
Мелкие шары + Ø74 |
314 |
146 |
6,4 |
25 |
|
385 |
71 |
1,8 |
35 |
Таблица 2
Дисперсные характеристики клинкера, полученного на загрузке с шарами Ø60
|
Мелющая загрузка |
Удельная поверхность S, м2/кг |
Приращение удельной поверхности ∆S, м2/кг |
Полный остаток на сите № 008, % |
Общее время помола, мин |
|
I камера Ø74/Ø54 = 2:1 |
155 |
0 |
51,4 |
10 |
|
Мелкие шары + Ø60 |
347 |
192 |
4,2 |
25 |
|
419 |
72 |
0,7 |
35 |
Таблица 3
Дисперсные характеристики клинкера, полученного на загрузке с шарами Ø40
|
Мелющая загрузка |
Удельная поверхность S, м2/кг |
Приращение удельной поверхности ∆S, м2/кг |
Полный остаток на сите № 008, % |
Общее время помола, мин |
|
I камера Ø74/Ø54 = 2:1 |
150 |
0 |
52,2 |
10 |
|
Мелкие шары + Ø40 |
326 |
176 |
6,0 |
25 |
|
392 |
66 |
1,7 |
35 |
Таблица 4
Дисперсные характеристики клинкера, полученного на загрузке с шарами Ø25
|
Мелющая загрузка |
Удельная поверхность S, м2/кг |
Приращение удельной поверхности ∆S, м2/кг |
Полный остаток на сите № 008, % |
Общее время помола, мин |
|
I камера Ø74/Ø54 = 2:1 |
157 |
0 |
50,2 |
10 |
|
Мелкие шары + Ø25 |
346 |
189 |
3,0 |
25 |
|
412 |
66 |
0,6 |
35 |
Рис. 2. Зависимость удельной поверхности клинкера от времени помола
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы. В шаровой загрузке второй камеры эффективность использования шаров диаметром 60 и 25 мм одинакова во всех случаях, даже, когда требуется получить тонкодисперсный материал, характеризуемый высокой удельной поверхностью (более 400 м2/кг) и низким остатком на сите № 008 (до
1 %).
Следует также отметить, что материал, измельченный во второй камере на загрузках с использованием крупных шаров Ø60 и Ø25, имел дисперсные характеристики несколько выше по сравнению с материалом, измельченным при использовании двух других загрузок (рис. 2 и 3), поэтому шары указанных диаметров целесообразно добавлять к мелким шарам для получения специальных видов цементов, таких как высокопрочный и быстротвердеющий. Но вместе с тем четыре выше упомянутых диаметра крупного шара рационально добавлять к мелким, для получения рядового цемента, без снижения производительности мельницы.
Рис. 3. Изменение полного остатка на сите № 008 в течение процесса измельчения
Добавление к мелким шарам во вторую камеру крупных шаров диаметром 60 мм приводило к увеличению на 8 % величины конечной удельной поверхности клинкера и соответственно снижению на 60 % полного остатка на сите № 008 по сравнению с клинкером, измельченным за то же время (35 мин) во второй камере с крупными шарами размером 74 мм. Замена Ø60 на Ø25 сопровождалась изменением выше указанных дисперсных характеристик на ту же величину.
По степени интенсифицирующего воздействия на процесс измельчения крупные шары размером 74 и 40 мм идентичны друг другу на протяжении всего процесса измельчения, т.к. в первом случае на 25 мин помола удельная поверхность имела значение 314 м2/кг, а суммарный остаток на сите № 008 6,4 %, во втором случае – Sуд = 326 м2/кг, R008 = 6,0 %, через 10 мин измельчения указанные параметры у данных загрузок имели значения: удельная поверхность 385 м2/кг и суммарный остаток на сите № 008
1,8 % (Ø74) и Sуд = 384 м2/кг, R008 = 1,7 % (Ø40).
В ходе проведения работы был установлен тот факт, что диаметр крупного шара не влияет на производительность лабораторной шаровой мельницы открытого цикла, свидетельством этого является постоянная производительность 9,6 кг/ч, значение которой не менялось при проведении опытов с различными по размеру крупными шарами.
Наличие во второй камере крупных шаров наряду с мелкими, позволило получить за 25 мин помола в лабораторной мельнице измельченный клинкер, характеризуемый величиной удельной поверхности 300–350 м2/кг и остатком на сите №008 до 6 %, что соответствует требованиям ГОСТ 31108 – 2016 [10]. При этом наиболее тонкая степень помола достигалась в тех случаях, когда во второй камере находились шары диаметром 25 мм (R008 = 3 %) или 40 мм (R008 =
4,2 %). Увеличение длительности помола на 10 мин приводило к увеличению удельной поверхности до 380–420 м2/кг и снижению полного остатка на сите до 2 %.
1. CEMBUREAU - цементные и энергетические рынки в Европе и мире // Цемент и его применение. 2017. №3. С. 22-31.
2. Василик Г.Ю., Еремина Е.М. Цементная промышленность России в 2016 году // Цемент и его применение. 2016. №6. С. 24-33.
3. Стронин А.А. Измельчение портландцементного клинкера в шаровой мельнице при использовании плотной шаровой упаковки и интенсификатора помола // Молодежь и научно-технический прогресс: сб. докл. Х Междунар. науч.-практ. конф. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2017. С. 208-211.
4. Паяккала П. Перспективы строительства и потребления цемента в период до 2025 года в ЕС, Росси и США // Цемент и его применение. 2014. №1. С. 6- 11.
5. Дворкин Л.И., Степасюк Ю.А. Особобыстротвердеющие высокопрочные бетоны // Технологии бетонов. 2016. №5. 6. С. 49-53.
6. Крыхтин Г.С., Кузнецов Л.Н. Интенсификация работы мельниц. Новосибирск. Изд-во ВО «Наука». 1993. 240 с.
7. Дуда В. Цемент. М.: Стройиздат. 1981. 484 с.
8. Барбанягрэ В.Д., Матвеев А.Ф., Смаль Д.В., Москвичев Д.С. Физико-технические основы измельчения материалов в трубных мельницах // Вестник белгородского технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. №4. С.182-185.
9. Барбанягрэ В.Д., Матвеев А.Ф., Смаль Д.В., Москвичев Д.С. Интенсификация и моделирование процессов измельчения материала в шаровых трубных мельницах применительно к промышленным агрегатам // Цемент и его применение. 2016. №2. С.94-100.
10. ГОСТ 31108 - 2016. Цементы общестроительные. Технические условия [Электронный ресурс]. Систем.требования: AdobeAcrobatReader.URL: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293751/4293751392.pdf (дата обращения: 10.04.18)
