сотрудник с 01.01.2016 по настоящее время
Воскресенск, г. Москва и Московская область, Россия
Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
УДК 67 Различные отрасли промышленности и ремесла. Механическая технология
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Рассмотрена методика оценки износостойкости круглых ударных элементов дезинтегратора на примере измельчения высокоабразивных слюдо-кристаллических материалов (вспученного вермикулита и его концентрата) в дезинтеграторе. Представлен конструктивный метод защиты рабочих поверхностей ударных элементов от абразивного износа при дисперигировании подобных материалов в дезинтеграторе, разработанной конструкции. С помощью математических выражений для оценки параметров износа ударных элементов мельницы получены экспериментальные значения износа ударных элементов в зависимости от линейной скорости ударного элемента, приведенной производительности дезинтегратора, средневзвешенного размера измельчаемых частиц, прочности измельчаемого сырья и твердости материала, из которого изготовлены ударные элементы. Определено дифференцированное влияние варьируемых факторов на процесс абразивного износа поверхностей ударных элементов дезинтегратора. С помощью графической интерпретации результатов экспериментальных исследований процесса абразивного износа ударных элементов дезинтегратора установлено, что износ ударных элементов, главным образом, зависит от производительности агрегата (пропускной способности мельницы). С увеличением производительности дезинтегратора удельный износ рабочих элементов падает, вследствие снижения плотности потока движущегося материала внутри мельницы, не зависимо от его высокой абсолютной скорости внутри помольной камеры. С целью снижения поверхностного абразивного износа ударных элементов дезинтегратора предложена и экспериментально подтверждена эффективность использования специальных защитных втулок из бадделеито-корундовых материалов, устойчивых к абразивному износу силикатными слюдо-кристаллическими породами. Произведено сравнение предложенного конструктивного решения защиты рабочих поверхностей ударных элементов с ранее используемыми ударными элементами из закаленной до твердости HRC 50 стали марки 45.
дезинтегратор, ударные элементы, износ, приведенная производительность, двухфазный поток, вермикулит
Введение. В настоящее время в индустрии строительства и строительных материалов активно развиваются малотоннажные гибкие технологии [1]. Одним из метало- и энергоемких процессов в таких технологиях является процесс помола сырьевых компонентов, который характеризуется определенными энергозатратами и эксплуатационными показателями надежности оборудования. Для такого оборудования важным технологическим параметром является приведенная к средневзвешенному размеру частиц производительность [2], снижение которой наблюдается в работе агрегатов в виду увеличения износа рабочих поверхностей пальцев. Показатель приведенной производительности дезинтегратора тесно связан с качеством готового продукта – его дисперсностью. Взаимосвязь этих показателей, главным образом, и определяет эффективность работы помольного оборудования.
Такое технологическое оборудование, как дезинтегратор, является наиболее эффективным и надежным в технологии измельчения материалов, если величина среднего показателя удельного износа рабочих поверхностей его пальцев и помольной камеры не превышает 1 % от производительности такого оборудования [2]. Это связано с тем, что не допускается использовать определенные дисперсные материалы с металлическими включениями по технологическим причинам, так как это приводит к снижению физико-механических характеристик получаемых порошков и снижает их дальнейшую технологичность в целом [3]. Важно отметить, что большой износ пальцев дезинтегратора снижает эффективность его работы: уменьшается приведенная производительность, падает показатель средневзвешенного размера частиц в готовом продукте, возрастает энергопотребление [4].
Установлено [3, 4], что, при эксплуатации шаровых или вибромельниц, где также изнашиваются мелющие тела, при условии полного износа шаровой загрузки устойчивая работа этих агрегатов не нарушается. Они просто переходят в режим самоизмельчения материалов с повышенным расходом электроэнергии. Здесь важно заметить, что качество помола материалов является одним из ключевых показателей эффективной работы измельчителей. Именно поэтому в технологическом процессе необходимо поддерживать работоспособность агрегатов на должном уровне.
Все помольные агрегаты роторно-центробежного типа подвержены износу рабочих элементов и поверхностей помольной камеры. Дезинтеграторные мельницы – не исключение. Одним из недостатков конструктивного исполнения дезинтеграторов в виду особенностей работы их однотипных помольных камер является малая продолжительность межремонтного периода (относительно срока службы пальцев роторов мельницы) [5]. Заметим то, что такой недостаток не является причиной не использовать дезинтеграторы в технологиях высокоскоростного диспергирования абразивных материалов малой и средней прочности. Известно, что именно этот фактор, определенным образом, сдерживает применение мельниц такого рода в технологиях измельчения твердого и высокоабразивного сырья [6, 7].
Для обеспечения противопожарных требований к зданиям и сооружениям на металлическом каркасе используются огнезащитные краски и покрытия на основе вермикулита. Огнезащитные покрытия на основе тонкомолотого вермикулита обладают высокой технологической возможностью для их нанесения на поверхности с помощью кисти, или пневматическим способом [8].
Дисперсный вермикулит, как вспученный, так и концентрат, применяется в производстве огнезащитных красок и покрытий зданий и сооружений более 30 лет. При этом отмечается, что наличие в дисперсной фазе вермикулита высокой доли металлических включений (более 4 % от объемной производительности мельницы) снижает его технологические характеристики в составе огнезащитных материалов [9–11]. Следовательно, для ученых, занимающихся вопросами измельчения, относительно технологии производства тонкомолотого вермикулита стоит задача снизить наличие продуктов износа ударных элементов мельницы в объеме производимого продукта [3]. Постановка вопроса для его решения является актуальной. Решение данного вопроса позволит повысить качество огнезащитных материалов и технологичность их нанесения на металлические поверхности каркасов зданий и сооружений, а также увеличить срок службы и повысить надежность дезинтегратора.
Целью исследования является снижение удельных показателей износа пальцев дезинтегратора за счет разработки новой конструкция с применением защитных втулок из бадделеито-корунда, позволяющих существенно уменьшить наличие металлических частиц в порошкообразном вермикулите, а также повысить эксплуатационную надежность и технологичность дезинтегратора. Комплексный подход к решению проблемы износа пальцев с применением современных материалов позволяет увеличить эффективность бесперебойной работы дезинтегратора, а также применить простые и надежные методы защиты оборудования от износа при различных технологических режимах.
Методы, оборудование и материалы. Известно, что изучение процесса изнашивания пальцев помольных агрегатов проводилось рядом авторов [2, 3, 4, 12, 13] со всем многообразием существующих материалов определенного гранулометрического состава, из которых на сегодняшний день производятся дисперсные материалы. Ударные элементы мельниц – пальцы - выполнялись различной конфигурации, преимущественно из конструкционных, износостойких, нержавеющих и других видов сталей. Также при изучении вопроса износа пальцев для различных измельчителей рассматривались также рабочие органы, выполненные из органических материалов [14].
Испытание новой конструкции ударных элементов с защитными втулками из бадделеито-корунда проводилось в дезинтеграторе [15], общий вид которого представлен на рисунке 1.
Оригинальная конструкция дезинтегратора [15] представлена соединением наружного ротора, определяющего объем помольной камеры (рис. 1б), с внутренним (рис. 1в). Ряды пальцев роторов круглой формы входят друг в друга с относительным зазором между собой. Пальцы, расположенные в рядах роторов по концентрическим окружностям, осуществляют процесс измельчения материалов за счет действия ударных, истирающих и сдвиговых воздействий. Следует отметить, что для такой конструкции относительный зазор между рядами пальцев достигается за счет точности установки подшипниковых опор внутреннего ротора в полый вал внешнего ротора, а последнего - во внешние опорные узлы, расположенные в нижней и верхней частях корпуса мельницы и рамы.
Конструктив дезинтегратора позволяет осуществлять процесс измельчения с использованием внутримельничного классифицирующего устройства, которое возвращает крупку на доизмельчение в помольную камеру. Таким образом, осуществляется внутренний рецикл измельчаемых материалов внутри агрегата. Данная технологическая возможность делает конструкцию дезинтегратора отличной от существующих аналогов, определяет перед измельчаемыми материалами гибкую вариативность схем помола.
Оригинальная конструкция дезинтегратора [15] может быть использована для различных технологических задач не только в строительстве, но и в смежных отраслях промышленности: энергетической, медицинской, металлургической, фармацевтической и др. Рассмотрим применение дезинтегратора оригинальной конструкции в технологии выпуска огнезащитных порошкообразных материалов с использованием дисперсного вермикулита. Агрегат позволяет получить продукт с заданным гранулометрическим составом и обеспечить высокий показатель приведенной производительности при низкой энергоемкости процесса.
Рис. 1. Дезинтегратор: а – общий вид; б – наружный ротор со стальными ударными элементами;
в – внутренний ротор со стальными ударными элементами
Исследовались в процессе измельчения невспученный вермикулитовый концентрат Татарского месторождения со средневзвешенным начальным размером частиц 3–5 мм, твердость которого по шкале Мооса составила 5 единиц и вспученный вермикулит (агровермикулит) фракции 1-5 мм. Влажность исследуемых материалов составляла не более 5 %. Величину износа рабочей поверхности пальцев определяли по такому показателю, как средний удельный износ, в соответствии с методикой [16]. Объектом исследования является дезинтеграторная мельница с круглыми по сечению пальцами.
Установлено [17], что при измельчении в дезинтеграторах мягких материалов, таких как меловые породы, глины и известняки процесс изнашивания пальцев происходит на участке АВ, который показан на рисунке 2. При этом участок АВ подвержен износу наиболее интенсивно, величина его абразивного износа двухфазным потоком превосходит по данному параметру все другие участки круглого поперечного сечения пальцев. Динамика изнашивания на участке АВ выражается значительно по отношению к другим участкам круглого поперечного сечения пальцев [8–10].
Правильная оценка степени износа пальцев необходима не только для повышения качества готового продукта, но и для надежной эксплуатации дезинтегратора: параметры конструктивной прочности деталей и узлов мельницы всецело зависят от поперечного сечения пальцев, а также моментов инерции внутреннего и наружного роторов, вращающихся в противоположные стороны. Важно понимать, что процесс износа рабочих поверхностей пальцев является стохастическим. При этом необходимо его оценивать по усредненным, аппроксимированным показателям, например, таким, как предложено в работе [16].
Средний показатель удельного износа ударных элементов для всех роторных мельниц, у которых имеются рабочие (ударные) элементы в виде бил, пальцев, оцениваем по зависимости [16]:
где
Анализируя функциональную зависимость (1), приходим к выводу, что все ее варьируемые факторы могут обладать максимальными и минимальными значениями, следовательно, необходимо определять средний показатель удельного износа ударных элементов по их средним показателям.
Аппроксимируя зависимость (1) степенным рядом, получим следующее выражение:
где А – коэффициент пропорциональности процесса износа пальцев в однородном двухфазном потоке; α, β, γ, m, n – степенные показатели, указывающие степень осреднения.
Величины значений коэффициента пропорциональности А процесса износа пальцев круглого поперечного сечения в однородном двухфазном потоке и степенных показателей, используемых в выражении (2) методики [16] были получены путем аналитической обработки экспериментальных данных по износу пальцев дезинтегратора. В результате обработки экспериментальных данных, параметры которых представлены в выражении (2), было определено, что: А = (2,5–3,0)·10-4; α = 1,1 – 1,3; β = (29 – 35)·10-2; γ = 2,0 – 3,2; m = 0,3 – 0,6; n = 1,6 – 2,2.
Анализ экспериментальных данных процесса износа пальцев дезинтегратора показал, что их истирание в значительной мере зависит от абразивности и твердости измельчаемого материала. При помоле сырьевых компонентов с низкой абразивностью и малой прочностью, наблюдается относительно одинаковый по характеру износ пальцев [17]. Причем характер износа не зависит от вида материала, из которого изготовлены пальцы, он идентичен характеру, показанному на рисунке 2.
Рис. 2. Схематическое изображение процесса обтекания пальца дезинтегратора двухфазным потоком:
ω – угловая скорость вращения ротора дезинтегратора, 1/рад; rП – радиус пальца, м
Следует обратить внимание на то, что при измельчении любого материала наблюдается зависимость качества получаемого порошка, производительности агрегата, его энергопотребления от временного фактора. Чем быстрее производится готовый продукт необходимого качества с меньшими затратами электроэнергии, тем эффективнее оценивается работа оборудования [2]. Именно поэтому необходимо оценивать не только показатель износа пальцев дезинтегратора, но их реальный срок службы до последующей замены.
Срок службы пальца до его полной замены в межремонтный период определяется по формуле [16]:
где
Установлено ранее [12, 16], что наибольшее изнашивание пальцев роторов дезинтегратора происходит в направлении к периферии помольной камеры - от оси вращения роторов к последнему ряду пальцев. Это связано с тем, что абсолютная скорость двухфазного потока от оси к периферии помольной камеры кратно возрастает. Для того чтобы увеличить время межремонтного периода измельчителя, предлагается рабочую поверхность круглых пальцев защитить втулками из бадделеито-корунда (рис. 3). Это предотвратит появление металлических включений в готовом продукте и повысит эксплуатационную надежность дезинтегратора.
Защитный материал – бадделеито-корунд – представляет собой спекшиеся горные породы, которые являются системой, представленной в виде Al2O3 – ZrO2 – SiO2 [18]. Такой материал обладает необходимой высокой прочностью и износостойкостью, чтобы использовать его в защите пальцев дезинтегратора от потери ими конструктивной прочности и надежности, предотвратит их чрезмерный износ. Важно отметить, что бадделеито-корунд устойчив к восприятию циклических, ударно-истирающих нагрузок. Именно циклический характер сочетания удара с истиранием измельчаемого материала о поверхность, изготовленную из бадделеито-корунда дает хорошие показатели его эксплуатационного применения для пальца в конструкции дезинтегратора [19].
Рис. 3. Конструктивные особенности пальцев дезинтегратора с защитными втулками из бадделеито-коррунда:
а – защитные втулки; б – ударные элементы с защитными втулками
Основная часть. Измельчение вермикулитовых материалов проводилось в дезинтеграторной мельнице с внутренней циркуляцией загрузки [15] при кратности циркуляционной нагрузки равной 2. Изучение процесса износа пальцев проходило в два исследования. Дезинтегратор в первом исследовании был оснащен пальцами, выполненными из стали 45 и закаленными до твердости HRC 50. Во втором исследовании пальцы дезинтегратора представляли собой ось, защищенную втулками из бадделеито-корунда. Количество пальцев в помольной камере мельницы было постоянным. В процессе исследований загрузка материала осуществлялась автоматическим способом, обеспечивающим равномерность подачи сырья. После проведения исследования по определению среднего значения износа пальцев в зависимости от приведенной производительности дезинтегратора для стальных элементов были получены экспериментальные результаты, также были получены экспериментальные результаты и для элементов, защищенных втулками из бадделеито-корунда. Толщина втулок из бадделеито-корунда составляла 2,5 мм.
Максимальная величина приведенной производительности дезинтегратора по конечному продукту в исследованиях составила 150 кг/ч. Результаты исследований процесса износа пальцев дезинтегратора представлены в графическим виде на рисунке 4.
Рис. 4. График, устанавливающий зависимость показателя среднего удельного износа пальцев от приведенной производительности дезинтегратора: 1 – усредненный удельный износ пальцев дезинтегратора
при измельчении вермикулитового концентрата, пальцы изготовлены из закаленной стали 45; 2 – усредненный удельный износ пальцев дезинтегратора при измельчении вспученного вермикулита, пальцы изготовлены из закаленной стали 45; 3 – усредненный удельный износ пальцев дезинтегратора при измельчении
вермикулитового концентрата, пальцы защищены износостойкими втулками; 4 – усредненный удельный износ пальцев дезинтегратора при измельчении вспученного вермикулита, пальцы
пальцы защищены износостойкими втулками
На основании выражения (3) и в соответствии с графиком, показанным на рисунке 4, видно, что применение в дезинтеграторе конструктивно-защищенных пальцев способствует увеличению срока их службы (по сравнению со стальными пальцами, изготовленными из закаленной стали) в 1,4 раза. Следовательно, в случае применения конструктивно-защищенных пальцев вдезинтеграторе намол металла в готовом продукте снизится не менее чем на 40 %.
Экспериментально установлено, что помимо физико-механических характеристик измельчаемого материала износ пальцев в значительной степени зависит от приведенной производительности
С увеличением производительности
Из полученного графика заключаем, что при помоле в мельнице вермикулитового концентрата с помощью пальцев из закаленной до твердости HRC 50 стали 45, с увеличением приведенной производительности агрегата от
При исследовании помола вспученного вермикулита в измельчителе, где использовались пальцы из закаленной до твердости HRC 50 стали 45, установлено, что с увеличением производительности от
Оценивая величину металлических включений в объеме готового продукта можно определить, что в случае с вермикулитовым концентратом их содержание снизится на 32 %, а при измельчении вспученного вермикулита на 40 %. Оценка осуществлялась путем подсчета суммарной величины рабочих поверхностей пальцев круглого поперечного сечения относительно всех рабочих поверхностей помольной камеры.
Полученные результаты исследования показали целесообразность использования пальцев с защитными втулками из бадделеито-корунда при измельчении вермикулитовых материалов, используемых в составах огнезащитных покрытий.
Выводы.
1. Предложено преимущественное применение дезинтегратора для малотоннажных технологий, занимающихся производством огнезащитных материалов на основе вермикулита с низким содержанием металлических включений. В качестве усовершенствованного органа оригинального дезинтегратора предложена конструкция пальца, оснащенного защитной втулкой из бадделеито-корундового материала.
2. Установлен численно характер влияния таких параметров как абсолютная линейная скорость пальца, приведенная производительность дезинтегратора, прочность измельчаемого материала, твердость материала, из которого выполнены ударные элементы, средневзвешенный размер частиц (кусков) измельчаемого материала на средний показатель удельного износа пальцев. Существенное влияние на процесс износа рабочих поверхностей ударных элементов оказывает приведенная производительность дезинтегратора
3. С использованием методики оценки износа рабочих поверхностей ударных элементов для процесса измельчения вермикулитового концентрата и вспученного вермикулита установлено, что усовершенствованная конструкция ударных элементов на 33 % и 45 %, соответственно, снижает показатель среднего удельного износа пальцев дезинтегратора.
4. В случае применения усовершенствованной конструкции пальцев в помольной камере дезинтегратора в 1,4 раза в межремонтном периоде увеличится эксплуатационная надежность дезинтегратора.
1. Глаголев С.Н., Севостьянов В.С., Ильина Т.Н., Уральский В.И. Технологические модули для комплексной переработки техногенных материалов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. №9. С. 43-45.
2. Семикопенко И.А., Воронов В.П., Беляев Д.А., Бороздин Е.А. Теоретическое исследование процесса измельчения материала в рабочей камере дисковой мельницы // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2020. № 11. С. 125-131. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2020-5-11-125-131.
3. Прокопец B.С. Влияние механоактивационного воздействия на активность вяжущих веществ // Строительные материалы. 2003. №9. C. 28-29.
4. Хинт И.А. Основы производства силикальцитных изделий. М.:Госстройиздат, 1962. 601 с.
5. Керимов М.А. Измельчительные технологии: от микроразмерных фракций до наночастиц// Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2020. № 1(58). С. 166-171. DOIhttps://doi.org/10.24411/2078-1318-2020-11166.
6. Колобов М.Ю., Чагин О.В., Блиничев В.Н. Повышение долговечности рабочих органов центробежно-ударных измельчителей // Российский химический журнал. Иваново. 2019. Т. LXIII, № 3-4. С. 40-44. DOIhttps://doi.org/10.6060/rcj.2019633.5.
7. Прокопец В.С., Акимов В.В. Увеличение работоспособности мельниц ударного действия с помощью твердых безвольфрамовых сплавов // «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века». 2005. №7. С. 50-51.
8. Енджиевская И.Г., Василовская Н.Г., Слакова О.В. Составы для огнезащитных покрытий на основе вспученного вермикулита Татарского месторождения // Вестник ТГАСУ. 2012. № 1. С. 117-122.
9. Белых С.А., Новоселова Ю.В., Скоков Д.В. Огнезащитное покрытие для древесины на основе жидкого стекла и тонкодисперсных отходов промышленности // Труды БрГУ. Серия: Естественные и инженерные науки. ФГБОУ ВПО «Братский государственный ун-т». 2013. Т.2. С. 176-182.
10. Халтуринский Н.А., Хрупкин В.Г. О механизме образования огнезащитных вспучивающихся покрытий // Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т20. №10. С. 33-36.
11. Крашенинникова М.В. Огнезащитные вспучивающиеся материалы на основе органорастворимых пленкообразователей // Лакокрасочные материалы и их применение. 2006. № 12. С. 14-19.
12. Тюманок А. Н. Взаимодействие мелющих элементов круглого поперечного сечения и обрабатываемого материала // Сборник статей «УДА-технологии». Таллин, Валгус. 1980. С. -33.
13. Xuemin L., Man Z., Nan H. Calculation model of coal comminution energy consumption // Minerals Engineering. 2016. No. 92. Pp. 21-27. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.mineng.2016.01.008.
14. Romanovich A.A., Glagolev S.N., Babaevskiy A.N. Methods to improve efficiency of production technology of the innovative composite cementing materials // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 327. Issue 3. 032009. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2021-7-4-116-123.
15. Пат. № 2377070, МПК7 В 02 С 13/22. Дезинтегратор / Гридчин А.М., Севостьянов В.С.. Глаголев Е.С., Качаев А.Е. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», ООО «ТК-РЕЦИКЛ». №2008118079/03; заявл. 06.05. 08; опубл. 27.12.09, Бюл. №36.
16. Бальмонт Т.М., Гуюмджян П.П., Бальмонт Д.С. Износ ударных элементов ступенчатой мельницы // Региональное приложение к журналу «Современные наукоемкие технологии». 2009. №1. С. 57-60.
17. Севостьянов В.С., Качаев А.Е., Бойчук И.П., Кузнецова И.А. Теоретические исследования процессов в роторной мельнице с комбинированным воздействием на измельчаемый материал // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. № 9. С. 122-129. DOI:https://doi.org/10.12737/article_59a93b0aa409c9.96285097.
18. Пивинский Ю. Е. Неформованные огнеупоры. Т.1. Книга 1. Общие вопросы технологии: справоч. изд. Москва: Теплоэнергетик, 2004. 448 с.
19. Yinwei Y., Kai F., Jing X. A novel control method for roll gap of roller crusher based on FuzzyPID with decision factor self-correction // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2020. No. 892. Pp. 12-19. DOI:https://doi.org/10.1088/1757-899X/892/1/012085