с 01.01.1992 по настоящее время
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник с 01.01.2021 по настоящее время
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (Институт организации и управления набором, заместитель директора)
аспирант с 01.01.2023 по настоящее время
Белгород, Белгородская область, Россия
сотрудник
Белгород, Белгородская область, Россия
Россия
УДК 621.926.54 Трубные (трубчатые) мельницы
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ОКСО 15.06.01 Машиностроение
ББК 304 Конструкции
ББК 302 Проектирование
ТБК 5534 Отраслевое машиностроение
BISAC DES009000 Industrial
Показаны распространение бисерных мельниц на промышленных предприятиях перерабатывающей отрасли промышленности для тонкого и сверхтонкого измельчения различных материалов, необходимость их совершенствования. Рассмотрена новая конструкция горизонтальной бисерной мельницы с многозаходными винтовыми лопастями, позволяющая увеличить производительность и снизить удельный расход электроэнергии. Целью исследований являлась оценка возможности повышения эффективности работы бисерной мельницы при установке на лопастном валу винтовых лопастей и их влияния на энергетическое состояние мелющих тел. С использованием программного продукта EDEM, метода математического планирования эксперимента осуществлено имитационное моделирование процесса движения мелющих тел в модели корпусной части бисерной мельницы при ее оснащении парой двухзаходных винтовых лопастей. Выполнено исследование полученного уравнения регрессии, описывающего зависимость усредненного значения полной кинетической энергии мелющего тела от варьируемых факторов: угла поворота начал заходов винта лопастей, расстояния между винтовыми лопастями, шага винтовой лопасти, угловой скорости лопастного вала. Установлены возможности увеличения усредненного значения полной кинетической энергии мелющего тела и регулирования энергетического состояние мелющих тел. Определена целесообразность проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований, направленных на исследование процесса измельчения материала в бисерной мельнице с многозаходными винтовыми лопастями и установление рациональных конструктивно-технологических параметров, обеспечивающих повышение эффективности этого процесса
бисерная мельница, измельчение, многозаходные винтовые лопасти, мелющее тело, кинетическая энергия, имитационное моделирование
Введение. Производства многих материалов и изделий связаны с процессами измельчения, в значительной степени определяющими их качественные характеристики [1, 2]. В различных отраслях промышленности, включая металлургическую, химическую, фармацевтическую, пищевую, косметическую и другие нашли свое применение бисерные мельницы [3, 4]. Благодаря своей высокой эффективности и универсальности бисерные мельницы стали популярными среди производителей промышленной продукции, для изготовления которой требуется интенсивное измельчение и однородное смешивание материалов. В основном применяются два типа бисерных мельниц – вертикальные и горизонтальные. К известным производителям бисерных мельниц относят Netzsch (Германия); OLIVER Y BATLLE (Испания); SIEHE, ELE, SANGXING FEIRONG и Rucca (Китай), ПромДеталь, НПО АгроМаш и ТХМ (Россия). Конструкции этих мельниц во многом схожи, но можно выделить отличия по исполнению рабочего органа: дисковые, штифтовые (пальчиковые) и с рабочим органом в виде корзины (турбо типа). Китайский производитель Rucca выпускает горизонтальные дисковые и штифтовые бисерные мельницы с объёмом размольной камеры от 3,6 до 780 литров и мощностью привода от 5,5 кВт до 320 кВт. Горизонтальные бисерные мельницы ТХМ ЕМ и циркуляционные ТХМ МНР имеют объем камеры от 30 до 200 литров, мощность двигателя от 30 до 90 кВт, и обладают производительностью от 100 до 4000 л/ч. Широко применяемая на предприятиях по производству лакокрасочных материалов классическая модель SUPERMILL EHP однопроходной бисерной мельницы OLIVER Y BATLLE с горизонтальным расположением размольной камеры имеет объем камеры от 10 до 170 литров, производительность от 470 до 4400 л/ч, мощность привода от 15 до 70 кВт.
К достоинствам бисерных мельниц также можно отнести возможность тонкого и сверхтонкого измельчения различных материалов, включая агрессивные и чувствительные к температуре, простоту в обслуживании и эксплуатации, относительную компактность и возможность интеграции в существующие производственные технологические комплексы [4–6].
Однако стоит отметить, что на применение бисерных мельниц могут накладываться некоторые ограничения, такие как относительно высокое удельное энергопотребление и максимальный размер частиц поступающего на измельчение материала. Кроме того, некоторые материалы могут образовывать агломераты, что может снижать эффективность процесса измельчения [7, 6].
Промышленные бисерные мельницы, несмотря на отмеченную простоту, являются дорогостоящим оборудованием, и их замена на более эффективные конструкции влечет за собой большие материальные затраты на реконструкцию технологических комплексов и убытки, обусловленные их простоем. В связи с этим разработка новых технических решений, обеспечивающих повышение эффективности работы как вновь разрабатываемого, так и действующего в условиях плановых ремонтных мероприятий технологического оборудования, создает предприятию конкурентные преимущества.
Значения показателей работы технологических машин зависят от сочетания конструктивных и технологических параметров, обеспечивающих реализацию протекающих технологических процессов и их качественные и количественные характеристики [8–11]. Поэтому актуальным является поиск рациональных, научно обоснованных основных конструктивно-технологических параметров бисерной мельницы, обеспечивающих повышение ее производительности и снижение удельного расхода электроэнергии [12, 13]. В качестве объекта ее модернизации принята конструкция лопастного вала с дисками, которые в известных конструкциях могут располагаться как перпендикулярно его продольной оси, так и наклонно. В предлагаемом техническом решении, направленном на повышение эффективности процесса измельчения материала, лопастной вал мельницы оснащается многозаходными винтовыми лопастями. На рисунке 1 приведена схема корпусной части бисерной мельницы. Направление заходов винта, со стороны, противоположной расположению сепаратора, первой, третьей и пятой винтовых лопастей противоположно поправлению вращения лопастного вала, а второй, четвертой, шестой – совпадает.
Рис. 1. Схема корпусной части бисерной мельницы:
1 – корпус, 2 – загрузочный патрубок, 3 – лопастной вал, 4 – многозаходная винтовая лопасть,
5 – сепаратор, 6 – разгрузочный патрубок
На первом этапе исследования процессов, протекающих в корпусной части мельницы при вращении лопастного вала, целесообразно использование программных продуктов, применяемых для имитационного моделирования различных технологических процессов. Наличие очень большого количества частиц материала, свойственного тонкому и сверхтонкому процессам его измельчения, затрудняет использование существующих программных продуктов для исследования этих процессов. В условиях доступных компьютерных средств в настоящее время это является практически невыполнимой задачей. В работе [12] установлено, что увеличение интенсивности движения загрузки, включающей измельчаемый материал и мелющие тела, приводит к повышению эффективности процесса измельчения материала. При этом значения характеризующих движение загрузки параметров рассматриваются одинаковыми для входящих в нее компонентов. Это позволяет сделать предположение об аналогичном влиянии интенсивности движения мелющих тел на эффективность процесса измельчения материала. В качестве характеристик интенсивности движения мелющих тел могут являться как усредненные значения скоростей, так и энергетических параметров их движения. Ограничение количества движущихся в корпусной части мельницы объектов наличием только мелющих тел позволяет реализовать симуляцию процесса их движения в результате воздействия многозаходных винтовых устройств, установить характеризующие этот процесс энергетические параметры и сравнить их с энергетическими параметрами мелющих тел в корпусной части мельницы с традиционно применяемыми в бисерных мельницах дисками.
Материалы и методы. Для исследования энергетического состояния расположенных между многозаходными винтовыми лопастями мелющих тел использовался программный продукт EDEM, основанный на технологии дискретного моделирования элементов [14]. В бисерных мельницах применяются мелющие тела малых размеров, что предполагает их большое количество в камере помола, и, соответственно, машинное время симуляции процесса движения, которое в зависимости от типоразмера мельницы может исчисляться десятками часов. Программой исследований предусмотрено проведение, с использованием метода математического планирования эксперимента, достаточно большого количества опытов по центральному композиционному рототабельному плану -ЦКРП 24. В той связи рассмотрена конструкция экспериментальной корпусной части бисерной мельницы, включающая одну пару двухзаходных винтовых лопастей с противоположным направлением их винта. Длина каждой винтовой лопасти составляет четверть шага (рис. 2). Значения конструктивно-технологических параметров экспериментальной корпусной части бисерной мельницы приведены в таблице 1. В качестве варьируемых факторов рассмотрены угол поворота начал заходов винта лопастей в плоскости, перпендикулярной продольной оси вала, α; расстояние между винтовыми лопастями, l; шаг винтовой лопасти, t; угловая скорость лопастного вала, ω (табл. 2). Так как винтовые лопасти осуществляют передачу мелющим телам энергии при вращении лопастного вала, то в качестве функции отклика целесообразно рассматривать характеризующую ее величину. Расстояние между винтовыми лопастями является варьируемым фактором, что предполагает изменяющееся количество мелющих тел в опытах, поэтому за функцию отклика принято усредненное значение полной кинетической энергии мелющего тела, Eус, Дж:
(1)
где n – количество мелющих тел, штуки; Ei.ср – среднее значение кинетической энергии i-го мелющего тела, Дж.
Рис. 2. Схема экспериментальной корпусной части бисерной мельницы
Таблица 1
Значения конструктивно-технологических параметров экспериментальной корпусной части бисерной мельницы
|
№ п/п |
Наименование параметра |
Обозначение |
Единица измерения |
Значение |
|
1 |
Внутренний диаметр корпуса |
Dк |
м |
0,1 |
|
2 |
Наружный диаметр винтовых лопастей: - первой - второй |
D1л D2л |
м |
0,074 0,074 |
|
3 |
Количество заходов винта лопастей |
nз |
штука |
2 |
|
4 |
Диаметр лопастного вала |
dв |
м |
0,05 |
|
5 |
Диаметр мелющих тел |
dм.т. |
м |
0,005 |
|
6 |
Коэффициент загрузки мелющих тел |
φ |
- |
0,7 |
Величина Eус определялась после установившегося процесса движения мелющих тел как среднее значений за десять оборотов лопастного вала, взятых с интервалом угла его поворота в 30°. Установившийся процесс движения мелющих тел для всех проведенных опытов достигался после 10 оборотов лопастного вала.
Таблица 2
Матрица планирования ПФЭ ЦКРП 24
|
Факторы |
Обозначение |
Интервал |
Уровни варьирования факторов |
|||||
|
Кодированный вид |
Натуральный вид |
-2 |
-1 |
0 |
+1 |
+2 |
||
|
Угол поворота винта лопастей |
x1 |
α, град |
22,5 |
0 |
22,5 |
45 |
67,5 |
90 |
|
Расстояние между винтовыми лопастями |
x2 |
l, м |
0,0105 |
0,008 |
0,0185 |
0,029 |
0,0395 |
0,05 |
|
Шаг винтовой лопасти |
x3 |
t, м |
0,0365 |
0 |
0,0365 |
0,073 |
0,1095 |
0,146 |
|
Угловая скорость лопастного вала |
x4 |
ω, рад/с |
62,5 |
150 |
212,5 |
275 |
337,5 |
400 |
На первом этапе была создана параметризированная электронно-цифровой модель экспериментальной корпусной части в программном продукте SolidWorks (рис. 3). В соответствии с планом эксперимента создано 15 различных вариантов электронно-цифровой модели с отличающимися значениями конструктивных параметров.
На втором этапе создавались мелющие тела в виде стеклянного бисера диаметром dм.т.=5∙10-3 м. После создания мелющих тел в среду EDEM импортировалась электронно-цифровая модель экспериментальной корпусной части (рис. 3) и задавалась кинематика лопастному валу. Мелющим телам были заданы свойства стеклянного бисера, применяемого для помола различных материалов. Стеклянный бисер обладает достаточно высокими показателями химической стойкости и износостойкости. Его известными производителями являются Neztech и SiLibeads (Германия), Diamond-Pearls (Чехия), INTERCHEMIA (Польша), а также Pingxiang Baitian New Materials Co и Shanghai Root Mechanical&Electrical Equipment Co (Китай). Крупнейшим поставщиком технического бисера в Россию является компания «ПроХим». Физико-механические свойства стеклянного бисера, выпускаемого указанными производителями для помольных систем, во многом близки, поэтому применены свойства одного из них, соответствующие типу S1 [15]. В качестве материала экспериментальной корпусной части принята сталь 14Х17Н2 (табл. 3).
|
|
|
|
Рис. 3. Модель экспериментальной корпусной части |
Рис. 4. Расчетная модель экспериментальной корпусной части |
Далее задавались коэффициенты, характеризующие взаимодействия объектов друг с другом, которые были приняты с учетом того, что трение осуществлялось в жидкой среде (табл. 4).
Основная часть. В результате обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии в кодированном виде, адекватно описывающее зависимость усредненного значения кинетической энергии мелющего тела
Таблица 3
Свойства материалов мелющих тел и экспериментальной корпусной части
|
№ п/п |
Наименование показателя |
Мелющее тело |
Экспериментальная корпусная часть |
|
1 |
Плотность, кг/м3 |
2500 |
7750 |
|
2 |
Коэффициент Пуассона |
0,25 |
0,25 |
|
3 |
Модуль сдвига, Па |
2,8∙1010 |
1,5∙1012 |
Таблица 4
Коэффициенты, характеризующие взаимодействия мелющего тела
с объектами в модели
|
№ п/п |
Наименование коэффициента |
Мелющее тело |
Экспериментальная корпусная часть |
|
1 |
Коэффициент восстановления |
0,7 |
0,555 |
|
2 |
Коэффициент статического трения |
0,1 |
0,25 |
|
3 |
Коэффициент трения качения |
0,12 |
0,25 |
После преобразований выражение (2) было приведено к натуральному виду:
В программной среде Maple проведено исследование уравнения (3), получены графические зависимости, характеризующие изменение
а б
Рис. 4. Графические зависимости усредненного значения кинетической энергии мелющего тела
от варьируемых факторов: а) при α=45°, ω=275 рад/с, б), l=0,029 м, t=0,073 м
В заданной области их значений функция является непрерывной. Наибольшее значение функции
=0,121 Дж достигается при α=0°, l=0,008 м, t=0,146 м, ω=400 рад/с. При уменьшении шага винта до значения t=0 м винтовые лопасти принимают форму цилиндрического диска, расположенного перпендикулярно продольной оси лопастного вала, традиционно используемую в существующих конструкциях бисерных мельниц. Сопоставляя значение
=0,078 Дж, полученное при α=0°, l=0,008 м, t=0 м, ω=400 рад/с и характеризующее процесс движения мелющих тел в корпусной части мельницы при установленных на лопастном валу дисковых лопастях, с полученным при установке винтовых лопастей значением
=0,121 Дж, соответствующем факторам α=0°, l=0,008 м, t=0,146 м, ω=400 рад/с, следует отметить значительное, на 55 %, увеличение
. Изменение угла поворота винта лопастей α, шага винта t, угловой скорости лопастного вала ω и расстояния l между парой расположенных рядом, воздействующих на мелющую загрузку в направлении друг к другу винтовых лопастей, приводит к изменению кинетической энергии мелющих тел. При уменьшении шага винта t снижается величина энергетического воздействия винтовых лопастей на мелющую загрузку. Это приводит к снижению энергетических (а также скоростных) параметров мелющих тел, что является целесообразным при уменьшенных размерах частиц измельчаемого материала или их прочностных характеристиках. Снижение величины энергетического воздействия винтовой лопасти на мелющую загрузку приведет к уменьшению в ней зоны, на которую оказывается ее влияние в направлении продольной оси лопастного вала.
Изменение расстояния l между винтовыми лопастями в рассматриваемой паре винтовых лопастей и поворот начал заходов их винта в плоскости, перпендикулярной продольной оси вала, относительно друг друга на угол α=0°...90° позволяет регулировать степень наложения зон их влияния на мелющую загрузку в направлении продольной оси лопастного вала. При α=90° и l =0,05 м зоны влияния винтовых лопастей на мелющую загрузку не накладываются друг на друга, при уменьшении значений этих параметров осуществляется частичное наложение, а при приближении к значениям α=0° и l =0,008 м – происходит максимальное наложение этих зон. Степень наложения зон влияния винтовых лопастей на мелющую загрузку позволяет регулировать степень интенсивности воздействия мелющих тел, находящихся в одной зоне влияния, на частицы материала, находящиеся во встречной с ней зоне влияния. Для материалов с пониженной размалываемостью целесообразны малые значения угла α и расстояния l, для материалов с повышенной размалываемостью – близкие к α=90° и увеличенные значения l. Способность материалов к измельчению оценивается коэффициентом размолоспособности [16]. Значение этого коэффициента kразм<1 характеризует материалы пониженной размалываемости (например, песок кварцевый с kразм=0,6-0,7; известняки и полевой шпат с kразм=0,8-0,9), значения kразм>1 - материалы с повышенной размалываемостью (например, опоки с kразм=1,3-1,4; тальк с kразм=1,04-2,02).
Увеличение угловой скорости лопастного вала ω приводит к увеличению значений энергетических (а также скоростных) параметров мелющих тел, что является целесообразным при увеличенных размерах частиц измельчаемого материала или их прочностных характеристиках.
Выполненные исследования, в результате которых установлены увеличение значений
, характеризующей энергетическое состояние мелющих тел в корпусной части мельницы с винтовыми лопастями, влияние на ее изменение варьируемых факторов позволяют высказать предположение о возможности интенсификации процесса измельчения материала с учетом свойств и размера его частиц. Однако исследования рассматриваемой функции проведены при указанных типоразмере корпусной части мельницы и областях значений варьируемых факторов, что не исключает изменения ее поведения при отличных от принятых значениях этих параметров. Также следует отметить целесообразность рассмотрения влияния на протекающие в корпусной части мельницы процессы количества заходов винтовых лопастей. В этой связи можно сделать вывод о целесообразности рекомендации проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований, направленных на исследование процесса измельчения материала в бисерной мельнице с многозаходными винтовыми лопастями и установление рациональных конструктивно-технологических параметров, обеспечивающих повышение эффективности этого процесса.
Выводы.
- Показаны распространение бисерных мельниц в различных отраслях промышленности, их основные преимущества и недостатки при тонком и сверхтонком измельчении различных материалов; актуальность поиска рациональных, научно обоснованных основных конструктивно-технологических параметров бисерной мельницы, обеспечивающих повышение ее производительности и снижение удельного расхода электроэнергии. Рассмотрена возможность повышения эффективности работы горизонтальной бисерной мельницы при установке на лопастном валу многозаходных винтовых лопастей.
2. С использованием программного продукта EDEM, метода математического планирования эксперимента, по плану ЦКРП 24 осуществлено имитационное моделирование процесса движения мелющих тел в модели корпусной части бисерной мельницы диаметром 0,1 м при ее оснащении парой двухзаходных винтовых лопастей. Получено уравнение регрессии, описывающее изменение усредненного значения полной кинетической энергии Eус мелющего тела, характеризующего энергетическое состояние мелющих тел, в областях рассматриваемых значений варьируемых факторов: угла поворота начал заходов винта лопастей в плоскости, перпендикулярной продольной оси вала, α; расстояния между винтовыми лопастями, l; шага винтовой лопасти, t; угловой скорости лопастного вала, ω.
3. С использования программного продукта Maple выполнен анализ полученного уравнения регрессии, построены характеризующие его графические зависимости. Проведены исследования влияния варьируемых факторов на усредненное значение полной кинетической энергии
мелющего тела; установлена возможность увеличения значений этого параметра до 55 % путем установки винтовых двухзаходных лопастей. Сочетания различных значений варьируемых факторов позволяют регулировать энергетическое состояние мелющих тел.
4. Установлена целесообразность проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований, направленных на исследование процесса измельчения материала в бисерной мельнице с многозаходными винтовыми лопастями и определение рациональных конструктивно-технологических параметров, обеспечивающих повышение эффективности этого процесса.
1. Ханин С.И., Зыбин Р.В., Мордовская О.С. Повышение эффективности процесса классификации материала в классифицирующей перегородке шаровой мельницы // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2020. № 9. С. 97-107. DOIhttps://doi.org/10.34031/2071-7318-2020-5-9-97-107
2. Latyshev S.S., Voronov V.V., Bogdanov V.S., Fadin Y.M., Bazhanova O.I., Maslovskaya A.N. Mathematical modeling of loads movement in lifter of intramill recirculation device inside tubular mill // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 327. DOIhttps://doi.org/10.1088/1757-899X/327/2/022046
3. Запорожец О., Грининг К.Р., Губеня О.О., Телечкун Ю.С. Использование бисерных мельниц в фармацевтической биотехнологии // Мировая экономика и бизнес-администрирование малых и средних предприятий: Материалы 17-го Международного научного семинара, проводимого в рамках 19-й международной научно-технической конференции, Минск, 25-26 марта 2021 года / Минск: Издательское общество с ограниченной ответственностью "Право и экономика", 2021. С. 183-185.
4. Ермилов П.И. Диспергирование пигментов: (Физ.-хим. основы). - Москва: Химия, 1971. 299 с.
5. Носов Г.А., Елиневская Л.С., Дзарданов Д.В., Иванов Р.Н. Дисперсный состав суспензий, получаемых с использованием бисерных мельниц // Chemical Bulletin. 2022. Т. 5, № 4. С. 59-70.
6. Николаева Н.В., Ромашев А.О., Александрова Т.Н., Фадина А.В. Интенсификация технологий разупрочнения и дезинтеграции полидисперсных минеральных комплексов различного генезиса с использованием мельниц IsaMill // ГИАБ. 2013. №10. C. 97-101.
7. Kwade A., Schwedes J. Wet Comminution in Stirred Ball Mills // KONA Powder and Particle Journal. 1997. № 15. Pp. 91-102.
8. Larsson S., Pålsson B.I., Parian M., Jonsén P. A novel approach for modelling of physical inter-actions between slurry, grinding media and mill structure in wet stirred media mills // Minerals Engineering. 2020. Vol. 148. 106180. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.mineng.2019.106180
9. Rule C., De Waal H. IsaMillTM design improvements and operational performance at Angle Platinum, in Proceedings Metplant // The Australasian Institute of Mining and Metallurgy: Melbourne 2011, Pp. 176-192.
10. Baigereyev, S. The Experimental Investigation of a New Design of Stirred Media Mill // BULLETIN of L.N. Gumilyov ENU. Technical Science and Technology Series. 2023. No. 1(142). Pp. 32-43. DOIhttps://doi.org/10.32523/2616-7263-2022-142-1-32-43.
11. Larsson S., Rodríguez Prieto J.M., Heiskari H., Jonsén P. A Novel Particle-Based Approach for Modeling a Wet Vertical Stirred Media Mill // Minerals. 2021. Vol. 11. 55. DOI: 10.3390/ min 11010055
12. Козловский В.И., Вайтехович П.Е., Саевич Н.П. Алгоритм расчета горизонтальной бисерной мельницы // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2020. № 2(235). С. 39-43.
13. Козловский В.И., Вайтехович П.Е. Влияние конструктивных особенностей шаровой мельницы с мешалкой на ее эффективность // Лакокрасочные материалы и их применение. 2015. № 7. С. 43-45.
14. Кикин Н.О., Ханина Е. Г. Симуляция процесса смешивания материала лопастным смесителем в программной среде EDEM // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: Межвузовский сборник статей. Выпуск посвящен 50-летию кафедры механического оборудования, Белгород, 01-30 декабря 2020 года. Том Выпуск XIX. - Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2020. С. 117-125.
15. Стеклянный бисер тип S1 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://himiya.pro/мелющие-тела/serija-s1/ (дата обращения: 12.10.2023).
16. Производство огнеупоров полусухим способом. / Карклит А.К., Ларин А.П., Лосев С.А., Верниковский В.Е. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1981. 320 с.
