Влияние профиля конусно-волнистой футеровки барабанных мельниц на энергетические показатели шаровой загрузки

РЕФЕРАТ. В статье описано исследование работы шаровой мельницы в зависимости от различных типов футеровки, проведенное с использованием компьютерного моделирования в программ­ном комплексе EDEM Simulation. Определены оптимальные геометрические параметры футеровки и режим работы мельницы, а также выполнена визуальная оценка работы мелющих тел с использованием схем их движения в мельнице.

Ключевые слова: проектирование, мельница, цемент, EDEM, симуляция, энергия, футеровка.

Keywords: design, mill, cement, EDEM, simulation, energy, lining.

Введение

Одним из важных показателей, определяющих себестоимость цемента, является удельный расход энергии. Она расходуется на технологических этапах подготовки сырья, обжига, помола клинкера и добавок, упаковки продукции. При всех способах производства цемента (мокром, сухом, комбинированном) на долю помола приходится 65—80 % общего расхода энергии.

И в России, и в других странах в качестве основного помольного агрегата используются шаровые барабанные мельницы замкнутого либо открытого цикла измельчения.

За рубежом 100 % мельниц работают в замкнутом цикле измельчения. Историче­ски сложилось так, что в нашей стране доля цементных мельниц открытого цикла составляет 90 %. Причина в том, что капиталовложения при такой схеме измельчения на 40—50 % ниже, несмотря на более высокий (на 5—15 %) удельный расход энергии.

В последние годы осуществляется перевод цементных мельниц размерами 3,2 × 15 м и 4 × 13,5 м в замкнутый цикл измельчения с установкой различных типов динамических циркуляционных сепараторов. Однако такая модернизация «старых» мельниц зачастую по ряду причин неэффективна. На вновь вводящихся в эксплуатацию технологических линиях используют современные конструкции шаровых барабанных мельниц с сепараторами либо устанавливают вертикальные мельницы.

По мнению российских и зарубежных специалистов, в обозримом будущем шаровые барабанные мельницы останутся основным помольным агрегатом в цементной промышленности. Ввиду дороговизны оборудования (сепараторов, элеваторов, конвейеров) в течение последующих 30—40 лет будут эксплуатироваться мельницы открытого цикла измельчения. Основными направлениями совершенствования этих мельниц являются автоматизация технологического процесса измельчения; разработка высокоэффективных внутримельничных энергообменных устройств (футеровок, кольцевых диафрагм, межкамерных перегородок и т. п.); разработка внутримельничных классифицирующих устройств.

В данной статье мы рассмотрим вопрос подбора футеровок.

В настоящее время на цементных мельницах всех типоразмеров (2,6 × 13 м, 3 × 14 м, 3,2 × 15 м, 4 × 13,5 м) барабан, как правило, разделен на две камеры: первую (грубого помола) и вторую (тонкого помола).

В нашей стране принято вторую камеру мельниц футеровать цилиндрическими ребристыми плитами и загружать мелющими телами — цильпебсом. За рубежом вторая камера футеруется коническими классифицирующими плитами и загружается мелкими шарами ∅ 20—40 мм, а первая камера футеруется цилиндрическими ребристыми плитами и загружается набором крупных шаров ∅ 40—80 мм.

На цементных заводах России первые камеры мельниц футеруют прокатными либо конусно-волнистыми плитами.

Главное назначение футеровочных плит состоит в том, чтобы обеспечить внутримельничную продольную классификацию мелющих тел по их размерам (крупные шары должны находиться у загрузочного конца барабана, а мелкие — у перегородки), предотвратить поперечную сегрегацию (крупные шары не должны скапливаться в центральной части загрузки в поперечном сечении барабана мельницы) и обеспечить требуе­мый режим движения мелющих тел на каждом участке первой камеры: у загрузки — водопадный режим, в средней части — смешанный, у перегородки — кас­кадный режим.

Режим движения мелющих тел обеспечивается частотой вращения барабана мельницы, высотой выступающих частей профиля футеровки и шагом (в поперечном сечении барабана) выступающих частей профиля.

Поскольку барабан мельницы вращается с заданной частотой, равной 0,76n_кр, и, как правило, она не регулируется в промышленных условиях, рассмотрим влияние остальных факторов на энергетический режим движения мелющих тел.

На рис. 1 приведена типичная диаграмма помола клинкера (без шлака) в цементной мельнице размерами 4 × 13,5 м. Видно, как влияет высота выступов на эффективность измельчения. При одинаковых ассортименте мелющих тел (d_св = 78,2 мм) и коэффициенте загрузки (φ = 0,29), измельчение в случае новой футеровки (кривая 1) существенно эффективнее, чем в случае, когда высота лифтеров снизилась на 50 % (кривая 2). Уже на расстоянии 0,5 м от загрузки остаток на сите 008 составляет 68 % (кривая 1), а в случае уменьшенных лифтеров R₀₀₈ = 93 %. Из первой камеры выходит материал с размером частиц менее 1 мм, при этом R₀₀₈ = 48 % (кривая 1), а в случае изношенных лифтеров R₀₀₈ = 59 % и во вторую камеру попадают час­тицы до 3 мм.

Рис. 1. Диаграмма помола цементной мельницы размерами 4 ×13,5 м: 1 — с новой футеровкой; 2 — в случае футеровки с изношенными лифтерами

Поскольку во вторую камеру проходит материал разной крупности, измельчается он тоже по-разному. В первом случае частицы готового продукта имеют R₀₀₈ = 4 %, а во втором R₀₀₈ = 12 %.

Таким образом, из диаграммы помола видно, как влияет поперечный профиль футеровки на эффективность измельчения.

Основная часть

Развитие современного производства тесно связано с компьютерным моделированием технологических процессов. Компьютерные технологии позволяют облегчить работу инженера при разработке проектной документации и воплощении ее в жизнь. При помощи специализированного программного обеспечения инженер-конструктор может создать цифровой макет любого изделия, провести его расчеты, составить программу для станка с ЧПУ, а также выполнить другие действия. Весь этот комплекс мероприятий еще на стадии проектирования позволяет существенно снизить себестоимость продукции и сократить сроки выполнения проекта. В частности, чтобы оптимизировать геометрическую модель конструкции, ведущие научно-исследовательские и проектные организации мира уделяют особое внимание расчетам цифрового макета изделия [1].

EDEM Simulation — программный комплекс на основе метода дискретных элементов. Он позволяет моделировать движение частиц любой формы в некотором ограниченном пространстве [2, 3].

При помощи EDEM инженер-конструктор может исследовать любую созданную геомет­рию футеровки (в том числе импортированную из CAD-систем), изменять параметры работы мельницы и, опираясь на итоговый результат симуляции, делать выводы о влиянии тех или иных параметров на работу мельницы [4, 5].

При проведении расчетов в программном комплексе EDEM была поставлена задача исследовать зависимость кинетической энергии мелющих тел от геометрических параметров бронефутеровки на примере мельницы размерами 2,6 × 13 м.

Цифровая модель мельницы, футерованной бронеплитами, сложна, поэтому она была заранее создана в системе Siemens NX и затем импортирована в программный комплекс EDEM Simulation при создании расчетного случая (рис. 2) [6, 7].

Рис. 2. Расчетная модель исследуемой части барабана мельницы в программном комплексе EDEM Simulation

В качестве входных данных при создании модели были заданы следующие параметры [8, 9]:

• средневзвешенный диаметр мелющих тел d_св = 80 мм,

• критическая частота вращения мельницы  n_кр = 26,97 об./мин,

• рабочая частота вращения мельницы n = 20,4972 об./мин,

• коэффициент загрузки φ = 0,3.

В начале исследования зависимости кинетической энергии движения мелющих тел был проведен расчет волнистой бронефутеровки с исходными размерами, которые соответствуют используемой футеровке первой камеры ТШМ 2,6 × 13 м (рис. 3). При выполнении расчетов варьируемым параметром была частота вращения барабана: 0,7n_кр, 0,76n_кр, 0,8n_кр.

Рис. 3. Цифровая модель футеровки с исходными параметрами

Вторым и третьим этапами исследования стало создание новых геометрических моделей футеровки. При сохранении прочих геометрических параметров был изменен шаг волны футеровки. Исследованы футеровки с одной и тремя волнами при тех же трех частотах вращения барабана (рис. 4, 5).

Рис. 4. Цифровая модель футеровки с одной волной при исходной высоте волны

Рис. 5. Цифровая модель футеровки с тремя волнами при исходной высоте волны

После завершения третьего этапа исследования были созданы три электронно-цифровые модели бронефутеровок с высотой волны, увеличенной на 0,1d_ш. Прочие геомет­рические параметры футеровок с двумя, одной и тремя волнами остались неизменными (рис. 6). Затем для каждой модели был создан расчетный случай и исследована зависимость кинетической энергии мелющих тел Е_К от частоты вращения барабана.

Рис. 6. Цифровые модели футеровок при высоте волны, увеличенной на 0,1d_ш, с двумя (а), одной (б) и тремя волнами (в)

Полученные в результате экспериментов данные приведены в таблице. Видно, что при любой высоте волны футеровки увеличение частоты вращения барабана ведет к монотонному росту кинетической энергии мелющих тел. С увеличением высоты волны на 0,1d_ш значение Е_К растет. Отметим его колоссальный рост в случае футеровки с одной волной.

Выполним визуальную оценку качественной и количественной характеристик работы загрузки, используя схемы движения мелющих тел в мельнице по данным компьютерного моделирования (рис. 7—9). Максимальная кинетическая энергия шаров показана красным цветом, минимальная — синим.

Рис. 7. Схема движения мелющих тел в мельнице с футеровкой с одной волной (условные обозначения на рис.7—9 см. в тексте)

Рис. 8. Схема движения мелющих тел в мельнице с футеровкой с двумя волнами

Рис. 9. Схема движения мелющих тел в мельнице с футеровкой с тремя волнами

Для мельницы с исходной высотой волны футеровки целесообразно выбрать частоту вращения 0,76n_кр (рис. 7, б). При увеличении волны на 0,1d_ш наибольшее число шаров с максимальной кинетической энергией наблюдается при частоте вращения 0,8n_кр (рис. 7, е).

Для процессов, показанных на рис. 8 и 9 использованы следующие значения параметров: а — высота волны h_исх, частота вращения 0,7n_кр; б — высота волны h_исх, частота вращения 0,76n_кр; в — высота волны h_исх, частота вращения 0,8n_кр; г — высота волны h_исх + 0,1d_ш, частота вращения 0,7n_кр; д — высота волны h_исх + 0,1d_ш, частота вращения 0,76n_кр; е — высота волны h_исх + 0,1d_ш, частота вращения 0,8n_кр.

При увеличении числа волн футеровки коэффициент сцепления возрастает и, например, при частоте 0,7n_кр мелющие тела поднимаются на бóльшую высоту и обладают большей потенциальной энергией (рис. 8, а). Увеличение высоты волны футеровки на 0,1d_ш по сравнению с h_исх способствует увеличению числа шаров, обладающих максимальной кинетической энергией. При частоте вращения барабана мельницы 0,8n_кр наблюдается переход в смешанный режим работы (рис. 8, е).

В мельнице с футеровкой с тремя волнами кинетическая энергия движения шаров уже при частоте вращения 0,7n_кр (рис. 9, а) значительно увеличивается по сравнению с рассмотренными выше моделями. При 0,76n_кр значение Е_К возрастает еще больше (рис. 9, б). Однако при 0,8n_кр (рис. 9, в) мелющие тела начинают падать на футеровку, что значительно снижает ее эксплуатационные характеристики и делает использование такой футеровки нецелесо­образным.

Высокие показатели работы мельницы отмечены при высоте волны h_исх + 0,1d_ш и час­тотах вращения 0,7n_кр и 0,76n_кр, рекомендованной для промышленных условий [8] (рис. 9, г, д),

При частоте вращения 0,8n_кр (рис. 9, е) начинается износ футеровочных плит.

Заключение

Разработанная методика впервые позволила определить кинетическую, потенциальную и суммарную энергию шаров в барабанной мельнице с учетом частоты вращения, профиля футеровки, коэффициентов загрузки и сцепления шаров, так как ранее невозможно было аналитически определить энергетические параметры и связать их с конструктивными.

Таким образом, по требуемой энергии разрушения материала можно определить и поперечный, и продольный профили футеровки с учетом крупности кусков исходного материала, а также его размолоспособности. Для этого необходимо осуществить помол пробы материала в лабораторной мельнице, провести замеры потребляемой мощности и определить удельный расход энергии при тонкости помола готового продукта, характеризуемой значением R₀₀₈, равным 10 %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мукажанов Е.Б., Кенесович С.Н. Автоматизация проектирования технологических процессов [Электронный ресурс]. http: //www.rusnauka.com/29_DWS_2011/Tecnic/12_95591.doc.htm (дата обращения 18.07.2013).

2. Официальный сайт фирмы DEM Solutions LTD [Элек­тронный ресурс]. http: //www.dem-solutions.com (дата обращения 18.07.2013).

3. EDEM User Manual, Copyright © 2002-2009 DEM Solutions. 4. Worrell E., Martin N., Price L. Potentials for energy efficiency improvement in the us cements industry // Energy. 2000. № 12. P. 1189 —1214.

5. Kroger H., Ramesohl H. Innovation Through Tradition // World Cement. 2003. November. P. 157—159.

6. Powell M.S., Weerasekaraa N.S., Coleb S., La Rocheb R.D. et al. DEM modelling of liner evolution and its influence on grinding rate in ball mills // Minerals Engineering. 2011. №2. P. 341—351.

7. Андреев А.А., Кулаков А.Г. О модели процесса из­мельчения в шаровой барабанной мельнице // Обогащение руд. 2009. № 4. С. 3—7.

8. Богданов В.С., Шарапов Р.Р., Фадин Ю.М., Семикопенко И.А. и др. Основы расчета машин и оборудования предприятий строительных материалов и изделий: учебник. Старый Оскол: ТНТ, 2012. 680 с.

9. Богданов В.С., Фадин Ю.М., Латышев С.С., Богданов Д.В. и др. Повышение эффективности работы цементных мельниц  // Цемент и его применение. 2006. № 6. С. 80—85.