Технические науки, отраслевое машиностроение

Семененко Д.В., Вайтехович П.Е., Юхневич Д.В.

Белорусский государственный технологический университет

Эффективность процесса помола в планетарных мельницах

с горизонтальным расположением барабанов

при водопадном режиме работы

Планетарные мельницы являются разновидностью барабанных помольных агрегатов и могут работать в каскадном, водопадном или центрифугальном режимах. Каждый из них характеризуется определенным способом воздействия мелющих тел на частицы измельчаемого материала. Водопадный режим работы является одним из наиболее эффективных для планетарной мельницы. Он характеризуется подъемом мелющих тел по стенке барабана на определенный угол и дальнейшим их падением с некоторой высоты. Из опыта эксплуатации обычных шаровых мельниц известно, что наилучшие показатели процесса помола достигаются при частоте вращения корпуса машины, составляющей 80-120% от максимально возможной для водопадного режима [1]. Поэтому при проведении экспериментальных исследований в качестве рабочей нами была выбрана угловая скорость вращения барабанов, соответствующая началу центрифугального движения мелющих тел.

Опыты проводились в планетарной мельнице с внешней и внутренней обкаткой двух помольных цилиндров. При этом расстояние между ними составляло 240 мм, внутренний диаметр каждого равен 100 мм, длина – 200 мм, объем – 1,57 л. Время помола равнялось 10 минутам, степень загрузки помольной камеры материалом – 14% (с учетом пустот между частицами сырья), а угловая скорость ее вращения – 18,34 рад/с (граница между водопадным и центрифугальным режимами). Соотношение радиусов барабана r_Б и приводного колеса r_К, описываемое геометрическим критерием b, равнялось единице (b = r_Б / r_К = 1). Диаметр шаров составлял 16,5 мм. При внешней обкатке барабанов соотношение радиусов помольного цилиндра r_Б и обкатываемой поверхности R, характеризуемое геометрическим критерием k, равнялось 0,714 (k = r_Б / R = 0,714), а при внутренней – k = 0,294. В качестве измельчаемого материала был выбран гипсовый камень (ГК) с размером частиц 3-5 мм. За эффективность измельчения принята доля материала Е, прошедшего через сито с размером ячейки 100 мкм, которая определялась с помощью ситового анализа.

Первым этапом экспериментальных исследований было определение влияния степени загрузки помольного цилиндра измельчающими телами (а = V_Ш/V_Б, %) на эффективность процесса измельчения при его внутренней и внешней обкатке (рис. 1). Полученные результаты свидетельствуют о том, что внешняя обкатка барабанов эффективнее внутренней, а оптимальная величина параметра а находится в пределах 38-50% (с учетом пустот между шарами). Т.е. на основании рис. 1 можно сделать вывод о том, что наилучшее соотношение объемов мелющих тел и измельчаемого материала с точки зрения достижения максимальной производительности составляет 3:1. Поэтому дальнейшие исследования проводились при степени загрузки а = 42%.

Рис. 1. Влияние степени загрузки барабана на эффективность процесса помола

Следующим этапом исследований было установление зависимости эффективности процесса помола от частоты вращения и вида обкатки барабанов, результаты которого представлены на рис. 2. Анализируя этот график, можно сделать вывод о том, что оптимальная угловая скорость w находится в диапазоне, нижнее значение которого соответствует началу центрифугального режима работы мельницы, а верхнее – на 20% превышает его.

Рис. 2. Влияние угловой скорости вращения барабанов на процесс помола

Затем проводились исследования влияния времени помола t и твердости материала на эффективность измельчения (рис. 3). В качестве размалываемых материалов были выбраны гипсовый камень (ГК), клинкер (К) и стеклобой (С), твердость которых по таблице Мооса составляет 2, 3 и 6 единиц соответственно. Из рис. 3 видно, что с увеличением времени помола и снижением твердости материала эффективность процесса помола возрастает.

Рис. 3. Влияние времени помола и твердости материала на процесс помола

Далее было исследовано влияние диаметра шаров на эффективность измельчения. Размер мелющих тел составлял 5,5, 11, 16,5 и 18 мм. Полученные результаты показали, что с увеличением диаметра мелющего тела до некоторой величины происходит почти линейное повышение эффективности процесса измельчения. В частности, наилучшие результаты были получены при d_Ш = 16,5 мм. Дальнейшее увеличение размера мелющих тел приводит к снижению эффективности помола. Это позволило сделать предположение о том, что существует некоторое оптимальное соотношение диаметров барабана и мелющего тела. В частности, из полученных результатов следует, что наилучшая величина данного параметра равняется шести. Для подтверждения этой гипотезы было принято решение провести аналогичные опыты при других диаметрах барабанов (D_Б = 60, 80, 120 мм), т.е. при том же геометрическом критерии k и различных значениях параметра b. Результаты этих исследований (рис. 4), проведенных при внешней обкатке помольных цилиндров, позволяют говорить о том, что сделанное предположение оказалось верным.

Рис. 4. Влияние размера мелющих тел и диаметра барабанов на процесс помола

Графические зависимости, изображенные на рис. 4, дают возможность утверждать, что геометрический критерий b оказывает существенное влияние на эффективность помола. Поэтому в дальнейшем проводились исследования влияния этого параметра на процесс измельчения и при внутренней обкатке барабанов. В качестве мелющих тел были выбраны шары диаметром 16,5 мм. Полученные результаты показали, что при внутренней обкатке барабанов уменьшение величины геометрического критерия b приводит к снижению эффективности процесса помола, а при внешней – к повышению.

Для исследования влияния параметра k на эффективность измельчения были проведены исследования еще на трех парах помольных цилиндров и приводных колес, диаметр которых составлял 60, 80 и 120 мм. Они монтировались таким образом, чтобы величина геометрического критерия b всегда была равной единице. Для каждой пары барабанов и приводных колес рассчитывалось значение максимальной угловой скорости, при которой и проводилось измельчение частиц материала. Полученные результаты показали, что повышение величины геометрического критерия k при внешней обкатке барабанов приводит к практически линейному росту эффективности процесса помола, а при внутренней – к ее снижению.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования дают возможность сделать однозначный вывод о том, что при водопадном режиме работы планетарной мельницы внешняя обкатка барабанов является эффективнее внутренней. Кроме того, полученные результаты позволяют дать рекомендации по эксплуатации данного типа помольного оборудования. Так для достижения максимальной эффективности процесса помола соотношение измельчаемого материала и шаров должно составлять 3:1, а степень заполнения барабанов последними – 38-50%. Диаметр мелющих тел должен быть примерно в шесть раз меньше диаметра помольного цилиндра, а оптимальная угловая скорость на 20% больше той, при которой начинается центрифугальный режим. При проектировании планетарных мельниц с внешней обкаткой барабанов размеры основных деталей и узлов следует выбирать таким образом, чтобы величина геометрического критерия k был близкой к единице, а b £ 0,8.

Список литературы

1. Андреев С.Е., Перов В.А., Зверевич В.В. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра, 1980. 415 с.