ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день цементная промышленность остается одной из наиболее динамичных отраслей экономики Российской Федерации. Обновление исторического максимума потребления цемента в России произошло в 2014 году, но введенные экономические санкции существенно замедлили развитие отрасли, и в 2015 году потребление снизилось на 11% и составило 63 млн т.
Несмотря на такие показатели, ведущие аналитические агентства прогнозируют увеличение потребительского спроса к 2020 году, который будет стимулироваться дальнейшей реализацией государственных программ строительства жилья, строительства дорог и крупных инфраструктурных проектов.Ведущие производители признают, что проблема экономических санкций является не менее значимой, чем традиционный рост тарифов на энергоносители. В связи с текущими показателями потребления цемента, еще больше усилилась конкуренция в отрасли. Более 70% опрошенных компаний-производителей цемента уделяют внимание повышению энергоэффективности использования имеющихся производственных мощностей и их модернизации [80].
Таким образом, в условиях постоянного роста тарифов на энергоносители актуальной задачей является разработка научно-обоснованных энергоэффективных решений, способных улучшить показатели при производстве цемента.
Производство цемента является очень энергоемким процессом. Известно, что на измельчение расходуется более 60% электроэнергии, затрачиваемой для производства 1 т цемента (на долю помола приходится до 45% энергии). При этом наиболее энергоемким процессом является тонкий помол клинкера и минеральных добавок. Наибольшее распространение при помоле цемента и в России, и за рубежом получили шаровые барабанные (трубные) мельницы (ШБМ) [ 87].
К недостаткам ШБМ следует отнести - высокий удельный расход энергии на помол, большой износ футеровки и мелющих тел. Однако простота конструкции и обслуживания, возможность регулирования в широких пределах тонины помола готового продукта без конструктивных изменений, возможность автоматизации измельчения предопределяют перспективы дальнейшего широкого использования
таких мельниц [87].
При применении шаровых барабанных мельниц для помола клинкера, затраты на футеровку и мелющие тела достигают 40% стоимости эксплуатационных расходов на содержание мельницы. Это означает, более выгодно разработать рациональный конструктивный профиль футеровки (при помощи численного моделирования), обеспечивающий оптимальный помол, сбережение измельчающей среды и снижение энергопотребления [92].
Степень разработанности темы исследования.
При выполнении диссертационной работы рассмотрены научные труды отечественных и зарубежных ученых, работы которых отражали вопросы изучения движения мелющей загрузки и проектирования футеровок шаровых мельниц, таких как: Д.К. Крюков, С.Е. Андреев, В.С. Богданов, М.А. Вердиян, Ю.И. Дешко, Н.П. Неронов, В.А. Олевский, В. Дуда, Э.В. Дэвис, П. Клири, Р.К. Раджамани, Б.К. Мишра, М.С. Пауелл и другие. Изучение трудов перечисленных ученых позволили расширить область знаний о процессе измельчения в шаровых мельницах, характере движения мелющей загрузки, численном моделировании процесса измельчения. Также было выявлено, что к настоящему времени недостаточно проработан вопрос о влиянии геометрических размеров профиля футеровки на процесс измельчения.
Объектом исследования является шаровая барабанная мельница для помола клинкера.
Предметом исследования является процесс измельчения в шаровой барабанной мельнице при изменении ее конструктивно-технологических параметров.
Рабочая гипотеза:
проектирование поперечного и продольного профиля футеровки на стадии разработки проекта позволит выявить рациональный режим работы мелющих тел, тем самым обеспечить требуемую эффективность процесса измельчения.
Научная идея:
заключается в создании рационального поперечного и продольного профиля
футеровки, которая обеспечит требуемый режим движения мелющих тел и существенно повысит эффективность процесса измельчения.
Цель работы:
повышение эффективности процесса измельчения клинкера за счет обеспечения рационального режима движения мелющих тел на основе совершенствования поперечного и продольного профиля футеровки в шаровой барабанной мельнице.
Задачи исследования:
1. Проанализировать существующие конструкции футеровок шаровых мельниц и пути их совершенствования, а также известные методики расчета и проектирования футеровок.
2. Выполнить анализ известных математических моделей, предназначенных для симуляции движения мелющих тел в шаровых мельницах.
3. Получить уравнения для расчета энергетических и кинематических параметров шаровой загрузки.
4. Провести экспериментальные исследования на лабораторной установке и численное моделирование, определить регрессионные зависимости величины малоподвижного ядра, мощности, потребляемой приводом, и крупности готового продукта методом планирования многофакторного эксперимента.
5. Установить рациональные параметры работы шаровой барабанной мельницы для помола клинкера.
6. Разработать инженерную методику проектирования футеровки и общие рекомендации для внедрения результатов работы в промышленности.
Соответствие диссертации паспорту специальности.
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы» по следующим областям исследования:
3. Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин и агрегатов и их взаимосвязей при комплексной механизации основных вспомогательных процессов и операций.
6. Исследование технологических процессов, динамики машин, агрегатов, уз
лов и их взаимодействия с окружающей средой.
Научная новизна:
1. Получены уравнения для расчета: скорости движения мелющих тел на любом участке траектории движения, времени движения, угла отрыва от внутренней поверхности барабана мельницы, высоты подъема шара, кинетической и потенциальной энергии шара.
2. Установлен параметр, характеризующий величину малоподвижного ядра шаровой загрузки и интенсивность движения мелющих тел.
3. Определены рациональные параметры режима работы мельницы, в зависимости от конфигурации футеровки в поперечном и продольном сечении барабана мельницы.
Практическая ценность работы:
заключается в разработке комплексного решения по созданию рациональной конструкции футеровки внутренней поверхности барабана мельницы в поперечном и продольном сечениях.
Работа выполнена в рамках программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова и в рамках федеральной целевой программы по теме «Разработка роботизированного комплекса для реализации полномасштабных аддитивных технологий инновационных материалов, композитов, конструкций и сооружений» (уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57715X0193).
Автор защищает:
1. Теоретические зависимости для расчета энергетических и кинематических параметров шаровой загрузки.
2. Математическую модель движения мелющих тел внешнего слоя в шаровой барабанной мельнице со ступенчатой футеровкой.
3. Результаты проведенных лабораторных и численных экспериментов в виде уравнений регрессий, позволяющих определить влияние варьируемых факторов на функции отклика: параметр, характеризующий величину малоподвижного ядра загрузки, мощность, потребляемую приводом мельницы, и остаток на сите 008.
4. Рациональные параметры работы шаровой барабанной мельницы и конструктивные параметры ступенчатой футеровки.
5. Конструкцию футеровки шаровой барабанной мельницы, защищенную патентом РФ №160708 на полезную модель, обеспечивающую повышение эффективности процесса измельчения.
Реализация работы:
данная работа была выполнена на кафедре механического оборудования БГТУ им. В.Г. Шухова в рамках научно-исследовательских работ, результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в учебный процесс по направлению 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» и специальности 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов», приняты к внедрению на ЗАО «Белгородский цемент» и на АО «Мальцовский портландцемент», разработана методология проектирования футеровок и реализована на ЗАО «ТД «Кварц»».
Апробация работы:
основные положения и результаты исследовательской работы докладывались на конференциях в БГТУ им. В.Г. Шухова, были представлены на конференции «Оптимизация технологических процессов помола сырья и цемента. Ресурсосбережение и стабилизация требуемого качества.
Современные комплексы для упаковки и отгрузки цемента потребителям» (г. Ст. Оскол, 2013 г.), конференции «Опыт строительства новых цементных заводов. Проблемы и пути их решения», (Тульская обл., 2014 г.), Международной научно-технической конференции «Ре- сурсо- и энергосберегающие технологии, и оборудование, экологически безопасные технологии» (г. Минск, Республика Беларусь, 2014 г.), конференции «Перспективные инновационные разработки молодых исследователей Белгородской области - развитию региона» (г. Белгород, 2014 г.), Международной конференции «Интерстроймех-2015» (г. Казань, Республика Татарстан, 2015 г.), Международной конференции в Техническом Университете им. Агриколы (г. Бохум, Германия, 2016 г.).
Публикации:
по результатам работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 научные статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 4 статьи в международных журналах, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science. Получен патент РФ №160708 на полезную модель.
Структура и объем работы:
диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 160 наименований. Работа изложена на 192 страницах, в том числе 147 страниц основного текста, содержит 127 рисунков, 7 таблиц, 7 приложений.
1.