Строительные машины и оборудование 3 страница

Общие теоретические сведения

В барабанных мельницах измельчение материала происходит внутри полого вращающегося барабана с помощью мелющих тел (шаров, стержней). Помещенный в мельницу материал разрушается под действием ударных и истирающих нагрузок. Барабанные мельницы классифицируются по нескольким признакам: по режиму работы – периодического (рис. 4.1, а) и непрерывного (рис. 4.1, б–ж) действия; по характеру работы – мельницы, работающие в открытом и замкнутом цикле; по форме барабана – цилиндрические короткие (рис. 4.1, а–г),цилиндрические длинные или трубные (рис. 4.1, е, ж)и конусные (рис. 4.1, д); по форме мелющих тел – шаровые, стержневые и самоизмельчения (без мелющих тел); по способу загрузки и выгрузки материала – с загрузкой и выгрузкой через люк (рис. 4.1, а), с загрузкой и выгрузкой через полые цапфы (рис. 4.1, б, д, е),с загрузкой через полую цапфу и выгрузкой через периферийное сито (рис. 4.1, е, г)или днище барабана (рис. 4.1, ж);по способу помола – сухого и мокрого помола; по конструкции привода – с периферийным (рис. 4.1, е) и центральным (рис. 4.1, ж)приводом.

Преимуществами барабанных мельниц являются простота
и надежность конструкции, простота регулировки степени измельчения, однородность готового продукта. К недостаткам относятся большой расход энергии (35...40 кВт×ч/т), низкое использование
в рабочем процессе объема барабана (35...45%), малые скорости воздействия на материал мелющих тел, значительные габариты
и масса, повышенный шум при работе. Определяющими параметрами барабанных мельниц являются диаметр (D) и длина (L)барабана. У мельниц с относительно коротким барабаном соотношение у трубных

Шаровая цилиндрическая мельница периодического действия (рис. 4.2, а) состоит из сварного цилиндрического барабана 1 с люком, прикрытым крышкой 2, и двумя днищами 3. Днища центральными осями опираются на подшипники 4. Внутренняя поверхность барабана футеруется износостойкими плитами. Привод мельницы состоит из электродвигателя 8, редуктора 7 и зубчатой передачи 6. Для уменьшения пускового момента в схеме привода предусмотрена фрикционная муфта 5. При работе мельницы исходный материал подается в барабан через люк 2, измельчается в зависимости
от требуемой тонкости помола в течение 5…8 ч, после чего разгружается через тот же люк. Для предотвращения выпадения
из мельницы мелющих тел при выгрузке готового продукта в люк вставляется трубка с отверстиями. Такие мельницы имеют низкую производительность.

Более высокую производительность помола имеют шаровые конусные мельницы непрерывного действия (рис. 4.2, б). В них исходный материал поступает через пустотелую цапфу 5 в барабан 6, где происходит помол с помощью мелющих тел 4. Измельченный материал проходит через отверстия 7 в приемник 8, откуда ссыпается в сепарирующие установки. Недоизмельченный материал поступает в барабан через цапфу 2 и подвергается повторному помолу. Барабан вращается от электродвигателя че­рез шестерню 1
и зубчатый венец 3.

Наиболее эффективными барабанными мельницами являются трубные многокамерные мельницы, что достигается увеличением длины барабана, а также разделением его по длине на 2…4 камеры с помощью решетчатых перегородок. Первую (со стороны загрузки) камеру заполняют более крупными мелющими телами, следующие – более мелкими, а последнюю камеру загружают наиболее мелкими мелющими телами в виде коротких цилиндриков, интенсивно истирающих материал при перекатывании. Такое распределение мелющих тел позволяет наиболее полно использовать накопленную ими при падении кинетическую энергию.

Рис. 4.1. Схемы барабанных мельниц:

а – периодического действия; б – непрерывного действия с загрузкой и выгрузкой через пустотелые цапфы; в – непрерывного действия с выгрузкой через периферийное сито; г – непрерывного действия с выгрузкой через торцовую решетку; д – конусная мельница; е – трубная мельница с периферийным приводом; ж – трубная мельница с центральным приводом

а)

б)

Рис. 4.2. Конструкция шаровой мельницы

Трубная мельница (рис. 4.3) состоит из цилиндрического барабана 4 с торцовыми днищами 3 и 7, который опирается цапфами 2 и 8 на подшипниковые опоры с самоустанавливающимися вкладышами. Барабан разделен решетчатыми перегородками на четыре камеры. Три из них футеруются волнистыми броневыми плитами, облегчающими подъем мелющих шаров, а четвертая – гладкими плитами, что способствует равномерному перекатыванию цилиндрических мелющих тел. Четвертая камера, имеющая наибольшую длину, разделена продольными перегородками на пять частей, что повышает интенсивность помола и снижает (на 20%) удельный расход потребляемой энергии за счет уравновешивания отдельных частей при вращении барабана.

Рабочий процесс в мельнице происходит следующим образом. Исходный материал подается питателем в воронку 1 и через конусную втулку полой цапфы 2 поступает в первую камеру. После измельчения в ней крупными шарами материал через перегородку перемещается во вторую камеру, а затем – в третью и четвертую. Окончательно измельченный материал через овальные отверстия 6 днища 7 ссыпается из барабана на разгрузочное сито 9, откуда готовый продукт поступает на склад, а недоизмельченный материал – в боковой сборник на доизмельчение. Привод барабана осуществляется от электродвигателя через редуктор и соединительный вал. Герметизация барабана при сухом помоле осуществляется с помощью колец 5.

Рис. 4.3. Схема трубной многокамерной мельницы

Кроме рассмотренных выше типов барабанных мельниц для помола некоторых материалов применяются мельницы без мелющих тел, в которых происходит самоизмельчение материала при падении его в машину и при перекатывании внутри барабана. Процесс самоизмельчения материала интенсифицируется с увеличением диаметра барабана, уменьшением его длины, а также оптимальной формой футеровки. Такие машины применяются в промышленности строительных материалов при обогащении полезных ископаемых и работают в открытом и замкнутом циклах сухого и мокрого измельчения.

Порядок расчета основных параметров режима работы
барабанных мельниц

Угловая скорость барабана определяет характер движения мелющих тел, от которого зависит интенсивность измельчения материала в мельнице. При малой угловой скорости барабана мелющие тела и измельчаемый материал смещаются в сторону вращения барабана и вместе с ним поднимаются на высоту, при которой угол подъема δ становится равным углу трения (рис. 4.4, точка А). Отсюда они скатываются, измельчая материал легкими ударами и истиранием. Интенсивность измельчения при этом невысока. При чрезмерно высокой угловой скорости барабана значительно возрастают центробежные силы, которые превосходят силу тяжести, за счет этого мелющие шары будут прижиматься к стенке барабана и не будут отрываться от нее даже в точке Е. При этом работа измельчения производиться не будет. Угловая скорость, при которой возникает такое положение, называется критической ( ) и определяется из условия , где – центробежная сила, Н ( – критическая угловая скорость барабана, рад/с; R – радиус барабана, м); т – масса шара, кг; g – ускорение свободного падения, м/с². Отсюда . Оптимальная угловая скорость барабана вычисляется из условия обеспечения максимальной высоты падения шара, которая определяется координатами точки отрыва шара от стенки (точка В) и точки соприкосновения его с барабаном после падения (точка С).

Рис. 4.4. Схема к расчету оптимальной угловой скорости вращения барабана мельницы

В точке В на шар действуют силы инерции Р, сила тяжести mg и сила трения скольжения по стенке барабана Т, которой можно пренебречь ввиду подпора верхних частиц нижними. С учетом этого отрыв шара от стенки барабана в точке В будет происходить при условии , где a – угол подъема шара (a = 35...40°). Подставляя в уравнение значения Р и G, получим . Отсюда угловая скорость, рад/с,

. (4.1)

Масса мелющих тел значительно влияет на эффективность работы шаровых мельниц. При малом количестве мелющих тел они, не имея достаточного подпора, будут скатываться до подъема на необходимую высоту, не обеспечивая интенсивного измельчения. При чрезмерном количестве шары также не смогут измельчать материал ввиду малого пространства для их перемещения. Степень загрузки барабана мелющими телами характеризуется коэффициентом загрузки , представляющим собой отношение площади поперечного сечения слоя загрузки S (в спокойном состоянии)
к площади поперечного сечения барабана, т. е. или , где т – масса мелющих тел, кг; R – внутренний радиус барабана мельницы, м; L – внутренняя длина барабана, м; – коэффициент разрыхления загрузки (для стальных шаров
и гальки = 0,575, для стальных цилиндров = 0,55); r – плотность материала мелющих тел (для стали r = 78,5 кг/м³, для гальки r = 26 кг/м³). Отсюда оптимальная масса мелющих тел, кг,

(4.2)

Наилучшие результаты измельчения получаются при k_з = 0,26…0,32.

Производительность шаровых мельниц зависит от многих факторов, связанных с физическими свойствами измельчаемого материала, тонкостью помола, конструктивными особенностями мельниц, режимом работы, видом помола (сухой или мокрый) и т. д.

Для определения производительности, т/ч, используется эмпирическая зависимость

(4.3)

где D – внутренний диаметр футерованного барабана мельницы, м; G – масса мелющих тел, кг; V – рабочий объем барабана мельницы, м³; q – удельная производительность мельницы, зависящая от материала и способа помола; при сухом помоле клинкера, шлаков q = 0,04…0,06 т/(кВт×ч), при помоле глины и мела q = 0,03…0,04 т/(кВт×ч); k – коэффициент, зависящий от тонко­сти помола, значения которого приведены ниже.

Остаток на сите 0,08, %
k	0,6	0,65	0,71	0,77	0,82	0,96	1,0	1,1	1,2

При аспирации многокамерных мельниц их производительность возрастает на 15…20%, что учитывается дополнительным коэффициентом. Значительно повышается производительность шаровых мельниц при загрузке материала, предварительно измельченного до размера 5…15 мм, и загрузке барабана мельницы более мелкими шарами.

Мощность двигателя барабанных мельниц расходуется
на подъем шаров и материала, сообщение им кинетической энергии и на преодоление сил трения в механизмах привода и опорах барабана.

Работа, затрачиваемая на подъем шагов и материала, , где т – масса шаров и материала, кг; g – ускорение силы тяжести, м/с²; h – высота подъема, м. Высота подъема при угле отрыва шаров a = 30° равна h = 1,3R. Следовательно, , Дж. Работа, затрачиваемая на сообщение шарам и материалу кинетической энергии, , где – скорость приведенного (редуцированного) слоя шаров и материала, движущегося на расстоянии R₀ от центра барабана, (R и R₁ – соответственно радиус барабана и материала, м); w – угловая скорость вращения барабана, рад/с. Следовательно, . Подставив в эту формулу значение , получим

. (4.4)

Подставив в формулу значения a₀ и R₀ = 0,86R, получим . Суммарная работа одного цикла циркуляции (подъема и падения) шаров и материала будет равна . За один оборот барабана шары с материалом совершают несколько циклов циркуляции, количество которых при a₀ = 30° составит z = 1,644. Мощность двигателя мельницы, кВт,

, (4.5)

где h – КПД привода (h = 0,9…0,94).

Рис. 4.5. Схема барабанной мельницы

Порядок выполнения расчета

Для расчета параметров барабанной мельницы необходимо определить:

– диаметр барабана

, м, (4.6)

где Q – производительность, т/ч; q – удельная производительность мельницы (для клинкера q = 0,03…0,4), т; S = 3 – отношение длины барабана к его диаметру; K – коэффициент тонкости помола
(K = 0,6…1,2);

– длину помольной камеры, м,

; (4.7)

– рабочий объем мельницы, м³,

; (4.8)

– вес мелющих тел, кг,

, (4.9)

где G – вес мелющих тел; V – рабочий объем мельницы; – плотность мелющих тел; – коэффициент пустотности загрузки; – коэффициент загрузки барабана;

– оптимальную угловую скорость барабана, рад/с,

, (4.10)

или

; (4.11)

– массу мелющих тел, т,

; (4.12)

– массу мелющих тел и загрузки, т,

, (4.13)

где ;

– усилия, действующие в конструкции:

а) сила тяжести вращающейся массы загрузки, кН,

; (4.14)

б) центробежная сила инерции вращающейся массы загрузки, кН,

, (4.15)

или

; (4.16)

– мощность двигателя, кВт,

, (4.17)

где q = 9,8м/с², .

Контрольные вопросы для защиты лабораторной работы

1. Классификация барабанных мельниц.

2. Принцип работы барабанных мельниц.

3. Схемы барабанных мельниц.

4. Достоинства и недостатки барабанных мельниц.

Лабораторная работа № 5. Вибрационные грохоты

Цель работы. Определение: 1) основных проектных размеров вибрационных грохотов: L – длина; B – ширина поверхности грохочения, м; L – размер отверстия, м; 2) рациональных режимов работы: а – амплитуда виброперемещений, м; ω – угловая скорость колебаний, рад/с; 3) усилий, действующих в конструкции, жесткости опор: F – центробежная сила вибровозбудителя, Н; с – жесткость упругих опор, Н/м; 4) мощности привода: P – мощность электродвигателя, Вт.

Исходные данные для лабораторной работы № 5

Последняя цифра шифра зачетной книжки	Q, м3/ч	Lгр, м	a	q, м3/м2ч	Форма отверстий	Число сит n
		0,007			Круглые отверстия
		0,011
		0,016
		0,021
		0,025
		0,03			Квадратные отверстия
		0,035
		0,04
		0,044
		0,047

Общие теоретические сведения

Процесс разделения массы или смеси зерен природного происхождения на классы по крупности называется грохочением или сортировкой. Грохочение осуществляют механическим, гидравлическим, воздушным и магнитным способами. Наиболее распространен механический способ, при котором дробленую массу разделяют путем просеивания на грохотах. Основной частью грохота является просеивающая поверхность. Она выполняется в виде сита из плетеной или сварной сетки, а также решета, штампованного из листовой стали или литого из резины. Сита и решета должны быть износостойкими, сохранять в процессе работы неизменным размер отверстий, иметь большую площадь отверстий.

Различают грохочение предварительное, промежуточное, товарное (окончательное). Предварительное грохочение применяют для грубой сортировки на крупные и мелкие куски перед дробилками первичного дробления. При промежуточном грохочении из дробленого материала отделяются более крупные куски для направления в дробилки последующих стадий дробления. При окончательном грохочении материал разделяют на фракции в соответствии с требованиями стандарта. Разделение материала по крупности на фракции осуществляется в результате придания поверхности грохочения определенных по частоте и амплитуде колебаний, обеспечивающих эффективное встряхивание материала и прохождение зерен через просеивающие поверхности. На грохотах можно устанавливать до трех сит. Сита располагают в одной плоскости (грохочение от мелкого к крупному) или ярусами (грохочение от крупного к мелкому).

При грохочении от мелкого к крупному (рис. 5.1, а) грохот имеет конструкцию простую, удобную для осмотра и ремонта сит. Недостатками такой схемы являются большая длина грохота, интенсивный износ первого сита, низкое качество грохочения, так как мелкие частицы увлекаются более крупными. При грохочении
от крупного к мелкому (рис. 5.1, б) достигаются высокое качество сортирования, более равномерный износ сит, однако ухудшается возможность наблюдения за работой грохота. Комбинированная схема (рис. 5.1, в) по сравнению с другими занимает промежуточное положение и является наиболее распространенной.

При перемещении по просеивающей поверхности сит материал разделяется по крупности. Зерна материала, превышающие размер отверстий сит, сходят с поверхности грохочения, образуя верхний класс. Зерна материала, прошедшие через отверстия, называются нижним классом. Нижний класс каждого предыдущего сита является исходным материалом для следующего расположенного за ним сита. При движении материалов по ситу не все зерна размером меньше отверстия сита могут пройти через него. В результате верхний класс оказывается засоренным зернами нижнего класса. Отношение (в процентах) массы зерен, прошедших сквозь сито, к количеству материала такой же крупности, содержащегося в исходном материале, называют эффективностью грохочения. Эталонное значение эффективности грохочения в зависимости
от материала и типа грохотов составляет 86…91 %.

Рис. 5.1. Схемы расположения сит на грохотах:
а – от мелкого к крупному; б – от крупного к мелкому; в – комбинированная

По исполнению и типу привода грохоты делят на неподвижные колосниковые, барабанные вращающиеся, эксцентриковые и инерционные виброгрохоты.

Неподвижные грохоты представляют собой колосниковые решетки из износостойкой стали с высоким ударным сопротивлением. Их применяют для предварительного грохочения.

Барабанные грохоты имеют наклонный, под углом 5...7°, вращающийся барабан, состоящий из секций с различными размерами отверстий. Загрузка осуществляется в секцию с меньшими размерами отверстий. При трехсекционном барабане получают четыре фракции щебня. Диаметры барабанов таких грохотов 600... 1000 мм при длине 3...3.5 м. Частота вращения грохота зависит от его диаметра и составляет 15...20 мин^-1. При большей частоте грохочение прекращается. Производительность их 10...45 м³/ч при мощности двигателя 1,7...4,5 кВт. В связи с низким качеством грохочения и большим расходом энергии барабанные грохоты имеют ограниченное применение.

Эксцентриковые грохоты (рис. 5.2, а) состоят из наклонного под углом 15...25° короба 1 с ситами 6 и 8, шарнирно подвешенного к шейкам приводного эксцентрикового вала 7 с дебалансами 5 и опирающегося на пружины 2. Вращение вала передается от электродвигателя 3 через клиноременную передачу 4. При такой подвеске короба материал на его просеивающей поверхности получает круговые колебания с постоянной амплитудой, равной двойному эксцентриситету вала, при любой нагрузке. Эксцентриковые грохоты изготовляют с двумя ситами размером 1500´3750 мм и амплитудой колебаний 3…4,5 мм и частотой колебаний 800... 1400 в минуту.

Инерционные виброгрохоты делятся на инерционные наклонные (угол наклона сит 10...25°) и инерционные горизонтальные.

Рис. 5.2. Схемы плоских грохотов:
а – эксцентриковый; б – инерционный наклонный; в, г – инерционный горизонтальный

Инерционный наклонный виброгрохот (рис. 5.2, б) имеет приводной механизм, представляющий собой вал 6 с дебалансами 5, опертый на два подшипника, корпуса которых укреплены в стенках короба 1. Короб с ситами 7 и 8 опирается на основание через упругие связи 2.

Форма колебаний зависит от расположения неуравновешенных масс и способа подвески короба. Они могут быть круговыми, эллиптическими или прямолинейными (грохоты с пластинчатыми рессорами). Наиболее эффективны грохоты на пружинных опорах. Регулирование амплитуды колебаний достигается сменными дебалансами. В отличие от эксцентриковых в инерционных грохотах с увеличением нагрузки амплитуда колебания короба уменьшается автоматически, защищая конструкцию от перегрузок. Такие грохоты применяют для тяжелых условий работы при товарном грохочении, а также для предварительного грохочения крупнокусковых материалов перед первичным дроблением (вместо сит устанавливают колосниковые решетки в один ярус). Размеры просеивающей поверхности сит 1750×1450 мм, частота вращения вала вибратора порядка 800 мин^–1, амплитуда колебаний 3,7...4,5 мм.

Эффективное сортирование достигается с вибраторами направленного действия (рис. 5.2, в, г).

Инерционный горизонтальный виброгрохот имеет вибровозбудитель прямолинейно направленных колебаний 9, смонтированный на коробе с ситами. Возбудитель состоит из двух параллельно расположенных дебалансных валов, синхронно вращающихся
в разных направлениях. Возмущающая сила такого вибратора направлена по прямой перпендикулярной линии, соединяющей центры дебалансных валов, и изменяется по закону синуса. Угол действия между возмущающей силой и плоскостью сит составляет 35…45°. Короб с ситами опирается на основание через вертикальные пружины. Размеры просеивающей поверхности сит таких грохотов 1250´3000 мм, частота колебаний 500…700 в минуту, амплитуда колебаний 8...12 мм, мощность приводного двигателя
5,5 кВт. Горизонтальные виброгрохоты с направленными колебаниями обеспечивают большую удельную производительность
и лучшее качество грохочения по сравнению с наклонными
(рис. 5.3).

Техническая производительность грохотов, м³/ч, при промежуточном и окончательном грохочении

(5.1)

где q – удельная производительность 1 м² сита для определенного размера отверстий (для отверстий от 5 до 70 мм изменяется от 12 до 82 м³/ч); А – площадь сита, м²; k₁– коэффициент, учитывающий угол наклона грохота (для горизонтальных грохотов с направленными колебаниями k₁= 1,0; для наклонных при угле наклона 9...15° – 0,45...1,54); k₂– коэффициент, учитывающий содержание в данном продукте зе­рен нижнего класса (при содержании 10...90% соответственно 0,58...1,25); k₃– коэффициент, учитывающий содержание в нижнем классе зерен меньше 1/2 размера отверстий сит (при содержании 10…90 % соответственно 0,63…1,37).