close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка и исследование многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства для мелкодисперсного измельчения труднообогатимых руд.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Мещеряков Иван Валерьевич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО
ГИДРОУДАРНО-КАВИТАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ
МЕЛКОДИСПЕРСНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ТРУДНООБОГАТИМЫХ РУД
05.05.06 – Горные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Красноярск – 2014
2
Работа выполнена на кафедре «Горные машины и комплексы»
ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».
Научный руководитель:
Анушенков Александр Николаевич
доктор технических наук, профессор,
заведующий
кафедрой
подземной
разработки
месторождений
полезных
ископаемых, ФГАОУ
ВПО «Сибирский
федеральный университет»
Официальные оппоненты:
Лагунова Юлия Андреевна
доктор технических наук, профессор
кафедры горных машин и комплексов,
ФГБОУ
ВПО
«Уральский
государственный горный университет»;
Овчинников Николай Петрович
кандидат технических наук, старший
преподаватель кафедры горных машин
ФГАОУ
ВПО
«Северо-Восточный
федеральный
университет им. М.К.
Аммосова»
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального
образования
«Национальный
минерально-сырьевой
университет «Горный», г. Санкт-Петербург
Защита состоится 27 ноября 2014 г. в 12:00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.073.04 при ФГБОУ ВПО «Иркутский
государственный технический университет» по адресу:
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
«Иркутский государственный технический университет» и на сайте
http://www.istu.edu/structure/54/4393/
Автореферат диссертации разослан: 24.09.2014.
Отзывы на автореферат (два экземпляра, заверенные организацией)
направлять в адрес диссертационного совета:
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Д 212.073.04
e-mail: ds04@istu.edu; факс: (3952) 40-58-69
Учёный секретарь
диссертационного совета
С.Ю. Красноштанов
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Ухудшение качества
добываемых руд, растущие потребности в ископаемом сырье, проблемы
экологии и энергосбережения неизбежно привели к тому, что в мировой и
отечественной практике сложились тенденции необходимости повышения
дисперсности перерабатываемого материала в технологиях получения
конечного продукта из труднообогатимых руд и хвостов обогащения.
Труднообогатимые
руды
имеют
сложную
текстуру
и
тонкозернистую структуру. Толщина каждого монослоя, входящего в
состав руды минералов, измеряется единицами микрометра. Разделить
такие сростки на мономинеральные зерна с целью максимального
вскрытия полезного компонента практически невозможно даже при
тонком помоле. В существующем горнорудном производстве для
переработки таких руд самые высокие энергозатраты приходятся на
процессы
тонкого
и
сверхтонкого
измельчения при
малой
производительности традиционного оборудования.
Таким образом, сдерживающим фактором развития глубокой
переработки труднообогатимых руд и полного извлечения полезных
компонентов из хвостов обогащения при переводе забалансовых руд в
разряд технологически перерабатываемых является низкая эффективность
вскрытия измельчаемого материала на уровне дисперсности десятков и
менее микрометров. В связи с этим разработка эффективного устройства
для получения мелкодисперсных фракций перерабатываемого продукта,
отвечающего современным технологическим требованиям, является
актуальной научной и практической задачей.
Исследования, положенные в основу диссертационной работы,
выполнены в рамках проекта федеральной целевой программы «Изучение
высвобождения монацита в необогатимых чуктуконских рудах при
гидромеханической
и
химической
активации
и
разработка
принципиальной технологической схемы их переработки» в период 20122013 гг. в Федеральном государственном бюджетном учреждение науки
Институт химии и химической технологии Сибирского отделения
Российской академии наук совместно с ФГАОУ ВПО «Сибирский
федеральный университет». Теоретическая и экспериментальная части
работы выполнены на кафедре «Горные машины и комплексы» ФГАОУ
ВПО «Сибирский Федеральный Университет». Внедренческая часть
выполнена в ОАО «Сибцветметниипроект» и ФГАОУ ВПО «Сибирский
федеральный университет».
Идея работы заключается в использовании импульсного
гидроударно-кавитационного
воздействия
для
мелкодисперсного
измельчения материалов.
Цель работы состоит в повышении эффективности вскрытия
полезного компонента перерабатываемых труднообогатимых руд при
4
мелкодисперсном измельчении фракций в жидкой среде.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие
задачи:
1. Обосновать возможность применения импульсного гидроударнокавитационного воздействия для получения мелкодисперсных фракций
измельчаемого материала.
2. Провести теоретическое исследование конструктивных решений
импульсного гидроударно-кавитационного устройства и создать его
лабораторный вариант.
3. Исследовать параметры измельчения материала с помощью
лабораторного импульсного гидроударно-кавитационного устройства.
4. На основе полученных данных разработать и создать устройство
для управляемого мелкодисперсного измельчения материалов.
5. Построить лабораторный стенд разработанного устройства для
исследования его характеристик.
6. Исследовать параметры разработанного устройства при
мелкодисперсном измельчении материала.
7. Разработать методику расчёта конструктивных параметров
созданного устройства для получения заданного фракционного состава
измельчаемого в нём материала.
8. Провести апробацию разработанного образца устройства.
Методы исследования включают обобщение и анализ научнотехнических публикаций по вопросам мелкодисперсного измельчения
материалов, лабораторные и натурные экспериментальные исследования,
обработку экспериментальных данных с применением аппарата
математической статистики и использованием вычислительных и
графических пакетов современных программных приложений ЭВМ.
Объект исследования – устройства для мелкодисперсного
измельчения материалов.
Предмет исследования – функциональные зависимости и
параметры, характеризующие процесс мелкодисперсного измельчения
материала при импульсном гидроударно-кавитационном воздействии.
Достоверность научных положений подтверждается проведением
значительного объёма лабораторных опытов и экспериментов с
использованием современного исследовательского инструментария,
сходимостью
результатов
расчётных
данных
с
полученными
экспериментальными значениями, получением патента на полезную
модель и апробацией результатов исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- научно обосновано применение многоступенчатой конструкции
разработанного устройства для получения мелкодисперсных фракций
измельчаемого материала за несколько циклов обработки или в проточном
режиме;
5
- установлены зависимости параметров мелкодисперсного
измельчения частиц перерабатываемого материала от частоты оборотов
роторов и количества рабочих пар статор-ротор разработанного
устройства, а так же времени обработки;
определены
оптимальные
параметры
мелкодисперсного
измельчения труднообогатимых материалов в жидкой среде при
импульсном гидроударно-кавитационном воздействии.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- сконструировано и изготовлено импульсное гидроударнокавитационное
устройство
для
мелкодисперсного
измельчения
материалов;
- построен лабораторный стенд для изучения параметров
мелкодисперсного измельчения материалов при управляемом импульсном
гидроударно-кавитационном воздействии;
- разработана методика расчёта конструктивных параметров
созданного устройства для получения заданного мелкодисперсного
фракционного состава перерабатываемого в нём материала.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Мелкодисперсное измельчение обеспечивается импульсным
гидроударно-кавитационным воздействием на частицы перерабатываемого
материала в жидкой среде.
2. Разрушающие гидроударно-кавитационные импульсы в
измельчающем устройстве генерируются последовательным набором
рабочих пар статор-ротор, которые обеспечивают прирост межпарного
напора и давления, сил гидроударных импульсов и поддержание
непрерывного устойчивого уровня кавитации в обрабатываемой смеси.
3. Содержание расчётной мелкодисперсной фракции достигаемой
степени измельчения перерабатываемого материала обеспечивается путём
изменения частоты гидроударных импульсов, межпарного напора, времени
обработки, количества и конструкции рабочих ступеней разработанного
устройства.
Личный вклад автора состоит в:
- формировании идеи и цели работы;
- постановке задач и их решении;
- анализе современного состояния теории и практики в области
устройств для мелкодисперсного измельчения материалов;
- разработке конструкции статора и ротора рабочих пар ступеней
импульсного
гидроударно-кавитационного
устройства
для
мелкодисперсного измельчения материалов;
- проведении лабораторных исследований;
- определении основных параметров мелкодисперсного измельчения
труднообогатимого материала в разработанном устройстве в зависимости
от времени и частоты обработки;
6
- разработке методики расчёта конструктивных параметров
созданного устройства для получения заданного фракционного состава
измельчаемого в нём материала в зависимости от частоты гидроударных
импульсов, межпарного напора, времени обработки, количества и
конструктивных особенностей рабочих ступеней устройства;
- апробировании разработанного образца устройства.
Апробация работы. Результаты исследований и основные
материалы диссертации докладывались на международной конференциивыставке «VII Сибирский промышленный форум», Красноярск, 2012 г.;
всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и
молодых ученых «Молодёжь и наука», Красноярск, 2010-2014 гг.; V
международном конгрессе-выставке «Цветные металлы», Красноярск,
2013 г.; XVIII всероссийской научной конференции студентов, аспирантов
и молодых ученых «Наука и молодёжь: проблемы, поиски, решения»,
Новокузнецк, 2014 г.; в СМИ («Интерэнерго» 05.06.2012 г.;
«Промышленность и энергетика России» 06.06.2012 г. и др.).
Реализация
работы.
Разработанная
методика
расчёта
конструктивных параметров созданного устройства для получения
заданного фракционного состава измельчаемого в нём материала прошла
лабораторную проверку в ФГАОУ ВПО «Сибирский Федеральный
Университет» и внедрена в ОАО «Сибцветметниипроект». Результаты
выполненной работы используются в учебном процессе кафедры «Горные
машины и комплексы» (лабораторные и практические занятия, раздел
курса лекций по конструкции гидромашин) при подготовке студентов
специальности «Горное дело», специализация «Горные машины и
оборудование» в дисциплинах «Гидромеханика» и «Гидро- и
пневмопривод».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ,
в том числе 3 в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки
России, получен патент РФ на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит
из введения, пяти глав и выводов по работе, изложена на 182 страницах
машинописного текста, включает 40 таблиц, 146 рисунков, источников
литературы из 117-ти наименований, трёх приложений на 27 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы идея,
цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность, а также
научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен аналитический обзор состояния теории и
практики, проблем и задач в области устройств для мелкодисперсного
измельчения материалов.
Ограниченность конструкций стандартных мельниц, применяемых в
7
горно-перерабатывающей промышленности, даже с применением особых
режимов измельчения, классификации и большого времени помола, не
позволяют достичь требуемой для вскрытия полезного компонента
степени измельчения. Поэтому для труднообогатимых руд и хвостов
обогащения наиболее эффективным будет применение специальных
устройств для мелкодисперсного измельчения с целью доводки продукта
до требуемой степени вскрытия при подготовке забалансовых руд в разряд
технологически перерабатываемых [16]. При достижении таких условий
измельчения можно использовать базовые гравитационные схемы
обогащения.
В процессе сравнительного анализа выявлено, что из рассмотренных
устройств для мелкодисперсного измельчения материалов необходимыми
характеристиками обладают гидродинамические роторные аппараты с
периодическим прерыванием потока. Внедрению таких устройств в
промышленную практику способствовали результаты исследований В.И.
Биглера, М.А. Балабудкина, Л.Г. Базадзе, Г.А. Гарбузовой, А.К. Звездина,
С.К. Карепанова, Б.Г. Новицкого, В.А. Плотникова, Р.Г. Саруханова, В.Н.
Фридмана, В.Ф. Юдаева и многих других советских и российских учёных,
работы которых в обсуждаемой области получили известность, как в
нашей стране, так и за рубежом.
Теоретический обзор показал, что из гидродинамических способов,
применяемых для мелкодисперсного измельчения, наиболее эффективным
является импульсное гидроударно-кавитационное воздействие, благодаря
его особенности разрушать материал на разрыв. В рамках патентного
обзора гидроударно-кавитационных устройств, в которых реализуется
импульсный способ разрушения материала, рассмотрены наиболее
подходящие
конструкции,
которые
можно
использовать
для
мелкодисперсного измельчения материалов в жидкой среде.
Во второй главе проанализирована современная теоретическая база
по мелкодисперсному измельчению, необходимая для создания
эффективной конструкции импульсного гидроударно-кавитационного
устройства для мелкодисперсного измельчения перерабатываемого
материала. Выполнено обоснование и исследование конструктивных
особенностей разрабатываемого устройства.
В решениях задач мелкодисперсного измельчения материалов
перспективным направлением является использование импульсного
воздействия в жидкостях. Процессы измельчения с помощью акустической
энергии в диапазоне от десятков килогерц до гиперзвуковых частот
осуществляется через явления гидроудара и кавитации. Под воздействием
акустической энергии при пластической деформации материала
происходит его расщепление.
В рамках теоретического обоснования и исследования предлагаемых
конструктивных
решений
разрабатываемого
многоступенчатого
8
гидроударно-кавитационного устройства (МГКУ) сформулировано
утверждение, что задача по устранению технологических и
конструктивных недостатков существующих устройств и механизмов для
мелкодисперсного измельчения материалов решается путём применения
предлагаемой конструкции [4]. МГКУ (рисунок 1) содержит входной
патрубок 1 и выходной патрубок 2, корпус 3, внутри которого установлены
роторы 4, 5, 6, 7 и статоры 8, 9, 10, 11, торцевые крышки 12, вал 13. Роторы
и статоры представляют собой рабочие пары «статор-ротор» с отверстиями
в боковых стенках и рабочими камерами 14.
Рисунок 2 – Общая схема
установки на базе МГКУ
Рисунок 1 – Предлагаемое МГКУ
Из рециркуляционной ёмкости 1 (рисунок 2) предварительно
подготовленный материал через входной патрубок поступает в МГКУ 2.
Обрабатываемая смесь, находящаяся в рабочей камере, разгоняется в
направлении отверстий ротора. В момент перекрытия кольцом статора
отверстий ротора скорость движения потока резко снижается и
прерывается, происходит гидравлический удар, сжимающие усилия через
жидкость передаются на частицы твёрдых веществ, деформируя их. При
совмещении отверстий ротора и статора нагрузка с частицы снимается, и
она испытывает деформацию растяжения. При выходе из отверстия ротора
материал попадает в поле кавитационных импульсов, образованных
расширением канала потока. Под воздействием схлопывающихся
пузырьков жидкости разрушаемая частица получает дополнительное
разрушение от знакопеременных нагрузок. Далее через выходной патрубок
готовый продукт поступает в накопительную ёмкость 3 [5].
Последовательно расположенные и однонаправленные на осевом валу
ступени устройства при движении потока создают приращение давления и
импульсных частот, близких к ультразвуку, от входного патрубка к
выходному. Это позволит получить на выходе каждой из последующих
ступеней более высокую степень мелкодисперсного измельчения
перерабатываемого материала в проточном режиме [18].
На эффективную работу МГКУ оказывает влияние ряд параметров:
число, форма и размер отверстий в статоре и роторе, пропускная
способность ступени, частота вращения ротора, исходный размер
поступающей на измельчение частицы, давление гидроудара,
интенсивность диффузионного обмена между воздушной и жидкой
средами, достаточность импульсов для резонансного разрушения частицы,
частота на разряжение в статоре и сжатие в роторе [11, 12].
9
Независимо от формы отверстий статора и ротора, скорость
изменения площади в заключительный момент прерывания потока
определяется наименьшей из высот отверстий и скоростью ротора [7]. Рост
зазора между ротором и статором ступеней МГКУ сокращает пределы
кавитационного режима работы [19]. При зазоре размером 810-3 мм между
ротором и статором мощность, затрачиваемая на вращение ротора
минимальна [9]. При увеличении или уменьшении зазора от данного
значения возрастает диссипация энергии, а благодаря процессам трения
происходит генерирование тепла и как следствие нагрев обрабатываемого
материала [13]. Разработанная гидродинамическая модель течения
обрабатываемой смеси в отверстиях ротора и статора позволяет
определить оптимальные режимы работы МГКУ [10].
На основании проведённого исследования конструктивных решений
можно сделать вывод, что предлагаемое МГКУ позволит проводить
мелкодисперсное измельчение перерабатываемого материала при
сокращении энергозатрат и времени обработки. Применение данной
конструкции при заданной крупности обеспечит измельчение материала в
проточном режиме. Благодаря комплексной реализации физикохимических процессов, таких как мелкодисперсное измельчение,
смешение, активация и гомогенизация, МГКУ подходит для решения
целого ряда промышленных задач [1, 2, 17].
В третьей главе представлены результаты предварительных
исследований параметров измельчения труднообогатимой сульфидной
медно-никелевой руды Норильского ГМК крупностью фракций 1 мм и
менее на основе импульсного гидроударно-кавитационного воздействия.
Для его осуществления применялось гидроударно-кавитационное
устройство (ГКУ). Результаты исследований послужили прототипом для
разработки МГКУ.
Для подтверждения теоретических исследований были изучены
особенности импульсного гидроударно-кавитационного воздействия ГКУ
для получения мелкодисперсных фракций перерабатываемого материала.
В результате анализа экспериментальных данных установлено, что для
увеличения степени мелкодисперсного измельчения необходимо не только
поднимать частоту оборотов ротора, но и изменить конструкцию самого
устройства.
Конструктивно
устройство
предложено
выполнить
многоступенчатым, и, при проектировании его ступеней, предусмотреть
конструкцию рабочих пар статор-ротор, которая обеспечит управляемое и
эффективное мелкодисперсное измельчение материалов. Это позволит
получать конечный продукт за несколько циклов обработки или в
проточном режиме, что обеспечит снижение энергозатрат и времени
обработки [6]. Результаты исследований ГКУ послужили так же
фундаментальной базой при проектировании МГКУ, так как предлагаемая
конструкция не позволяет в полной мере воспользоваться типовыми
10
гидравлическими формулами для расчёта конструктивных параметров.
При конструировании МГКУ необходимо обеспечить неразрывность
и сплошность потока смеси как при входе и выходе из устройства, так и
при переходе из одной ступени в другую [14, 15]. С этой целью
конструкции роторов ступеней необходимо изготовить полностью
закрытыми. Для создания эффекта гидроударных импульсов и
кавитационных явлений с торцевой стороны роторов и статоров требуется
выполнить отверстия определённого диаметра [3]. Роторы ступеней имеют
идентичные конструкции и отличаются друг от друга количеством и
размером отверстий. На рисунке 3 представлен разрез спроектированного
ротора. Трёхмерная модель ротора показана на рисунке 4.
Рисунок 3 – Разрез ротора
Рисунок 4 – Трёхмерная модель ротора
Статоры ступеней МГКУ имеют одинаковые конструкции и
отличаются друг от друга количеством и размером отверстий.
Проектируемый статор и его разрез представлены на рисунке 5.
Трёхмерная модель статора, показана на рисунке 6.
Рисунок 5 – Статор и его разрез
Рисунок 6 – Трёхмерная модель статора
Разрез трёхступенчатого гидроударно-кавитационного устройства
вместе с соединительной муфтой показан на рисунке 7.
Рисунок 7 – Разрез МГКУ
Результатом расчёта и проектирования основных деталей и узлов
является МГКУ в сборе с электроприводом на опоре (рисунок 8).
11
Рисунок 8 – МГКУ в сборе
Проверочные расчёты подтвердили, что проектируемые детали
имеют достаточную гидродинамическую устойчивость и прочность.
Заключительным этапом конструирования стало изготовление
основных узлов и деталей МГКУ. Изготовлены конструкции трёх
идентичных роторов внешним диаметром 150 мм. В роторах
предусмотрены пазы для крепления на валу с помощью шпоночного
соединения. В торцевой части ротора первой ступени выполнено 68
отверстий диаметром 5 мм, второй - 106 отверстий диаметром 4 мм и
третей – 188 отверстий диаметром 3 мм. Ротор ступени представлен на
рисунке 9. Для комплектования рабочих пар изготовлены конструкции
трёх идентичных статоров. Количество и размер отверстий в торцевой
части статора совпадает с количеством и размером отверстий роторов
соответствующей ступени. Статор ступени представлен на рисунке 10.
Рисунок 9 – Ротор ступени
Рисунок 10 – Статор ступени
Смонтированные ротор и статор представляют собой рабочую пару
ступени (рисунок 11). Результатом компоновки узлов и деталей является
изготовленное МГКУ для мелкодисперсного измельчения материалов в
жидкой среде (рисунок 12).
Рисунок 11 – Рабочая пара
Рисунок 12 – Изготовленное МГКУ для
статор-ротор ступени
мелкодисперсного измельчения
В четвёртой главе выполнено описание разработки и создания
лабораторного стенда для исследования характеристик МГКУ, а так же
12
изучения с его помощью параметров измельчения перерабатываемого
материала.
Проектируемый лабораторный стенд для исследования МГКУ и
изучения с его помощью параметров мелкодисперсного измельчения
материала в водной среде укомплектован аналоговыми и электронными
измерительными приборами и устройствами. Схема разработанного
многофункционального стенда приведена на рисунке 13.
Рисунок 13 – Схема лабораторного стенда для исследования МГКУ:
1 – МГКУ; 2 – запорный вентиль; 3 – патрубки отбора проб; 4 – вентили;
5 – частотный преобразователь; 6 – амперметр; 7 – ваттметр; 8 – тахометр;
9 – расходомер ультразвуковой; 10 – манометры электронные;
11 – вакуумметры электронные; 12 – расходомеры трёхлучевые;
13 – кавитометры; 14 – поточный плотномер; 15 – термометр электронный
Построенный лабораторный стенд для исследования МГКУ и
изучения с его помощью параметров мелкодисперсного измельчения
перерабатываемого материала показан на рисунке 14.
Рисунок 14 – Построенный лабораторный стенд для исследования МГКУ и
изучения с его помощью параметров мелкодисперсного измельчения
13
Лабораторные исследования МГКУ проводились в три этапа. На
первом этапе определены основные параметры МГКУ, а также
необходимая концентрация компонентов смеси воды и труднообогатимой
сульфидной медно-никелевой руды Норильского ГМК крупностью
фракций 1 мм и менее, которая прошла предварительную обработку на
конусной дробилке. На втором этапе определены фактические напорные
характеристики ступеней МГКУ. При проведении третьего этапа
определены следующие характерные зависимости от времени и частоты
обработки: температуры и плотности смеси; силы тока и мощности на валу
электропривода; напора и давления ступеней; скорости течения потока и
силы гидроударных импульсов ступеней; уровня кавитации потока;
степени измельчения материала и количества измельчённых частиц.
Исследуемые параметры снимались одновременно для каждой
ступени. Значения с регистрирующих приборов и отборы проб делались с
1 по 12 минуту. Содержание измельчаемого материала в смеси с водой, как
и при эксперименте с использованием ГКУ, составило 27,4 %. Для каждого
следующего эксперимента подготавливалась и заливалась новая смесь, в
которой гранулометрический состав фракций и их процентное содержание
оставались неизменными. Плотность смеси при 20 oC составила 1115 кг/м3.
Рабочие параметры лабораторного стенда представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Параметры лабораторного стенда для исследования МГКУ
Наименование показателя
частота вращения роторов, с-1
производительность МГКУ, м3/ч
время полной циркуляции, с
средняя скорость потока, м/с
20
3,4
168,8
1,0
Значение показателя
30
40
45
50
5,0
6,7
7,6
8,3
112,6 84,4 75,0 68,7
1,4
1,9
2,2
2,4
55
9,2
61,4
2,6
60
10,1
56,3
2,9
Для оценки энергоёмкости МГКУ, была измерена сила тока и
мощность в обмотках статора электропривода. Влияние времени и частоты
обработки на силу тока электропривода представлено на рисунке 15.
Рисунок 15 – Изменение силы тока электропривода
В ходе эксперимента определено, что момент возрастания силы тока
и мощности (для частоты вращения 60 с-1 более 70 А и 40 кВт
соответственно), а затем их планомерное уменьшение приходится на
первые минуты обработки, что обусловлено интенсивным переходом
грубых фракций измельчаемого материала в более мелкие классы.
14
На основании показаний манометров и вакуумметров в зависимости
от частоты вращения роторов, вычислены напор и давление ступеней
МГКУ. Напорные характеристики ступеней МГКУ при частоте вращения
60 с-1 приведены на рисунке 16.
Рисунок 16 – Напорные характеристики ступеней
При исследовании зависимостей изменения напора и давления
ступеней МГКУ от времени и частоты обработки выявлено, что с течением
времени в момент регистрации максимального значения силы тока и
мощности, эти параметры имеют наибольшее значение. В момент после
запуска устройства, зафиксирован максимальный напор 131 м и давление
1,4 МПа ступеней. Величина создаваемого ступенью напора зависит от
производительности и частоты вращения МГКУ. Прирост напора и
давления в зависимости от частоты вращения устройства на 12 минуте
эксперимента представлены соответственно на рисунках 17 и 18.
Рисунок 17 – Напор ступеней
Рисунок 18 – Давление ступеней
Из анализа данных следует, что последующая ступень обеспечивает
равнозначный прирост напора и давления благодаря их одинаковой
пропускной способности и последовательной компоновки на валу. С
течением времени обработки напор и давление по ступеням изменяются
незначительно.
Дополнительное
увеличение
этих
параметров
обеспечивается ростом частоты вращения роторов.
Для определения силы гидроударных импульсов используется
формула Жуковского, которая в общем виде не учитывает конструктивные
особенности МГКУ. Необходимо сделать поправку на частоту
гидроударных импульсов и частоту вращения. Отсюда, сила гидроударных
импульсов для МГКУ вычислится по следующему выражению:
P = (ρ·(V1 - V0)·c·f0,5)/n, Па
(1)
где f – частота гидроударных импульсов, Гц; n – частота вращения, Гц;
15
ρ – плотность смеси, кг/м3; V1 и V0 – скорость течения смеси и после
перекрытия отверстий ротора и статора ступени, м/с (по показаниям
расходомеров); с – скорость распространения звука в смеси, м/с.
Значение силы гидроударных импульсов вычисленное по
выражению (1) в зависимости от частоты вращения устройства на 12
минуте эксперимента приведено на рисунке 19.
Рисунок 19 – Изменение силы гидроударных импульсов
В результате анализа данных определено, что с течением времени
сила гидроударных импульсов по ступеням изменяется не линейно и имеет
наименьшее значение 0,4 МПа в момент регистрации максимального
напора и давления. Последующая ступень обеспечивает большую
величину силы гидроударных импульсов. Дополнительное увеличение
параметра обеспечивается за счёт роста частоты вращения.
При определении влияния частоты вращения и времени работы на
уровень кавитации потока установлено, что с течением времени он
стремится к возрастанию, так как число кавитации уменьшается. В МГКУ
создаётся два устойчивых уровня кавитации с отделением кавитационной
полости от сплошного потока и суперкавитационный. Конструкция первой
ступени позволяет создавать на входе в устройство давление меньше
кавитационного запаса, что обеспечивает самостоятельный приток смеси.
Зарегистрированное кавитометрами изменение числа кавитации в
зависимости от частоты вращения на 12 минуте показаны на рисунке 20.
Рисунок 20 – Изменение числа кавитации
Последующая ступень обеспечивает рост числа кавитации, при этом
уровень кавитации потока смеси падает. Наибольший уровень кавитации
16
создаётся в первой ступени. В процессе обработки число кавитации
варьируется от 0,01 до 0,4. Разработанная конструкция МГКУ
обеспечивает непрерывный кавитационный режим в потоке смеси.
Для исследования степени измельчения труднообогатимого
материала предварительно подготовленные фракции были отправлены на
ситовый анализ. Результаты исследования грансостава исходных (отсева) и
измельчённых фракций материала представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Гранулометрические данные измельчаемых фракций
Объем частицы,
м3·10-13
+1
27579,7
-1+0,5
3025,0
-0,5+0,2
46,3
-0,2+0,1
24,2
-0,1+0,045
0,7
-0,045
0,4
Сито, мм
Масса частицы,
кг·10-10
44127,6
4840,1
74,0
38,7
1,1
0,6
Исходный
грансостав, %
21,4
48,0
26,3
3,7
0,3
0,3
Грансостав при 60 с-1
на 12 мин. обр., %
12,8
25,7
61,5
Изменение степени измельчения перерабатываемого материала при
частоте вращения 60 с-1 с течением времени представлено на рисунке 21.
Рисунок 21 – Изменение степени измельчения материала
В результате ситового анализа отобранных проб смеси установлено,
что с течением времени обработки происходит мелкодисперсное
измельчение материала, при этом грубые фракции материала переходят в
следующие классы крупности. Последующая ступень обеспечивает более
эффективное измельчение частиц материала, оказывая при этом
деструктивное воздействие на несколько фракционных классов.
Увеличение частоты вращения обеспечивает дополнительное измельчение
частиц при сокращении времени обработки. Наибольшая степень
измельчения достигается при частоте вращения 60 с-1 и обеспечивает
17
содержание фракции «-0,045» мм на 12 минуте более 61 %. При этом
эффективность обработки после 10 минуты снижается. Регулирование
частоты вращения позволяет управлять гранулометрическим составом
конечного продукта в зависимости от требуемой степени измельчения.
Грубые фракции разрушается уже при низких оборотах. Более тонкие
фракции накапливаются хаотично, так как увеличение их количества
зависит от случайной величины тонины, на которую разобьется частица.
При исследовании зависимости количества измельчённых частиц от
частоты вращения и времени обработки смеси установлено, что для
каждой частоты вращения количество частиц возрастает, как с
увеличением частоты вращения, так и с течением времени. Каждая
последующая ступень МГКУ обеспечивает прирост количества
измельчённых частиц. Наибольшее количество частиц содержится во
фракциях «-0,1+0,045» мм и «-0,045» мм. В процессе обработки
количество частиц в этих фракциях растёт. Фракция «-0,045» мм на 12
минуте обработки содержит максимальное количество частиц.
В пятой главе предложена методика расчёта конструктивных
параметров разработанного МГКУ для получения заданного фракционного
состава измельчаемого в нём материала. Определена техникоэкономическая эффективность МГКУ.
Одним из критериев эффективности работы МГКУ является
содержание мелкодисперсной фракции «-0,045» мм материала. Для
прогнозирования содержания фракции необходимо оценить её прирост в
ступенях с течением времени. При этом следует предварительно
вычислить напор, что позволит учесть влияние количества и
конструктивных особенностей ступеней. Так как ступени обеспечивают
равнозначный прирост напора, то их напорные характеристики можно
выразить зависимостью, которая позволит вычислить напор исходя из
производительности и частоты вращения. При изучении возможных
режимов работы для разных частот вращения определено, что выражение
фактического напора МГКУ можно привести к общему виду:
H = k1·n2 + k2·n·Q + k3·Q,
(2)
где k1, k2 и k3 – коэффициенты, постоянные для МГКУ; n – частота
вращения МГКУ, с-1; Q – производительность (подача) устройства, м3/ч.
В результате анализа фактических напорных характеристик
установлены значения постоянных коэффициентов, приходящиеся на одну
ступень: k1 = 0,01133, k2 = -0,00046 и k3 = -0,00383. Запишем выражение (2)
для МГКУ с m количеством ступеней:
H = 0,01133·m·n2 – 0,00046·m·n·Q – 0,00383·m·Q,
(3)
где m – номер ступени МГКУ.
При исследовании влияния времени и частоты вращения на степень
измельчения фракции «-0,045» мм выявлено, что МГКУ обеспечивает
прирост фракции от ступени к ступени и с течением времени (таблица 3).
18
Таблица 3 – Содержание фракции «-0,045» мм рудного материала, %
Ступень МГКУ
первая
вторая
третья
Частота вращения, с-1
20
60
20
60
20
60
Отсев
1 мин.
9,4
28,2
10,3
29,0
11,2
29,9
0,3
6 мин.
24,0
41,8
24,1
42,0
24,3
42,2
12 мин.
33,7
61,0
33,7
61,2
33,8
61,5
Представленные данные имеют не линейный характер изменения, и
определить их взаимосвязь с частотой вращения, производительностью
МГКУ, количеством его ступеней и их конструктивными особенностями
возможно только эмпирическим путём. К конструктивным особенностям
ступеней относятся внешний диаметр ротора рабочей пары, и количество
отверстий в его торцевой части.
Для определения изменения содержания фракции «-0,045» мм в
процентном соотношении с течением времени необходимо знать исходное
содержание фракции в общем объёме до переработки материала. При
многократной математико-статистической обработке экспериментальных
данных влияния конструкции ступени, времени и частоты вращения на
содержание фракции «-0,045» мм методом моделирования структурных
уравнений и с учётом формулы (3) получено выражение для определения
коэффициента прироста фракции Кпр:
(
)
(
)
(
)
,
(4)
где Н – напор МГКУ, м; Н0 – дополнительный напор на входе в МГКУ,
м; t – время обработки, с; d – диаметр ротора ступени, м; n – частота
вращения с-1; f – частота гидроударных импульсов, с-1.
В результате сравнительного анализа фактических и вычисленных
данных по выражению (4) установлено, что предельное содержание
фракции «-0,045» мм составляет не более 85 % от общего содержания. Это
объясняется конструктивными особенностями МГКУ. Погрешность
расчётного метода не превышает 5 %, что находится в рамках допустимых
пределов [8].
Таким образом, содержание расчётной мелкодисперсной фракции
достигаемой степени измельчения перерабатываемого материала
обеспечивается путём изменения частоты гидроударных импульсов,
межпарного напора, времени обработки, количества и конструкции
рабочих ступеней разработанного МГКУ и описывается зависимостью:
Sоцен. =
(
–
–
(
)
)
(
)
( - )
·Sперв., % (5)
где Sоцен. – оценочное содержание расчётной фракции после обработки, %;
nотв. – количество отверстий в роторе ступени, шт.; Sперв. – первоначальное
содержание расчётной фракции до обработки, %.
19
В диссертационной работе предлагается заменить существующие
ГКУ на разработанный образец МГКУ в технологической схеме
переработки чуктуконских труднообогатимых руд. Рассчитанные
показатели экономической эффективности внедрения МГКУ подтвердили,
что реализация данного проекта целесообразна и экономически
эффективна. При общих капитальных затратах 176,4 тыс. руб. внутренняя
норма доходности составит 33,7 %, а индекс доходности 5,6. Простой срок
окупаемости проекта составит 5 лет, при этом создаётся дополнительная
возможность по увеличению производительности существующей
технологической линии.
Получены акты о внедрении и использовании результатов работы и
акт лабораторных исследований.
В заключительной части сформулированы основные результаты
работы, подтверждающие научные положения.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Диссертация является законченной научно-квалификационной
работой, в которой решена актуальная научная и практическая задача по
разработке эффективного устройства для мелкодисперсного измельчения
на основе импульсного гидроударно-кавитационного воздействия на
перерабатываемый материал.
Основные научные и практические результаты работы заключаются
в следующем:
1. Выполнено обоснование возможности и целесообразности
применения импульсного гидроударно-кавитационного воздействия для
получения мелкодисперсных фракций измельчаемого материала.
2. Проведены теоретические и лабораторные исследования
конструктивных решений импульсного гидроударно-кавитационного
устройства, которые обеспечивают мелкодисперсное измельчение
перерабатываемого материала в жидкой среде.
3. Разработано и изготовлено импульсное многоступенчатое
гидроударно-кавитационное
устройство,
которое
обеспечивает
эффективное
и
управляемое
мелкодисперсное
измельчение
перерабатываемого материала.
4. Установлено, что в процессе переработки труднообогатимой руды
в разработанном устройстве каждая его последующая ступень
обеспечивает более эффективное мелкодисперсное измельчение твёрдых
частиц в жидкой среде.
5. Разработана методика расчёта конструктивных параметров
созданного устройства для получения заданного фракционного состава
перерабатываемого в нём материала, которая позволяет определить
содержание расчётной мелкодисперсной фракции достигаемой степени
измельчения перерабатываемого материала в зависимости от частоты
20
гидроударных импульсов, межпарного напора, времени обработки,
количества и конструкции рабочих ступеней.
6. Проведена апробация разработанного образца устройства, что
подтверждается актами о внедрении и использовании результатов работы
и актом лабораторных исследований. Рассчитанные показатели
экономической эффективности внедрения разработанного устройства
подтвердили, что реализация проекта целесообразна и экономически
эффективна. При общих затратах 176,4 тыс. руб. простой срок
окупаемости проекта составит 5 лет.
Основные материалы диссертации отражены в следующих работах:
- в изданиях из перечня ВАК РФ:
1. Мещеряков, И.В. Перспективы применения гидроударнокавитационного аппарата в промышленности / И.В. Мещеряков // Журнал
«Вестник ИрГТУ». – Иркутск. - 2013. - № 12. - С. 219-222.
2. Мещеряков, И.В. Применение многоступенчатого гидроударнокавитационного диспергатора проточного типа для транспорта вязкой
нефти / И.В. Мещеряков, А.Н. Анушенков // Маркшейдерия и
недропользование. – Москва. - 2013. - № 2. - С. 55-58.
3. Мещеряков, И.В. Разработка и исследование гидроударнокавитационного аппарата роторного типа / И.В. Мещеряков, А.Н.
Анушенков // Научный журнал «Сибирского федерального университета»
серия «Техника и технологии». – Красноярск. – 2013. - № 7. - С. 786-799.
- патенты РФ:
4. Пат. 115690 Российская Федерация, мпк В 06 В 1/20.
Многоступенчатое гидроударно-кавитационное устройство / Анушенков
А.Н., Мещеряков И.В. Опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13.
- в других изданиях:
5. Анушенков, А.Н. Многоступенчатое гидроударно-кавитационное
устройство / А.Н. Анушенков, И.В. Мещеряков // Научно-практический
журнал «Научный вестник Норильского индустриального института». –
Норильск. - 2013. - № 13. - С. 37-41.
6. Анушенков, А.Н. Многоступенчатое гидроударно-кавитационное
устройство для управляемого процесса активации материалов в процессе
их смешивания, измельчения и гомогенизации / А.Н. Анушенков, И.В.
Мещеряков // Современные технологии освоения минеральных ресурсов. –
Красноярск. - 2012. - № 10. - С. 248-257.
7. Анушенков, А.Н. Основные аспекты расчёта формы поперечного
сечения щелей ротора и статора гидроударно-кавитационного устройства
[Электронный ресурс] / А.Н. Анушенков, И.В. Мещеряков // Молодежь и
наука: сборник материалов VIII Всероссийской научно-технической
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Красноярск. –
21
2012. – Режим доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2012/thesis/s008/s008019.pdf.
8. Анушенков, А.Н. Прогнозирование изменения крупности
фракционного состава исходного материала в рабочей ступени
многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства / А.Н.
Анушенков, И.В. Мещеряков // Современные технологии освоения
минеральных ресурсов. – Красноярск. - 2014. - № 12. - С. 67-72.
9. Мещеряков, И.В. Исследование влияния размера зазора между
ротором и статором рабочей ступени на эффективную работу
многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства / И.В.
Мещеряков, А.Н. Анушенков, С.А. Храменко // Современные технологии
освоения минеральных ресурсов. – Красноярск. - 2012. - № 10. - С. 311-318.
10. Мещеряков, И.В. Математическая модель течения рабочей смеси
в щелях ротора и статора многоступенчатого гидроударно-кавитационного
устройства [Электронный ресурс] / И.В. Мещеряков // Молодежь и наука:
сборник материалов Х Всероссийской научно-технической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых. – Красноярск. – 2014. – Режим
доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2014/pdf/d03/s21/s21_010.pdf.
11. Мещеряков, И.В. Исследование щелей ротора и статора
треугольной формы многоступенчатого гидроударно-кавитационного
устройства [Электронный ресурс] / И.В. Мещеряков // Электронный
научный журнал «Исследования технических наук». - 2013. - № 2. – Режим
доступа: http://www.researches-of-technical-sciences.ingnpublishing.com/
archive/2013/release_2_8_april-june/meweryakov_i_v_issledovanie_welej_
rotora_i_statora_treugol_noj_formy_mnogostupenchatogo_gidroudarnokavitacionnogo_ustrojstva.
12.
Мещеряков,
И.В.
Некоторые
принципы
изучения
многоступенчатого гидроударно-кавитационного проточного устройства
[Электронный ресурс] / И.В. Мещеряков // Молодежь и наука: сборник
материалов VIII Всероссийской научно-технической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых. – Красноярск. – 2012. – Режим
доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2012/thesis/s008/s008-014.pdf.
13. Мещеряков, И.В. Некоторые процессы, происходящие в зазоре
между ротором и статором многоступенчатого гидроударногокавитационного устройства [Электронный ресурс] / И.В. Мещеряков //
Электронный научный журнал «Исследования технических наук». - 2012. № 4. - Режим доступа: http://www.researches-of-technical-sciences.ingnpub
lishing.com/files/2012/RTS/esj_rts_2012_4(6)_Mescheryakov_IV.pdf.
14. Мещеряков, И.В. Область применения и принцип действия
многоступенчатого
гидроударно-кавитационного
устройства
[Электронный ресурс] / И.В. Мещеряков // Современная техника и
технологии.
–
2012.
№
4.
–
Режим
доступа:
http://technology.snauka.ru/2012/04/569.
22
15. Мещеряков, И.В. Определение основных параметров
многоступенчатого
гидроударно-кавитационного
устройства
[Электронный ресурс] / И.В. Мещеряков, А.Н. Анушенков // Современная
техника и технологии. – 2012. - № 4. – Режим доступа:
http://technology.snauka.ru/2012/04/568.
16. Мещеряков, И.В. Применение многоступенчатого гидроударнокавитационного устройства для мелкодисперсного измельчения
труднообогатимых руд / И.В. Мещеряков // Наука и молодёжь: проблемы,
поиски, решения: труды Всероссийской научной конференции студентов,
аспирантов и молодых учёных. Технические науки. – Новокузнецк. - 2014.
- № 18. - С. 90-93.
17. Мещеряков, И.В. Применение многоступенчатого проточного
устройства для активации материалов анодной массы в процессе её
производства [Электронный ресурс] / И.В. Мещеряков // Молодежь и
наука: сборник материалов VI Всероссийской научно-технической
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Красноярск. –
2010. – Режим доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2010/pdf/16/71.pdf.
18. Мещеряков, И.В. Проточное устройство для активации
материалов [Электронный ресурс] / И.В. Мещеряков // Современные
научные исследования и инновации. – 2012. - № 4.– Режим доступа:
http://web.snauka.ru/issues/2012/04/11669.
19. Мещеряков, И.В. Расчёт перепада давления в зазоре между
ротором и статором многоступенчатого гидроударно-кавитационного
устройства [Электронный ресурс] / И.В. Мещеряков // Молодежь и наука:
сборник материалов VIII Всероссийской научно-технической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых. – Красноярск. – 2012. – Режим
доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2012/thesis/s008/s008-015.pdf.
Мещеряков Иван Валерьевич
Разработка и исследование многоступенчатого гидроударно-кавитационного
устройства для мелкодисперсного измельчения труднообогатимых руд
Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук
Подписано в печать 22.09.2014. Печать плоская. Формат 60х84/16
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 2178
Отпечатано полиграфическим центром
Библиотечно-издательского комплекса
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а
Тел./факс: (391) 206-26-49; тел. (391) 206-26-67
E-mail: print_sfu@mail.ru; http://lib.sfu-kras.ru
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа