Підвищення ефективності дроблення агломерату шляхом удосконалення конструктивних параметрів одновалкової зубчастої дробарки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний вищий навчальний заклад

"Донецький національний технічний університет"

УДК 531.31.01.85

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

Підвищення ефективності дроблення агломерату шляхом удосконалення конструктивних параметрів одновалкової зубчастої дробарки

Спеціальність 05.05.08 - "Машини для металургійного виробницва"

Левченко Оксана Олександрівна

Донецьк 2009

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Отримання агломерату з розмірами 5-30 мм з вмістом класу 0-5 мм не більше 8-9 % дозволяє підвищити продуктивність доменної печі на 10-14 % та зменшити витрати коксу на плавку на 8-10 %, що є значним потенційним фактором підвищення економічної ефективності виробництва чавуну.

Одновалкові зубчасті дробарки є перспективними в порівнянні з щоковими, оскільки руйнування аглоспіку в них здійснюється переважно шляхом зрізу і розламування з меншими енерговитратами, що відрізняється від умов роздавлювання, які реалізовано в щокових дробарках, де пластичний агломерат може виходити у вигляді розплющених шматків.

Відомі спроби удосконалення одновалкових дробарок силами металургійних виробництв, засновані на інтуїтивних рішеннях, що не мають зв'язку з сучасними методами наукових досліджень. Складні умови дроблення агломерату (висока температура, запиленість, загазованість, неможливість втручання в безперервний процес агломерації) значно ускладнюють проведення наукових досліджень в умовах виробництва. Технологічний процес дроблення агломерату і конструкція одновалкових дробарок з моменту їх впровадження не піддавалися істотному вивченню і удосконаленню. У зв'язку з цим завдання оптимізації конструкції одновалкової дробарки, що застосовується, для стабілізації величини готового агломерату є актуальним.

Враховуючи значний об'єм агломераційного виробництва, підвищення ефективності дроблення і поліпшення фракційного складу готового агломерату, навіть в малих розмірах, дає істотний економічний ефект в масштабах металургійного підприємства.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана за пріоритетним напрямом "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі" відповідно до закону України "Про приоритетні напрямки розвитку науки і техніки на період до 2006 р." від 11.07.2001 № 2623-111 по держбюджетній темі № 148-ДБ “Наукове обґрунтування та оптимізація технологічного процесу дроблення агломерату” (державний реєстраційний номер 0207U008783). Дисертаційна робота виконана за темою "Удосконалення технологічних процесів в області механіки машин і механізмів" відповідно до планів науково-дослідних робіт кафедри "Машини металургійного комплексу і прикладна механіка" Донбаського державного технічного університету (ДонДТУ) у 2005-2008 рр. У вказаних роботах автор брав безпосередню участь як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Підвищення ефективності дроблення агломерату за рахунок його попереднього руйнування, а також поліпшення процесу дроблення шляхом удосконалення конструктивних параметрів одновалкової зубчастої дробарки, що забезпечують створення умов зламу.

Для досягнення зазначеної мети поставлені наступні задачі:

1. Виконати математичне моделювання процесу дроблення агломераційного спіку в одновалковій зубчастій дробарці, що включає:

- структуризацію роботи одновалкової дробарки на основі системного аналізу;

- математичний опис основних етапів руху агломераційного спіку при дробленні (транспортування агломерату на спікальних візках, ковзання по похилій направляючій, визначення можливості перевертання спіку для подання у дробарку більш нагрітою стороною до гори, взаємодія з робочими елементами в процесі дроблення, вивантаження агломерату із зони дроблення).

2. Розробити поліноміальну модель процесу перевертання спіку більш нагрітою стороною до гори і провести оптимізацію її параметрів.

3. Виготовити фізичну модель дробарки та експериментально дослідити її основні параметри.

4. Розробити методику синтезу нових способів і конструкцій для дроблення агломерату.

5. Випробувати вдосконалену конструкцію одновалкової зубчастої дробарки у виробничих умовах та оцінити ефективність впроваджених технічних рішень.

6. Впровадити результати досліджень у виробництво.

Об'єкт дослідження. Механічна система одновалкової зубчастої дробарки.

Предмет дослідження. Конструктивні параметри одновалкової зубчастої дробарки, які здійснюють вплив на руйнування агломераційного спіку. Методи розрахунку подання агломераційного спіку на дроблення.

Методи дослідження. Дослідження процесу подання та дроблення аглоспіку виконано на основі системного підходу та структурного аналізу з використанням основних положень теорії дроблення та методів математичного аналізу, де лінійна швидкість кінця пирога розраховувалася за допомогою комп'ютерного програмування на мові Basik. Математичне моделювання процесу перевертання спіку більш нагрітою стороною до гори виконано на основі теорії планування багатофакторних експериментів, при цьому для оптимізації параметрів застосовано метод квантування незалежних змінних. Експериментальні дослідження фізичної моделі дробарки виконувалися на основі теорії подібності, вимірювання обертаючих моментів на лабораторному стенді здійснювалося із застосуванням тензометрії. Нові способи і конструкції машин для дроблення агломерату розроблені на основі методів синтезу.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Отримали подальший розвиток уявлення про закономірність зміни швидкості ковзання аглоспіку по рівній похилій направляючій та направляючій зі зламом. Встановлено зв'язок кута нахилу направляючої зі швидкістю подачі аглоспіку у дробарку. Зі збільшенням кута нахилу направляючій від 40є до 60є швидкість збільшується в 1,5 рази.

2. Вперше встановлено залежність кутової швидкості обертання ротора від подачі агломерату, кількості, товщини та радіусу зубів зірочки, геометричних параметрів пирога і швидкості руху палет. Це дозволяє задати такі параметри, щоб максимальний розмір дробленого шматка агломерату не перевищував 100 мм.

3. Вперше доведено можливість подання агломераційного спіку на дроблення більш нагрітою стороною до гори за рахунок енергії, що накопичена їм при русі по похилій направляючій з урахуванням кута її нахилу та геометричних параметрів спеченого пирога. При цьому лінійна швидкість кінця пирога досягає 9 м/с, що сприяє його попередньому руйнуванню.

4. Вперше, на основі реалізації методів математичної теорії планування багатофакторного експерименту, отримана регресійна залежність другого порядку, що визначає мінімальну відстань, необхідну для перевертання аглоспіку більш нагрітою стороною до гори при русі по похилій направляючій. Оптимальним параметрам, що отримані методом квантування незалежних змінних, відповідають: висота пирога 0,38 м, довжина 0,5 м, кут нахилу направляючої 52,5є.

Практичне значення отриманих результатів. Практичну цінність мають наступні результати досліджень і розробок:

- покращення процесу руйнування шляхом створення умов зламу за рахунок зсуву верхніх площин колосників для зниження енерговитрат на дроблення і поліпшення гранулометричного складу готового продукту;

- можливість перевертання аглоспіку з метою його подання на дроблення більш нагрітою стороною до гори;

- принципово нові способи і конструкції п'яти дробарно-здрібнювальних машин, що забезпечують попереднє руйнування аглоспіку і створення умов зламу.

Результати досліджень впроваджені у навчальний процес кафедр "Технологія і організація машинобудівного виробництва" ДонДТУ, "Машини металургійного комплексу і прикладна механіка" ДонДТУ і науково-дослідного проектно-конструкторського інституту "Параметр" при ДонДТУ.

Конструкція одновалкової зубчастої дробарки за деклараційним патентом України № 9865 впроваджена у виробництво агломерату в Акціонерному товаристві відкритого типу "Алчевський металургійний комбінат", річний фактичний економічний ефект від впровадження якої складає 528666 грн. При цьому міцність готового агломерату підвищена на 3,2 %, а енерговитрати знижені на 4,8 %.

Особистий внесок здобувача. Основна частина досліджень, методики проведення експериментів, обробка результатів, що увійшли до дисертаційної роботи, належать авторові. А саме: теоретично досліджено процес руху агломераційного спіку на етапах подання, проходження через робочий простір одновалкової зубчастої дробарки та визначені умови перевертання більш нагрітою стороною до гори; розроблено поліноміальну модель залежності мінімальної відстані, яка необхідна для перевертання спіку більш нагрітою стороною до гори від висоти спіку, його довжини та кута нахилу направляючої та оптимізовано її параметри; обґрунтовано раціональне розташування елементів нових конструкцій дробарних машин; виконано експериментальні дослідження фізичної моделі і промислового зразку одновалкової зубчастої дробарки; розроблено технологію дроблення аглоспіку шляхом переважної реалізації зламу і випробувано у виробничих умовах агломераційного цеху ВАТ "АМК" на вдосконаленій конструкції одновалкової зубчастої дробарки. В дослідженнях приймали участь співробітники ДонДТУ, які працювали за держбюджетною темою, при проведенні експериментальних досліджень на лабораторному стенді брали участь співробітники Державного вищого навчального закладу "Донецький національний технічний університет". Спільно з ними опубліковано статті. Особистий внесок претендента в цих роботах подано у вигляді коротких анотацій, після вказівки їх номерів у списку використаних джерел.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічній конференції Донбаського державного технічного університету на секції “Машини для металургійного виробництва” (м. Алчевськ, 2004 р.), 4-ій Промисловій конференції "Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу" (смт. Славське, 2004 р.), 6-ій регіональній науково-методичній конференції "Машинознавство і деталі машин" в Донецькому національному технічному університеті (Донецьк, 2004 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості" в Криворізькому технічному університеті (м. Кривий Ріг, 2004 р.), 7-ій регіональній науково-методичній конференції "Машинознавство і деталі машин" в Донецькому національному технічному університеті (Донецьк, 2005 р.), 6-ій Промисловій конференції "Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу" (смт. Славське, 2006 р.), "Машинознавство і деталі машин" в Донецькому національному технічному університеті (Донецьк, 2006 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості" в Криворізькому технічному університеті (м. Кривий Ріг, 2006 р.), на кафедрі "Машини металургійного комплексу і прикладна механіка" ДонДТУ в 2005 - 2007 рр. та кафедрі "Механічне обладнання заводів чорної металургії" в Донецькому національному технічному університеті.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 14 наукових роботах, зокрема: 2 статтях наукових журналів, 7 статтях збірників наукових праць, отримано 5 деклараційних патентів України на корисні моделі і винаходи. При цьому 8 статей опубліковано в фахових виданнях ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Основну частину роботи представлено на 156 сторінках і містить 61 рисунок (з них 17 на 8 окремих сторінках), 29 таблиць (з них 2 на 2 окремих сторінках). Загальний обсяг роботи, включаючи додатки, складає 176 сторінок. Список використаних джерел представлено на 11 сторінках із 113 найменувань, з них 7 іноземних. Чотири додатки займають 20 сторінок.

Основний зміст роботи

Перший розділ "Стан питання отримання готового агломерату". Проаналізовано опубліковану інформацію про способи утворення агломераційного спіку, його властивостях, вимоги до величини агломерату та дробарні машини, що застосовуються для руйнування агломераційного спіку. Визначено, що для дроблення застосовуються щокові, роторні та валкові зубчасті дробарки, з яких останні є найбільш перспективними за умовами руйнування. Удосконаленню технологічного процесу дроблення та конструкцій дробарок для агломерату присвячені роботи Є.Ф. Вегмана, В.І. Большакова , В.О. Марченка, А.С. Кухаря, В.П. Жилкіна, Д.Н. Дороніна, І.К. Борискіна, С.В. Базілевича, О.Н. Пирікова, Б.В. Клушанцева, Є.А. Хопунова, Д.П. Прітикіна, М.А. Тилкіна, К.К. Макарова, В.П. Нєвраєва, С.І. Барінова, І.Д. Костогризова, В.В. Горностаєва та інших авторів. При цьому дослідженням, що направлені на удосконалення процесу дроблення в одновалковій зубчастій дробарці достатньої уваги не приділялося, що підтверджується незначною кількістю робіт за цим напрямком, в тому числі і винаходів.

При вивченні процесу дроблення, що відбувається в зубчастих дробарках, згідно з результатами літературного огляду, не застосовувалися методи системного підходу та структурного аналізу, моделювання та багатофакторного планування експериментів, оптимізація технічних параметрів роботи дробарки не проводилася.

Другий розділ "Структуризація і математичне моделювання процесу подання та дроблення агломераційного спіку в одновалковій зубчастій дробарці". Розроблена структурна схема дроблення агломерату, на базі якої вивчався його рух на окремих етапах технологічного процесу: рух аглоспіку на спікальних візках, переміщення по похилій направляючій, взаємодія з робочими елементами в процесі дроблення, розвантаження готового продукту з дробарки.

Вивчення процесу руху агломерату в робочому просторі дробарки відбувалося по кожній підсистемі окремо, а отримані кінцеві результати приймалися як початкові умови при послідовному переході від однієї підсистеми до іншої. При цьому на основі зусиль, що діють на матеріал, складалися диференційні рівняння, а потім знаходилися їх рішення.

Швидкість руху аглоспіку на спікальних візках визначається умовами спікання

, (1)

де Lм - довжина агломашини, м; с - вертикальна швидкість спікання, м/с; h - висота шару шихти, м.

Розрахунки за (1) вказують, в реальних умовах виробництва довжини агломашини достатньо для якісного спікання агломерату, а особливу роль слід приділяти підвищенню ефективності процесу його дроблення.

Швидкість руху аглоспіку по рівній похилій направляючій розраховується за формулою

, (2)

де ц2 - кут нахилу направляючої, є; f - коефіцієнт тертя агломерату вздовж металу (0,35 - 0,55); Lл - довжина пройденого шляху по поверхні похилого лотка, м.

При кутах нахилу 40 - 60є швидкість руху пирога може досягати відповідно 2,25 - 3,5 м/с, за інших рівних умов.

Аналіз руху аглоспіку по похилій направляючій із зламом (що широко поширено в існуючих конструкціях дробарок) показав, що така закономірність руху є окремим випадком загального закону руху. Шлях, що пройдено аглоспіком по нижній направляючій, для різних висот пирога і рівних інших параметрів, представлений в табл. 1 при кутах нахилу верхньої направляючої 60°, а нижньої 0° (як в типовій конструкції одновалкової зубчастої дробарки).

При цьому шлях визначається за відомою формулою (3), а початкова швидкість за (4)

, (3)

де - ц1, ц2 - відповідно, кути нахилу верхньої та нижньої направляючих, є; V0 - початкова швидкість руху аглоспіку, м/с; S0 =0 - першопочатково пройдений шлях, м

, (4)

де Lл - довжина направляючої, м; и=ц2-ц1 - ступінь зламу поверхні ковзання, є; ц0 - кут між нормальною складової швидкості руху пирога по нижній направляючій та його торцевою поверхнею.

Таблиця 1. Шлях, пройдений аглоспіком

Висота пирога аглоспіку, h, м	S(t), м
	Час ковзання, t, с
	0,01	0,02	0,03	0,04
0,3	0,088	0,174	0,259	0,343
0,4	0,100	0,198	0,295	0,390
0,5	0,108	0,215	0,320	-

Для забезпечення умов попереднього руйнування пирога і організації подання в робочу зону дробарки більш нагрітою стороною до гори з метою підвищення ефективності дроблення (оскільки розм'якшений за рахунок температури нижній шар агломерату грає роль буферної подушки для холоднішого шару) розглядалася можливість перевертання аглоспіку у вертикальній площині на 180 градусів при миттєвому контакті з обмежуючим пристроєм при рівності кінетичної та приросту потенційної енергій. Була отримана залежність мінімальної відстані, на якій необхідно встановлювати упор для перевертання аглоспіку

, (5)

де h - висота аглопирога, м; L - довжина аглопирога, м.

Результати розрахунків за формулою (5) наведено в табл. 2.

Виявлено, що відстань s0 при зменшеній довжині пирога агломерату (наприклад, при саморуйнуванні) зменшується, при цьому умови перевертання покращуються.

Описано рух агломерату в процесі перевертання за допомогою рівнянь:

; (6)

, (7)

де цп - кут повороту пирога відносно точки упору; m -маса пирога, кг; J - момент інерції пирога, м⁴; с1 - константа диференціювання.

Рішення задачі Коши (6, 7) проводилося чисельно за допомогою ЕОМ. Було з'ясовано, що лінійна швидкість крайніх точок аглопирога при перевертанні досягає 9 м/с. Це дає можливість вважати, що на агломерат при ударі, у разі перевертання, діють сили, що сприяють накопиченню концентраторів напруги і попередньому руйнуванню.

Таблиця 2. Результати розрахунків можливості перевертання аглоспіку

Висота пирога агломерату, h, м	Кут нахилу направляючої, ц2, є	Відстань до упору, s0, м
0,30	45	2,67
	60	0,78
	75	0,51
0,35	45	1,94
	60	0,64
	75	0,52
0,40	45	1,40
	60	0,57
	75	0,51

Для підвищення якості готового агломерату необхідно погоджувати подачу на зуб зірочки ротора для забезпечення шматків потрібних розмірів, що виражається залежністю

, (8)

де щ - кутова швидкість обертання ротору, с-1; S - подача агломерату на зуб зірочки ротора, м/зуб; Nз - число зубів зірочки ротора, шт; В - товщина зуба, м; R - радіус зірочки ротора, м; h - висота пирога агломерату, м; V1- швидкість руху спікальних візків агломашини, м/с.

Встановлено, що агломераційний пиріг подається по похилій направляючій під дію зубів зірочок ротора зі швидкістю 2 м/с та більше і практично миттєво поступає до дробарки. Частота обертання ротора (близько 2 об/хв) не узгоджена з подачею аглоспіку і приблизно менше на два порядки. При цьому пиріг поволі продавлюється через колосники, звідки велика кількість шматків (до 25 %) з розмірами більше 200 мм. Для поліпшення якості агломерату необхідно, щоб ротор обертався із значно більшою частотою, що істотно змінює умови руйнування агломерату (із зрізу на удар) та нормальної роботи грохоту, а при великих габаритах і масі ротора може викликати величезні вібраційні навантаження, що призводять до руйнування дробарки. Тому збільшення швидкості обертання ротора не бажано з погляду порушення нормальної роботи грохоту та збільшення вірогідності резонансних явищ в дробарці.

Проведено теоретичне порівняння процесів зрізу і зламу, яке показало, що при зламі витрати енергії на руйнування агломерату орієнтовно у 0,33 рази менше.

Третій розділ "Вивчення процесу перевертання аглоспіку при поданні на дроблення більш нагрітою стороною до гори". Наведено програму і методику проведення активного багатофакторного експерименту за планом центрального композиційного ротатабельного уніформпланування другого порядку. Інтервали варіювання факторів представлено в табл. 3. В якості функції відгуку обрано найменшу відстань до упору, що пройдена спіком при русі по похилій направляючій, при якій забезпечується його перевертання.

Таблиця 3. Інтервали варіювання факторів

Параметри	Фактори
	Висота аглоспіку, x1(h), м	Довжина аглоспіку, x2(L), м	Кут нахилу направляючої x3(ц2), є
Основний рівень, xi=0	0,38	0,75	52,50
Інтервал варіювання, I	0,07	0,15	4,46
Верхній рівень, xi= +1	0,45	0,90	56,96
Нижній рівень, xi= -1	0,31	0,60	48,04
Верхня зоряна точка, xi=+1,682	0,50	1,00	60,00
Нижня зоряна точка, xi=-1,682	0,25	0,50	45,00

Знаходилися коефіцієнти регресії, їх значущість визначалася за допомогою критерію Стьюдента, адекватність математичної моделі визначалася за коефіцієнтом варіацій. В результаті проведення багатофакторного експерименту була отримана адекватна поліноміальна модель, що визначає мінімальну відстань до упору при перевертанні

(9)

Оптимізація функції відгуку проводилася методом квантування незалежних змінних за рівнянням регресії (9).

При переході до натуральних значень факторів використовувалися залежності:

x1=(h-0,38)/0,07; x2=(L-0,75)/0,15; x3=(ц2-52,5)/4,46,

удосконалення одновалковий зубчастий дробарка

які підставлялися у вираз (9). В натуральному вигляді математична модель має вигляд

(10)

Четвертий розділ "Експериментальні дослідження одновалкової зубчастої дробарки". Викладено програми досліджень фізичної моделі одновалкової зубчастої дробарки та виробничого експерименту, наведено методику, прилади і обладнання, що застосовані для цього.

Для порівняння теоретичних результатів з експериментальними проведено моделювання процесу перевертання на прикладі плиток пінобетону з розмірами: довжина (l) 0,1 м, ширина (B) 0,2 м різної товщини (h) 0,02, 0,025 та 0,03 м. Результати досліджень показали, що зі збільшенням нахилу направляючої та товщини пирога мінімальна відстань знижується у 1,5-4 рази при куті 60є, у 1,1-1,5 рази при куті 70є та є постійною близько 0,05 м при куті 80є, відповідно, для товщини пирога 0,02, 0,025, 0,03 м.

На фізичній моделі дробарки, що виготовлена в масштабі 1:10 дробленню піддавалися плитки, вирізані з пінобетону завтовшки 10, 20 та 30 мм, що імітують пиріг агломерату. Вимірювання параметрів проводилося з триразовою повторністю. Встановлено, що питомі витрати електроенергії на дроблення зі збільшенням товщини пінобетону від 10 до 20 мм знижуються на 47 %, а зі збільшенням товщини від 20 до 30 мм - на 42 %..

Вимірювався обертальний момент при руйнуванні плиток різної товщини і при різних зміщеннях верхніх площин колосників.

При перепаді площин верхніх поверхонь колосників питомі енерговитрати менше на 9-12 %, ніж при розташуванні верхніх поверхонь колосників в одній площині. Перепад площин істотної ролі не відіграє, що характеризується накладенням ліній на графіку одна на одну. Це говорить про те, що існує мінімальний перепад, коли матеріал руйнується з меншими зусиллями. Подальше перевищення цієї величини на результати дроблення не впливає.

Із збільшенням товщини плитки пінобетону, момент зростає майже в два рази. Момент при розташуванні колосників з перепадом їх верхніх площин приблизно на 9 % нижче, ніж при звичайному розташуванні колосників.

При проведенні досліджень фізичної моделі контролювалася величина готового продукту, що представлено в табл. 4.

Таблиця 4. Величина готового продукту

Висота плитки, h, мм	Перепад верхніх площин колосників, , мм
	0	5	10
	Вихід класів, %
	<0,5	>0,5<6	>6	<0,5	>0,5<6	>6	<0,5	>0,5<6	>6
10	13,6	42,2	43,2	12,8	53,9	33,3	12,3	54,6	33,1
20	17,2	39,6	44,2	15,6	38,7	41,9	15,3	42,9	41,8
30	20,7	28,2	51,1	18,8	31,4	49,8	19,0	31,3	49,7

Найкращі результати за виходом якісного продукту, за аналогією з агломератом, відповідають найменшим висотам спікання, а перепад висот колосників, що забезпечує процес зламу при руйнуванні пирога знижує кількість крупних шматків (>6) на 3-13 % та дрібних частинок (<0,5) на 9 - 6 %, відповідно, при висотах плиток 30-10 мм.

У виробничих умовах досліджувалася вдосконалена конструкція одновалкової зубчастої дробарки (за деклараційним патентом України № 9865), що працює в агломераційному цеху на агломашині № 6 ВАТ "АМК" (м. Алчевськ). Основні технічні характеристики даної дробарки наведені в табл. 5.

При проведенні досліджень спочатку на дробарці були встановлені колосники в одній площині. Потім колосники через один були підняті один щодо іншого на 50 мм. Для виміру значень сили струму застосовувався штатний амперметр і струмовимірювальні кліщі.

Для вимірювання сили струму в часі застосовувався ампервольтметр Н 339 рулонного типу, що підключався послідовно до однієї з трьох фаз за допомогою трансформатору струму ТК 100/5. Напруга вимірювалася штатним вольтметром М 381 з максимальною відміткою 420 В. Міцність агломерату визначалася за ДСТУ 3200-95 за допомогою барабана Рубіна.

Таблиця 5. Технічна характеристика одновалкової зубчастої дробарки

Найменування параметру	Величина	Розмірність
Продуктивність	до 200	т/г
Розмір поданого агломерату	350х1000х2000	мм
Розмір шматка, що виходить	100	мм
Діаметр зірочки ротора	1300	мм
Ширина ротора	2700	мм
Частота обертання ротора	2-6	об/мин
Потужність електродвигуна 2ВР250М6	55	кВт
Частота обертання ротора двигуна	985	об/хв

Виробничі випробування удосконаленої конструкції одновалкової зубчастої дробарки проводилися в агломераційному цеху на ВАТ „Алчевський металургійний комбінат” згідно з угодою між сторонами про взаємну співпрацю.

Замість руйнування агломерату за рахунок зрізу (продавлювання) у дробарці був організований процес зламу. В результаті виробничих досліджень було встановлено, що міцність агломерату, який зруйнованого шляхом зламу на 3,2 % вище, ніж агломерату, зруйнованого шляхом зрізу, а потужність, що споживається електродвигуном, на 4,8 % нижче, ніж при процесі зрізу, стирання агломерату практично однакове. Враховуючи значні об'єми виробництва, що досягають тільки на ВАТ "АМК" 5 млн. тонн на рік, економічна ефективність проведеної роботи очевидна.

Синтезовано схеми удосконалення способів та конструкції для дроблення агломерату, принципову новизну та ефективність яких підтверджено п'ятьма патентами України.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено актуальне науково-технічне завдання підвищення ефективності дроблення агломерату за рахунок його попереднього руйнування, а також покращення процесу дроблення шляхом удосконалення конструкції колосників для створення умов зламу в одновалковій зубчастій дробарці.

Основні наукові положення і практичні результати полягають в наступному:

1. Виконано аналіз стану сучасного етапу процесу дроблення аглоспіку. Встановлено, що в даний час для отримання необхідного фракційного складу готового агломерату використовуються щокові та одновалкові зубчасті дробарки. З щокової дробарки пластичний агломерат може виходити у вигляді розплющених шматків, що знижує його споживчі властивості. Одновалкові зубчасті дробарки є перспективнішими, оскільки в них реалізований менш енерговитратний процес зрізу, тому для них актуальними є завдання оптимізації конструкції з погляду стабілізації величини готового агломерату.

2. Підвищення ефективності дроблення агломерату полягає в раціональному завданні наступних параметрів: геометричних розмірів пирога та кута нахилу направляючої при поданні аглоспіку до дробарки; мінімальної відстані до упора - для забезпечення можливості перевертання; кутової швидкості обертання ротора - для завдання величини дробленого агломерату, що вимагається.

3. Отримали подальший розвиток уявлення про закономірності змінення швидкості ковзання аглоспіку по рівній похилій направляючій та по направляючій зі зламом, при цьому швидкість руху аглоспіку по рівній похилій направляючій з підвищенням швидкості руху палет, зростає незначно, а зі збільшенням кута нахилу направляючої в 1,5 рази; зі збільшенням висоти пирога, при русі по похилій направляючій зі зламом, пройдений ним шлях зростає при куті нахилу направляючої 30є на 100 % із збільшенням висоти пирога з 0,3 до 0,5 м, а зі зменшенням кута нахилу - від 20є до 0є на 20 %.

4. Вперше встановлено, що можливість перевертання спіку більш нагрітою стороною до гори забезпечується накопиченою енергією при русі по похилій направляючій та задається мінімальною відстанню, при цьому швидкістю руху спікальних візків можна знехтувати; при куті нахилу направляючої 60°, висоті пирога 0,35 м і довжині 1 м мінімальна відстань до упору складає 0,64 м, що реально може бути досягнуто у виробничих умовах; при зменшенні довжини пирога на палетах, внаслідок спонтанного руйнування при охолодженні, мінімальна відстань до упору стає менше, що сприяє перевертанню; лінійна швидкість кінця пирога при перевертанні зі зменшенням висоти пирога і його маси зростає, і може досягати значень до 9 м/с, що додатково сприяє процесу руйнування.

5. Вперше встановлено залежність величини максимального шматка роздробленого агломерату від частоти обертання зубчастого валу ротора дробарки, з чого виходить, що подача пирога в робочу зону дроблення, при стандартних параметрах роботи дробарки, відбувається майже миттєво, що визначає наявність шматків значних розмірів в готовому агломераті і не узгоджено з кутовою частотою обертання ротора; за інших рівних умов (висоті аглоспіку 0,32 м, товщині зуба 0,3 м, діаметрі зірочки 1,3 м, довжині похилої направляючої 0,855 м) кутова швидкість обертання ротора дробарки: при збільшенні кількості зірочок від 2 до 6 плавно зменшується з 70 до 5 с-1; із збільшенням подачі на зуб від 0,06 до 0,1 м/зуб знижується з 34 с-1 до 20 с-1; при зменшенні коефіцієнта тертя від 0,6 до 0,3 підвищується прямопропорційно з 19 с-1 до 22 с-1; а при збільшенні кута нахилу з 30є до 60є повільно зростає з 7 с-1 до 21 с-1; досягти зменшення максимальної величини готового агломерату можливо за рахунок обмеження його руху всередину робочої зони, підвищенням частоти обертання ротора, а також зміщенням зубів ротора відносно один одного на певний кут.

6. Вперше, на основі реалізації методів математичної теорії планування багатофакторного експерименту, отримана адекватна залежність мінімальної відстані від висоти аглоспіку, його довжини і кута нахилу направляючої та методом квантування незалежних змінних визначені раціональні параметри: висота пирога h=0,38 м; довжина пирога L=0,5 м; кут нахилу направляючої ц2=52,5є. Для поліпшення умов перевертання необхідно при спіканні використовувати палети завдовжки 0,5 м, що підтверджують результати, отримані раніше і легко може бути здійснено в реальному виробництві.

7. Результати експериментальних досліджень параметрів фізичної моделі показали, що питомі витрати електроенергії на дроблення зі збільшенням товщини дробленого матеріалу від 10 до 20 мм знижуються на 47 %, а зі збільшенням товщини від 20 до 30 мм - на 42 %, що пов'язане з незначним підвищенням витрат енергії на дроблення зі збільшенням товщини плиток в порівнянні з великим збільшенням маси; при перепаді площин верхніх поверхонь колосників питомі енерговитрати менше на 9-12 %, ніж при розташуванні верхніх поверхонь колосників в одній площині. Величина перепаду площин істотної ролі не відіграє, при цьому існує мінімальна величина такого перепаду, коли дроблений матеріал руйнується з меншими зусиллями; вимірювання обертального моменту при дробленні підтверджують наявність мінімальної величини перепаду площин верхніх поверхонь колосників, перевищення якої не доцільно.

8. Зі збільшенням товщини матеріалу величина моменту зростає майже в два рази, а при розташуванні колосників з перепадом їх верхніх площин на 5 мм приблизно на 9 % нижче, ніж при звичайному розташуванні колосників; найкращі результати по виходу найбільш якісного дроблення пінобетону, по аналогії з агломератом, відповідають найменшим висотам спікання, а перепад висот колосників, що забезпечує процес зламу при руйнуванні пирога знижує кількість крупних шматків на 3-13 % та дрібних частинок на 9 - 6 %, відповідно, при висотах плиток 30-10 мм; виграш ефективності в питомих витратах залежить від механічної міцності. Чим вище характеристики міцності, тим більше ефект зниження енергетичних витрат на руйнування матеріалу.

9. Мінімальна відстань, що необхідна для перевертання, яка отримана в результаті фізичного експерименту, більше, ніж розрахована теоретично на 5 - 8 %, що обумовлено впливом випадкових чинників; зі збільшенням нахилу направляючої та товщини пирога мінімальна відстань знижується в 1,5-4 рази при куті 60є, в 1,1-1,5 рази при куті 70є та є постійною, близько 0,05 м, при куті 80є, відповідно, для товщини пирога 0,02, 0,025, 0,03 м.

10. Вперше, шляхом проведення виробничих випробувань доведено, що при зміні умов руйнування аглоспіку на злам міцність агломерату (барабанна проба) зростає з 58,8 до 60,7 % або на 3,2 %; на показник стирання агломерату зміна умов руйнування практично не впливає; потужність, яка споживається електродвигуном при руйнуванні шляхом зламу, знижується до 33,1 кВт в порівнянні з 33,9 кВт для звичайного дроблення або на 4,8 %; при застосуванні ротора зі зміщеними одна відносео іншої зірочками ротора навантаження на електродвигун носить постійний характер.

11. Зважаючи на великий річний об'єм виробництва агломерату доцільним є удосконалення одновалкових зубчастих дробарок шляхом організації переважно умов руйнування зламом з урахуванням комплексного застосування принципово нових рішень з дроблення у відповідності з синтезованими новими способами та конструкціями для дроблення агломерату.

12. Річний фактичний економічний ефект від впровадження способу дроблення агломерату шляхом зламу, що отриманий за рахунок економії електроенергії на ВАТ "Алчевський металургійний комбінат" за деклараційним патентом України № 9865, що розроблений в дисертації, склав 528666 грн.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Левченко О.А. Комплексные направления повышения качества агломерата и защиты природной среды / О.А. Левченко // Экология и промышленность. - 2006. № 1. - С. 27-29.

2. Левченко О.О. Системний підхід та структуризація роботи одновалкової зубчастої дробарки / О.О. Левченко // Сб. научн. тр. ДонГТУ. Вып. 21. - Алчевск: ДонГТУ, 2006. - С 88 - 93.

3. Галич В.А. Определение закономерности движения куска агломерата по наклонной плоскости с изломом в зону дробления / В.А. Галич, О.О. Левченко // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту. - Луганськ: Видавництво СУНУ, 2006. - № 3 (97) - С. 36-42.

4. Левченко О.А. О некоторых технологических аспектах дробления агломерата / О.А. Левченко, В.А. Галич // Сб. научн. тр. ДонГТУ. Вып. 23. - Алчевск: ДонГТУ, 2006. - С 251 - 256.

5. Левченко О.А. Анализ условий переворачивания аглоспека / О.А. Левченко, В.А. Галич // Сб. научн. тр. ДонГТУ. Вып. 24. - Алчевск: ДонГТУ, 2006. - С 284 - 290.

6. Левченко О.О. Особливості визначення крупнисті дробленого агломерату / О.О. Левченко // Сб. научн. тр. ДонГТУ. - Алчевск, 2005. - Вып. 20. - С. 240-245.

7. Алтухов В.Н. Пути повышения эффективности дробления агломерата в одновалковой зубчатой дробилке / В.Н. Алтухов, О.А. Левченко. Разработка рудных месторождений // Науч.-техн. сб. КТУ. Кривой Рог: КТУ, 2005. № 89 - С. 151 - 154.

8. Левченко О.О. Проблемы дробления и моделирования процесса дробления горячего агломерата / О.О. Левченко // Сборник научных трудов ДГМИ. Вып 18. - Алчевск: ДонГТУ, 2004. - С 178 - 186.

9. Сидоров В.А. Моделирование процесса подачи агломерационного пирога в одновалковую зубчатую дробилку / В.А. Сидоров, О.А. Левченко // Сборник научных трудов ДонГТУ. Вып. 27. - Алчевск: ДонГТУ, 2008. - С 255 - 262.

10. Деклараційний патент на корисну модель 9865 Україна, МПК7 В 02 С 4/10. Спосіб дроблення агломерату в одновалковій зубчастій дробарці / Левченко О.О., Трінєєв Є.Т., Алтухов В.М., Левченко Е.П.; заявник і патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. - № u200503379; заявл. 11.04.05; опубл. 17.10.05, Бюл. № 10. - 3 с.: іл.

11. Деклараційний патент на корисну модель 9843 Україна, МПК7 В 02 С 4/10. Спосіб дроблення агломерату в одновалковій зубчастій дробарці / Алтухов В.М., Левченко О.О.; заявник і патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. - № u200503314; заявл. 11.04.05; опубл. 17.10.05, Бюл. № 10. - 3 с.: іл.

12. Деклараційний патент на корисну модель 9901 Україна, МПК7 В 02 С 11/02. Спосіб попереднього дроблення агломерату / Алтухов В.М., Левченко О.О.; заявник і патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. - № u200503717; заявл. 19.04.05; опубл. 17.10.05, Бюл. № 10. - 3 с.: іл.

13. Деклараційний патент на корисну модель 12363 Україна, МПК7 В 02 С 11/00. Пристрій для попереднього дроблення агломерату / Алтухов В.М., Левченко О.О., Кір'язєв П.М.; заявник і патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. - № u200503439; заявл. 12.04.05; опубл. 15.02.05, Бюл. № 2. - 3 с.: іл.

14. Патент на корисну модель 17859 МПК7 В 02 С 4/10. Спосіб подання агломерату в одновалкову зубчасту дробарку / Левченко О.О, Галич В.А, Алтухов В.М., Левченко Е.П.; заявник і патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. - № u200604337; аявл. 18.04.06; опубл. 16.10.06; Бюл. № 10.

Анотація

Левченко О.О. Підвищення ефективності дроблення агломерату шляхом удосконалення конструктивних параметрів одновалкової зубчастої дробарки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.08 - Машини для металургійного виробництва. - Державний вищий навчальний заклад "Донецький національний технічний університет", Донецьк, 2009 р.

Дисертація присвячена обґрунтуванню процесу дроблення агломерату в одновалковій зубчастій дробарці, підвищенню його ефективності шляхом оптимізації технологічних та конструкційних параметрів. Вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення ефективності дроблення агломерату за рахунок його попереднього руйнування, а також покращення процесу дроблення шляхом удосконалення конструкції колосників для створення умов зламу в одновалковій зубчастій дробарці. Досягнуто зниження енерговитрат на дроблення на 4,8 %.

Отримали подальший розвиток уявлення про закономірність зміни швидкості ковзання аглоспіку по рівній похилій направляючій та направляючій зі зламом. Встановлено зв'язок кута нахилу направляючої зі швидкістю подачі аглоспіку у дробарку. Вперше встановлено залежність кутової швидкості обертання ротора від подачі агломерату, кількості, товщини та радіусу зубів зірочки, геометричних параметрів пирога і швидкості руху палет. Вперше доведено можливість подання агломераційного спіку на дроблення більш нагрітою стороною до гори за рахунок енергії, що накопичена їм при русі по похилій направляючій з урахуванням кута її нахилу та геометричних параметрів спеченого пирога. Вперше, на основі реалізації методів математичної теорії планування багатофакторного експерименту, отримана регресійна залежність другого порядку, що визначає мінімальну відстань, необхідну для перевертання аглоспіку більш нагрітою стороною до гори при русі по похилій направляючій.

Ключові слова: одновалкова зубчаста дробарка, колосникова решітка, математична модель, оптимізація параметрів, нові конструкції дробарок, комп'ютерна програма, впровадження.

Аннотация

Левченко О.А. Повышение эффективности дробления агломерата путем усовершенствования конструктивных параметров одновалковой зубчатой дробилки. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.08 - Машины для металлургического производства. - Государственное высшее учебное заведение "Донецкий национальный технический университет", Донецк, 2009 г.

Защищаемая диссертация посвящена обоснованию процесса дробления агломерата в одновалковой зубчатой дробилке, повышению его эффективности путем оптимизации технологических и конструктивных параметров.

Решена актуальная научно-техническая задача повышения эффективности дробления агломерата за счет его предварительного разрушения, а также улучшения процесса дробления путем усовершенствования конструкции колосников для создания условий излома в одновалковой зубчатой дробилке.

Производство агломерата с размерами 5-30 мм с содержанием класса 0-5 мм не более 8-9 % позволяет повысить производительность доменной печи на 10-14 % и снизить расход кокса на плавку на 8-10 %, что является значительным потенциальным фактором повышения экономической эффективности производства чугуна. Однако при дроблении агломерационного пирога образуются куски значительных размеров (до 200 мм), которые разрушаются в процессе транспортировки с образованием нежелательных мелких фракций. Наличие больших кусков вызвано характером наложения усилий при дроблении агломерата, когда спек сначала дробиться на две равные части, а затем проталкивается через колосниковую решетку, при этом главным фактором, определяющим крупность кусков, является скорость подачи агломерата в дробилку, частота вращения ротора и расстояние между колосниками, которое уменьшать не целесообразно по причине резкого снижения стойкости колосников.

Получили дальнейшее развитие представления о закономерности изменения скорости скольжения аглоспека по ровной наклонной направляющей и по направляющей с изломом. Установлена связь угла наклона направляющей со скоростью подачи аглоспека в дробилку. Впервые установлена зависимость угловой скорости вращения ротора от подачи аглоспека, количества, толщины и радиуса зубьев звездочки, геометрических параметров пирога и скорости движения паллет. Впервые доказана возможность подачи агломерационного спека на дробление более нагретой стороной вверх за счет энергии, накопленной им при движении по наклонной направляющей с учетом угла ее наклона и геометрических параметров спеченного пирога. Впервые, на основе реализации методов математической теории планирования многофакторного эксперимента, получена регрессионная зависимость второго порядка, определяющая минимальное расстояние, необходимое для переворачивания аглоспека более нагретой стороной вверх при движении по наклонной направляющей.

Путем структуризации технологического процесса дробления аглопирога получена структурная модель одновалковой зубчатой дробилки, при этом выяснено, что скорость движения агломерата на спекательных тележках в 2 раза ниже, чем в реальных условиях, что должно приводить к лучшему спеканию агломерата. Скорость движения аглоспека по ровной наклонной направляющей с увеличением скорости движения паллет возрастает незначительно, а с увеличением угла наклона направляющей в 1,5 раза. Возможность переворачивания спека более нагретой стороной вверх обеспечивается накопленной энергией при движении по наклонной направляющей и задается минимальным расстоянием, при этом скоростью движения спекательных тележек можно пренебречь. При угле наклона направляющей 60°, высоте пирога 0,35 м и длине 1 м минимальное расстояние до упора составляет 0,64 м, что реально достижимо в производственных условиях. Линейная скорость конца пирога при переворачивании достигает 9 м/с, что способствует процессу разрушения. Достичь ограничения максимальной крупности готового агломерата возможно за счет ограничения движения внутрь рабочей зоны, повышением частоты вращения ротора, а также смещением зубьев ротора относительно друг друга на определенный угол. Путём квантования независимых переменных установлены координаты особой точки факторного пространства для минимального расстояния при движении аглоспека по наклонной направляющей, обеспечивающее запас энергии для переворачивания пирога и подачи на дробление более нагретой стороной вверх равны: x1(h) = x3(б) = 0, x3(L)=-1,682 (в кодированном виде) или высота пирога h=0,38 м; длина пирога L=0,5 м; угол наклона направляющей б=52,5є (в натуральном виде). При изменении условий разрушения аглоспека с продавливания на излом прочность агломерата (барабанная проба) возрастает с 58,8 до 60,7 % или на 3,2 %. При этом мощность, потребляемая электродвигателем при разрушении путем излома, снижается до 33,1 кВт по сравнению с 33,9 кВт для обычного дробления или на 4,8 %.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке конструкций и усовершенствовании дробилки внедренной в производство агломерата. Качество готового агломерата соответствует требованиям, предъявляемым при его приготовлении.

Ключевые слова: одновалковая зубчатая дробилка, колосниковая решетка, математическая модель, оптимизация параметров, новые конструкции дробилок, компьютерная программа, внедрение.

Summary

Levchenko O.O. Rising crushing's efficiency of agglomerate by the improvement of construction parameters of toothed crusher. - Manuscript.

The dissertation is presented for awarding the scientific degree in engineering science on speciality 05.05.08 - Machines for metallurgical production. - State institute of higher education "Donetsk national technical university", Donetsk, 2009.

Defending dissertation is pertinent to substantiation reporting of process of breaking up crusher in a single-roll toothed crusher, increase of its effectiveness by means of optimization technological end design parameters.

With help of provision conditions of breaking up crusher by force of realization breaking process achieved decreasing of power inputs on process of breaking up on 4,8 %.

Conditions sliding speed agglomerate on smooth line of inclined plane vector became more exactly and on fracture vector. Possibility Theory of ability agglomerate giving received further development crushing more warm side upwards. Dependence of size maximal piece of the crushed agglomerate is well-proven on frequency of rotation toothed rotor of crusher. First, on the ambush of realization methods of mathematical theory planning multivariable research, the regressive model of process gimbleting agglomerate is got by more heated side upwards and its parameters are optimized. At first, by research of physical model and leadthrough of production researches toothed crusher, expedience of displacement overhead planes of furnace-bars is well-proven for the decline of energovitrat on crushing and improvement particle-size of the prepared product.

Key words: single-roll toothed crusher, fire grate, mathematical model, parameter optimization, new crusher's constructions, computer program, introduction.

Размещено на Allbest.ru