книги / Расчёт и проектирование систем обеспечения безопасности.-1

материала один и тот же аппарат в одном случае может удовлетворять целиразделения, вдругом– не обеспечивать заданных требований.

Необходимым условием практической реализации процесса разделения является преодоление сил взаимодействия между частицами, а также создание условий, при которых частицы могли бы перемещаться относительно друг друга.

Вподвижное состояние материал может переводиться как непосредственно внутри аппарата, так и подаваться в него вместес несущимгазом.

Ваппаратах с механической загрузкой на входе часто устанавливают дополнительные устройства, например разбрасывающие тарелки, помогающие рассредоточению частиц в пространстве.

Наиболее информативной является классификация аппаратов по виду и направлению альтернативных сил, приложенных к каждой частице и являющихся причиной их разделения по крупности. Одной из таких сил является сила сопротивления частицы несущему потоку.

Сила сопротивления пропорциональна величине δs, где δ – размер частицы, s – показатель степени. Величина s в зависимости от режима обтекания изменяется в пределах от 1 до 2.

Альтернативными аэродинамическому сопротивлению силами в воздушных классификаторах выступают массовые силы различной природы. Эти силы составляют с силой сопротивления некоторый угол или действуют в противоположном направлении. Общей закономерностью массовых сил является пропорциональность массе или объему частиц, т.е. вели-

чинеδ3. Различная зависимость альтернативных сил от размера частиц лежит в основе принципадействия воздушных классификаторов.

Взависимости от направления движения крупных частиц относительно потока газа с мелкими частицами классификаторы делятся на противоточные и с поперечным потоком [7].

Впротивоточных классификаторах альтернативные силы направлены в противоположные стороны. В этих классификаторах – по крайней

мере теоретически– возможно указание частицы равновесного размераδр, для которой будет соблюдаться равенство силы сопротивления и массовой силы. Частицы размером больше равновесного в большей степени подвержены действию массовой силы, а размером меньше равновесного – действию силы сопротивления потоку газа. Принцип действия и соответствующиеконструкциитакихаппаратов называются равновесными.

Понятие равновесного размера является условным, и не следует ожидать реального равновесия частиц в зоне разделения ввиду действия случайных факторов.

301

Классификаторы с поперечным потоком являются неравновесными, поскольку альтернативные силы составляют между собой угол, отличный от 180°. При этом не существует размера, для которого даже теоретически возможно равновесие сил. Схема простейшего классификатора представлена на рис. 13.4.

Рис. 13.4. Гравитационный классификатор сгоризонтальнымпотоком воздуха: 1 – подачаисходного материала; 2 – вход газовогопотока; 3 – траекториидвижениячастиц; 4 – линиитокагаза

В гравитационных классификаторах в качестве массовой силы используется сила тяжести.

302

возможность мелким частицам опускаться вдоль стенки и попадать в крупный продукт. Кроме того, для большинства порошков с уменьшением размера частиц наблюдается рост поверхностной активности и, как следствие, образование агломератов. В то же время при переходе к меньшим границам разделения (особенно в области менее 200 мкм) равновесие частиц устанавливается при меньших скоростях газа и, следовательно, уменьшаются силы взаимодействия с газом, способствующие разрушению агломератов. Последние ведут себя в потоке как одна большая частица, чтоприводиткснижениюэффективностиразделения[2, 3, 19].

13.1.3. Гидравлическая классификация отходов

Процессы классификации частиц в потоках жидкости традиционно называют гидравлической классификацией. Теория гидравлической классификации строится на законах движения частиц в вязких средах в зависимости от выбранного приема классификации, т.е. от конструкции аппаратов (классификаторов), в которых характер и скорость движения частиц определяются соотношением сил инерции, гравитации, Архимеда и сил сопротивления, вызванных движением частиц относительно жидкости. Гидравлическую классификацию обычно применяют для частиц размером не более 2–3 мм.

Самое простое моделирование процессов классификации осуществляется тогда, когда расстояние между частицами достаточно велико, а обмен количеством движения между дисперсной и сплошной фазами несущественен. В этом случае можно не учитывать как взаимное влияние частиц, так и воздействие на скоростное поле жидкости их концентрации.

Такое движение частиц в практике гидравлической классификации принято называть свободным. Границей, отделяющей свободное движение от стесненного, считается величина объемной доли частиц ε ч, которая не должна превышать 5 % (т.е. ε ч < 0,05).

Например, при классификации в воде с плотностью ρв = 1000 кг/м3 твердых частиц с плотностью ρч = 3000 кг/м3 плотность суспензии при ε ч = 0,05 определяется по формуле

ρ = ρв (1 – ε ч) + ρчε ч = 1100 кг/м3,

что вполне сопоставимо с плотностью воды. Если такие же расчеты сделать для газа с плотностью ρг = 1,25 кг/м3, то для того, чтобы плот-

303

ность пылегазового потока не отличалась более чем на 10 % от плотности газа (т.е. ρ = 1,375 кг/м3), объемная доля частиц в газовом потоке не должна превышать

При моделировании движения частиц с высокой их концентрацией ситуация существенно усложняется. Это связано с тем, что происходит взаимное влияние различных фракций частиц друг на друга, а разность концентраций частиц в объеме классификатора создает такую разность плотностей, при которой возникают конвективные течения.

Например, в самом простом случае – стесненном гравитационном периодическом осаждении частиц в ограниченном и неподвижном объеме суспензии – крупные фракции частиц, осаждаясь, вытесняют жидкость, которая выносит мелкие частицы вверх . Для неподвижного наблюдателя такие частицы представляются всплывающими.

В проточных классификаторах непрерывного действия по длине зоны классификации всегда существует разность плотностей суспензии, при которой возникают паразитные циркуляционные течения. Столь существенное усложнение картины классификации приводит к тому, что более или менее адекватное моделирование хотя и возможно, однако столь наукоемко, что до сих пор не применяется в практике гидравлической классификации. Причем это относится как к самым простым гравитационным классификаторам, так и к инерционным, где осаждение происходит под действием центробежных сил. Методы расчета классификаторов основываются на простейших соотношениях для свободного осаждения частиц, различных эмпирических корреляциях и формальных стохастических математических моделях.

Любой способ разделения частиц (в потоке жидкости или с помощью сит) относительно некоторого граничного размера δг несовершенен. Всегда часть мелких частиц попадет в поток с крупным продуктом, а часть крупных частиц попадет в поток с мелким продуктом. Выбор критерия качества разделения частиц относительно δг не имеет принципиального значения, и он может быть принят таким, каким его принимают в процессах грохочения.

304

13.2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ИЛИ УКРУПНЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ

ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

13.2.1. Расчет и проектирование установок дробления

Одной из первых машин, предназначенных для дробления твердых материалов, стала валковая дробилка (Англия, 1806 г.). В ней материал затягивается силами трения и раздавливается между двумя параллельными цилиндрическими валками, вращающимися навстречу друг другу (рис. 13.6).

Рис. 13.6. Схема захвата куска материала гладкими валками

Степень измельчения в валковых дробилках i ≈ 4. Приi > 4 в объеме, ограниченном валками, возрастает концентрация материала вплоть доего запрессовывания. При этом резко возрастает усилие дробления. Поэтому втрадиционных конструкциях валковых дробилок при превышении некоторого порогового усилиявалки раздвигаются.

Позднее было замечено, что создание высоких давлений в плотном слое зернистого материала способствует образованию паутины микротрещин, которые развиваются в глубь каждого куска от множества точек контакта кусков друг с другом. В результате снижается прочность руды, повышается селективность раскрытия минеральных зерен и, как следствие, существенно сокращаются затраты энергии на последующих стадиях измельчения [1].

Желание достичь таких показателей на практике позволило создать новый класс машин – валковые дробилки высокого давления (валковые

305

прессы). В середине 1980-х годов они были впервые применены в Германии в цементной промышленности при производстве клинкера [2–5].

Из геометрических соотношений нетрудно получить выражение для отношения диаметра валка d к максимальному размеру куска d, затягивание которого еще возможно:

где а – зазор между валками.

При a = 0 и f» 0,3 (значение коэффициента трения для большинства твердых материалов) из вышеприведенных соотношений получим

dδ ≥ 20 .

Условие определяет принципиальный недостаток конструкции валковой дробилки – практическую невозможность создания машин для крупного дробления, так как при d = 0,5 м габариты машины уже превысят 20 м.

Кардинально снизить отношение габаритного размера машины к размеру куска удалось в появившейся в 1858 году в США щековой дробилке с простым движением щеки (рис. 13.7).

Материал в щековой дробилке 2 дробится между двумя плитами – щеками. Одна щека неподвижна, другая качается от приводного механизма.

Подобная конструкция позволила создать машины, которые дробят породу с начальным размером куска до 2 м и могут иметь степень измельчения выше, чем у валковых дробилок. Однако и для этих машин отношение максимального размера куска к ширине разгрузочного отверстия а колеблется в пределах 4–6. Это объясняется тем, что пропускная способность дробильного пространства машины уменьшается прямо пропорционально расстоянию между щеками. Поэтому создание машин

с большим отношением δн max практически нецелесообразно, поскольку a

при малой производительности машина будет иметь большие габариты. Экономичнее разделить процесс дробления на две или несколько стадий и вести его в различных машинах.

306

Минимальная величина хода щеки S определяется условиями достижения в куске разрушающих деформаций. Выражение для разрушающей деформации куска кубической формы имеет вид:

[∆ δ]= eδ= [σсж ] δ,

E

где е – относительная деформация; [sсж] – разрушающее напряжение сжатия; E – модуль упругости.

В 1880 году в США появилась конусная дробилка, конструкция которой принципиально исключает неравномерность распределения усилия дробления (за исключением случайных флуктуаций, вызванных упаковкой кусков в дробящем пространстве, дисперсионным составом исходного материала, колебаниями его прочности и т.д.). В отличие от щековых дробилок процесс дробления материала в такой машине идет непрерывно. Схема конусной дробилки приведена на рис. 13.8.

307

13.2.1.1. Валковые дробилки и прессы

Валковые дробилки бывают с гладкими, рифлеными и зубчатыми валками. Дробящее действие дробилок основано на сжатии при некотором участии сдвиговых деформаций. Для дробилок с зубчатыми валками дополнительно возникают усилия раскалывания. Однократность сжатия кусков дробимого материала при прохождении между валками обусловливает малый выход мелочи в дробленом продукте. Эти дробилки не переизмельчают материал.

Дробилки с гладкими и рифлеными валками используют главным образом для среднего и мелкого дробления твердых пород и пород средней прочности [1].

Дробилки с зубчатыми валками применяют исключительно для крупного и среднего дробления мягких материалов. Эти дробилки бывают одно-, двух- и многовалковые. Последние вследствие громоздкости и неудобства их эксплуатации не получили распространения.

В технологии измельчения получили распространение валковые прессы. В отличие от известных конструкций валковых дробилок валковый пресс позволяет развивать давление между валками в 4–5 раз выше. Это достигается установкой домкратов высокого давления на подвижных валках. За счет высокого давления качественно изменяется механизм разрушения – разрушение частиц осуществляется в спрессованном слое. При этом с момента захвата материала валками происходит непрерывное нарастание давления на его частицы. Это создает предпосылки для непрерывного наращивания напряжений до критической величины, что приводит к последовательному разрушению все более мелких частиц без сброса давления в сжимаемом слое, за счет чего достигается уменьшение затрачиваемой энергии, необходимой для реализации высокой степени дробления. Степень дробления в валковых прессах по среднему зерну достигает 8–10 против 2–3 в валковых дробилках. Материал, прошедший через пресс, имеет форму спрессованных лепешек. Применение валковых прессов обеспечивает по сравнению с традиционными способами дробления и измельчения снижение суммарных затрат электроэнергии. Помимо этого, за счет разупрочнения зерен руды, прошедшей валковый пресс, возрастает производительность мельниц.

В гладковалковых дробилках [1] дробящие валки изготавливаются из чугуна и футеруются по внешней поверхности бандажами из марганцовистой или углеродистой стали.

308

Размеры валковых дробилок определяются двумя величинами – диаметром и длиной валков. Длина валков всегда в 1,5–3 раза меньше их диаметра. Окружная скорость валков составляет 3–6 м/с.

Валковые дробилки с рифлеными и зубчатыми валками [1] явля-

ются разновидностью дробилок с гладкими валками. Изготовляют дробилки как с двумя рифлеными валками, так и с одним рифленым (зубчатым) валком. Эти дробилки применяют для дробления материалов высокой и средней твердости (предел прочности на сжатие до 250 МН/м2). Окружная скорость рифленых (зубчатых) валков на 10–20 % ниже скорости гладких, т.е. составляет 2,7–5 м/с.

Производительность валковых дробилок определяется произведением окружной скорости валков uокр = ρ Dn и площади разгрузочной щели между валками La:

где D – диаметр валка; n – частота вращения валков; L – длина валка; а– ширина щелимежду валками; ρ т – плотность материала, ε т– объемная доля твердого вплоскости разгрузочной щели(коэффициент разрыхления).

При расчетах производительности валковой дробилки установленную ширину щели между валками увеличивают на 20–30 %, учитывая неизбежное перемещение подвижного валка при дроблении. Коэффициент разрыхления выбирают в диапазоне 0,2–0,3.

Мощность валковых дробилок определяется линейной зависимостью от параметра uокрDL. Для двухвалковых дробилок отечественных заводов действительно приближенное соотношение:

N = (11, 14) DLuокр.

13.2.1.2. Щековые дробилки

Наибольшее распространение получили конструкции щековых дробилок с простым и сложным движением подвижных щек [1]. Вних подвижные щеки подвешены в верхней части. Однако встречаются машины и с нижним подвесом подвижной щеки. Во всех конструкциях колебательныедвижения щекисоздаются вращающимся эксцентриковым валом.

Крупность максимальных кусков в дробленом продукте определяется шириной выходной щели а.

При верхнем подвесе подвижная щека имеет наибольший размах внизу, у места выхода дробленого продукта, при этом ширина выходной

309

щели переменная. При нижнем подвесе – наибольший размах вверху, у места поступления исходного материала, и ширина выходной щели постоянная.

Щековые дробилки с верхним подвесом подвижной щеки получили широкое промышленное применение при дроблении полезных ископаемых и в различных отраслях промышленности, где приходится иметь дело с разрушением больших масс крупных кусков различных горных пород с временным сопротивлением сжатию до 300 МПа (граниты, базальты, кварциты, известняки, угли и другие руды). Из щековых дробилок с верхним подвесом подвижной щеки наибольшее распространение получила дробилка с вертикальным шатуном [4].

Дробилки со сложным движением подвижной щеки находят применение в строительстве, дорожных работах и на обогатительных фабриках малой производительности. В 1990-х годах появились щековые дробилки со сложным движением подвижной щеки больших размеров, которые успешно применяют на подземных дробильных комплексах.

В России выпускаются щековые дробилки следующих типов:

–с простым движением щеки (ЩДП);

–со сложным движением щеки и отношением длины приемного отверстия к его ширине более 1,6 (ЩДС-I);

–со сложным движением щеки и отношением длины приемного отверстия к его ширине до 1,6 включительно (ЩДС-II). Пример условного обозначения: ЩДС-I-2,5Ч9 – щековая дробилка со сложным движением щеки с приемным отверстием шириной 250 мм и длиной 900 мм [2].

Производительность Q (т/ч) дробилки определяется уравнением

Q = (1479b B − 40B B ) L (εтρт ),

где ρ т – плотность материала, т/м3; B и L – ширина и длина приемного отверстия, м; b – максимальная (в момент отхода щеки) ширина разгрузочной щели, м.

Формула получена только из геометрических представлений и поэтому не учитывает влияние на производительность дробилки физических свойств дробимого материала.

Для расчета производительности щековых дробилок предложено несколько эмпирических формул, составленных, исходя из предположения, что производительность дробилок пропорциональна площади выходной щели.

310