Развитие теории и технологии тонкого измельчения
Систематизированы результаты проведенных в Институте технической механики (ИТМ) Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины исследований по развитию теории и технологии тонкого измельчения различных материалов. Принципиально новый подход к исследованию процес...
Saved in:
| Published in: | Техническая механика |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
2015
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100785 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Развитие теории и технологии тонкого измельчения / Н.С. Прядко, Н.Д. Коваленко, Г.А. Стрельников // Техническая механика. — 2015. — № 4. — С. 72-84. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859985406944083968 |
|---|---|
| author | Прядко, Н.С. Коваленко, Н.Д. Стрельников, Г.А. |
| author_facet | Прядко, Н.С. Коваленко, Н.Д. Стрельников, Г.А. |
| citation_txt | Развитие теории и технологии тонкого измельчения / Н.С. Прядко, Н.Д. Коваленко, Г.А. Стрельников // Техническая механика. — 2015. — № 4. — С. 72-84. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Техническая механика |
| description | Систематизированы результаты проведенных в Институте технической механики (ИТМ) Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины исследований по развитию теории и технологии тонкого измельчения различных материалов. Принципиально новый подход к исследованию процесса тонкого измельчения, развиваемый в ИТМ, основан на связях акустических параметров процесса с кинетическими и энергетическими параметрами разрушения и измельчения.
Систематизовано результати проведених в Інституті технічної механіки (ІТМ) Національної академії наук України і Державного космічного агентства України досліджень щодо розвитку теорії і технології тонкого подрібнення різних матеріалів. Принципово новий підхід до дослідження процесу тонкого подрібнення, що розвивається в ІТМ, базується на зв'язках акустичних параметрів з кінетичними та енергетичними параметрами руйнування й подрібнення.
The research results of the development of a fine grinding theory and a technology for various materials obtained at the Institute of Technical Mechanics (ITM) of the National Academy of Sciences of Ukraine and the State Space Agency of Ukraine are classified. A principally new approach to the fine grinding research is based on the association of the acoustic process parameters with the kinetic and power parameters for decomposing and grinding.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:28:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
72
УДК 622.73
Н. С. ПРЯДКО, Н. Д. КОВАЛЕНКО, Г. А. СТРЕЛЬНИКОВ
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ ТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
Систематизированы результаты проведенных в Институте технической механики (ИТМ) Нацио-
нальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины исследований по
развитию теории и технологии тонкого измельчения различных материалов. Принципиально новый под-
ход к исследованию процесса тонкого измельчения, развиваемый в ИТМ, основан на связях акустических
параметров процесса с кинетическими и энергетическими параметрами разрушения и измельчения.
Развитие теории тонкого измельчения позволило обосновать ряд новых закономерностей, положен-
ных в основу совершенствования технологического процесса. В частности, установлено, что интенсив-
ность образования новой поверхности при тонком измельчении твердых полезных ископаемых пропорци-
ональна потребляемой энергии и снижается при достижении некоторой критической величины крупности
продукта, обусловленной повышением прочности частиц. Показано, что кинетика измельчения узких
фракций крупности материалов в смеси не зависит от соотношения других фракций. Теоретически дока-
зано, что производительность мельницы по готовому продукту в замкнутом цикле измельчения пропорци-
ональна содержанию в ней класса крупнее контрольного. Максимальная производительность мельницы
по контрольному классу крупности достигается при минимально возможной удельной поверхности из-
мельченного продукта заданной крупности.
Новые результаты в теории процесса тонкого измельчения создали базу для использования инфор-
мационных технологий идентификации режимов струйного измельчения, позволяющих при ограниченном
количестве исходных данных выбирать оптимальные технологические параметры струйного измельчения.
Систематизовано результати проведених в Інституті технічної механіки (ІТМ) Національної академії
наук України і Державного космічного агентства України досліджень щодо розвитку теорії і технології
тонкого подрібнення різних матеріалів. Принципово новий підхід до дослідження процесу тонкого подрі-
бнення, що розвивається в ІТМ, базується на зв'язках акустичних параметрів з кінетичними та енергетич-
ними параметрами руйнування й подрібнення.
Розвиток теорії тонкого подрібнення дозволив обґрунтувати ряд нових закономірностей, які лягли в
основу вдосконалювання технологічного процесу. Зокрема, встановлено, що інтенсивність утворення
нової поверхні при тонкому подрібненні твердих корисних копалин пропорційна споживаній енергії й
знижується при досягненні деякої критичної величини крупності продукту, що обумовлена підвищенням
міцності часток. Показано, що кінетика подрібнення кожної вузької фракції крупності матеріалів у суміші
не залежить від співвідношення інших фракцій крупності. Теоретично доведено, що продуктивність мли-
на щодо готового продукту в замкнутому циклі подрібнення пропорційна вмісту в млині класу крупніше
контрольного. Максимальна продуктивність млина по контрольному класу крупності досягається при
мінімально можливій питомій поверхні готового продукту контрольного класу крупності.
Нові результати в теорії процесу тонкого подрібнення створили базу для використання інформацій-
них технологій ідентифікації режимів струминного подрібнення, що дозволяє при обмеженій кількості
вихідних даних виконувати вибір оптимальних технологічних параметрів процесу струминного подріб-
нення.
The research results of the development of a fine grinding theory and a technology for various materials ob-
tained at the Institute of Technical Mechanics (ITM) of the National Academy of Sciences of Ukraine and the
State Space Agency of Ukraine are classified. A principally new approach to the fine grinding research is based
on the association of the acoustic process parameters with the kinetic and power parameters for decomposing and
grinding.
The development of a fine grinding theory provided the validity of some new regularities used as a basis for
improving a technological process. In particular, it is found that the intensity of a new surface formation in fine
grinding solid mineral resources is proportional to the consumed energy and reduces in reaching some critical
product size caused by an increase in particles strength. It is shown that grinding kinetics of the close-cut size of
material fractions in mixing does not depend on relationships of other fractions. In theory, it is proved that the
final mill productivity in the closed grinding cycle is proportional to the presence of a more sized class than the
control one. The maximal mill productivity with a control size class is provided with a limited quantity of a min-
imal possible product specific surface of the grinded product of a given size.
New results in the fine grinding theory provided the base for use of information technologies of identifica-
tion of fine grinding conditions to select optimal technological parameters for fine grinding with limited reference
data.
Ключевые слова: тонкое измельчение, технология, удельная поверх-
ность, крупность частиц.
Н. С. Прядко, Н. Д. Коваленко, Г. А. Стрельников, 2015
Техн. механика. – 2015. – № 4.
73
Введение. В Институте технической механики (ИТМ) Национальной
академии наук Украины и Государственного космического агентства Украи-
ны в последнее время все больше внимания уделяют вопросам развития тех-
нологий. В годы становления ИТМ под руководством академика В. В. Пили-
пенко в тематике отделов стали активно развиваться новые направления, свя-
занные с решением проблем различных областей народного хозяйства: авиа-
ционной, автомобильной, металлургической, горнорудной, топливно-
энергетической и др.
Измельчение твердых материалов является одним из самых распростра-
ненных технологических процессов. Это сравнительно высокоэнергоемкий
процесс, особенно при получении тонкодисперсных материалов. Так, в це-
ментной промышленности при получении 1 т цемента на измельчение сырья
тратится 50 – 60 кВт-ч, что составляет 50% общего количества энергии на его
производство. Около 4% мировых энергетических затрат приходится на опе-
рации измельчения различных технических продуктов. Поэтому снижение
энергопотребления измельчительных установок при достижении требуемой
дисперсности продукта является актуальной задачей.
Постановка задачи. Принципиально новый подход к совершенствова-
нию тонкого измельчения, развиваемый в ИТМ, основан на связях акустиче-
ских характеристик процесса с его кинетическими и энергетическими пара-
метрами. Задачей развиваемой теории тонкого измельчения было обоснова-
ние новых положений для совершенствования технологии тонкого измельче-
ния и проверка их на примере струйного измельчения.
Цель работы – систематизация проведенных в ИТМ исследований в об-
ласти разрушения и измельчения, разработка новых решений по развитию
теории и технологии тонкого измельчения.
Для описания процессов измельчения используются различные гипотезы
энергетической оценки дробления и измельчения, которые выражаются
уравнением энергии
nx/KdxdE (здесь Е – энергия, х – размер частиц,
К – коэффициент формы частиц) с различными значениями параметра n. Вы-
бор гипотезы зависит от области ее применения. Так, гипотеза Риттингера,
предполагавшего, что расход энергии на дробление пропорционален вели-
чине вновь образованной поверхности, хорошо согласуется с практикой тон-
кого измельчения (при получении продуктов с контрольным классом менее
40 мкм). Однако, в разных отраслях промышленности нужны тонкодисперс-
ные продукты с разными свойствами. В технологии получения цемента дис-
персность готового продукта оценивается по образованной удельной поверх-
ности. В горнорудной промышленности, где необходимо получить продукт
определенного гранулометрического состава, избегают образования переиз-
мельченных частиц, отрицательно влияющих на последующие операции об-
работки руд.
В исследованиях ИТМ решалась задача проверки применимости гипоте-
зы Риттингера для описания процесса тонкого измельчения руд и доказатель-
ства гипотезы независимости кинетики измельчения узких фракций материа-
ла в ходе измельчения.
Анализ результатов тонкого измельчения полезных ископаемых в бара-
банных и струйных мельницах (наиболее используемых для получения тон-
74
кодисперсных материалов) показал существование зависимости )( óäóä ÝS ,
связывающей вновь образованную удельную поверхность ( óäS ) при измель-
чении материала с энергозатратами ( óäÝ ) на этот процесс. Установлена
неизменность характера зависимости. При этом коэффициент пропорцио-
нальности в зависимости меняется при переходе к тонкому, а затем и сверх-
тонкому измельчению. Это уточняет гипотезу Риттингера, распространяя ее
на область получения сверхтонких материалов. Было установлено также су-
ществование критического уровня энергопотребления, переход через кото-
рый характеризует значительное повышение энергопотребления и достиже-
ние предельных возможностей механического раскрытия ценных компонен-
тов [1]. При этом наблюдается тенденция снижения удельной производи-
тельности с повышением содержания требуемого готового класса в продукте
измельчения.
На рис. 1 показана связь удельной производительности по готовому
классу ( 74q ) и содержания готового класса (-74 мкм) в песках рудоразмоль-
ных барабанных мельниц горно-обогатительных комбинатов Криворожского
железорудного бассейна: 1 – Южный, 2 – Ново-Криворожский, 3 – Цен-
тральный, 4 – Северный, 5 – Ингулецкий.
Рис. 1 – Зависимость удельной производительности по готовому классу
от содержания готового класса в песках рудоразмольных мельниц гор-
но-обогатительных комбинатов Криворожского железорудного бассейна
Струйное измельчение обеспечивает получение более тонкого продукта
(Sуд до 8000 см2/г), чем при шаровом измельчении. На рис. 2 показаны зави-
симости удельной поверхности от энергоемкости для тонкого измельчения в
струйной (1) и шаровой (2) мельницах.
75
Рис. 2 – Зависимости удельной поверхности продуктов от удельных
энергозатрат при измельчении
Эти зависимости имеют вид:
для струйной мельницы
5,10574,182
1
óäóä ÝS , (1)
для шаровой мельницы –
2285952 ,удЭ,удS (2)
Коэффициенты уравнений характеризуют повышенную динамичность
струйного измельчения (k1= 182,4) сравнительно с шаровым (k2 = 95,5) спо-
собом. В результате при струйном измельчении достигаются значительно
меньшие размеры частиц.
Установлено повышение энергоемкости мельниц при достижении опре-
деленной величины размера частиц продуктов. Так, для струйного измельче-
ния это 10 – 15 мкм, тогда как для шарового измельчения – 40 – 60 мкм.
Прочность частиц увеличивается с уменьшением их размера d, особенно в
области размеров частиц менее 2,5 мм. Это подтверждается эксперименталь-
но установленной закономерностью на примере тонкого измельчения клин-
кера и известняка [2] в виде: 872,02,88)( dd (с коэффициентом корреляции
R = 97,5).
Таким образом, можно утверждать, что интенсивность образования но-
вой поверхности при тонком измельчении материалов прямо пропорцио-
нальна потребляемой энергии и снижается при достижении критической ве-
личины крупности измельченного продукта (15 – 25 мкм в зависимости от
материала), что обусловлено повышением прочности частиц. Отсюда следу-
ет, что основная задача тонкого измельчения – определение условия перехо-
да процесса измельчения через критический уровень как в сторону увеличе-
ния, так и сторону уменьшения интенсивности. При этом необходимо опре-
делить по состоянию цикла измельчения момент перехода режимом измель-
чения критического уровня и выбрать скачок изменения производительности
по исходному материалу. Решение этих задач позволит решить проблему со-
76
здания оптимальных условий сверхтонкого помола. Это указывает на тот
факт, что для получения высокой производительности по тонкому продукту
необходимо управлять процессом. Оптимизацию производительности мель-
ницы и управление процессом тонкого измельчения предлагается осуществ-
лять с использованием математического моделирования и информационных
технологий.
Основой моделирования служили результаты исследования кинетики из-
мельчения фракций поликомпонентных минеральных систем, включающих
минералы с различной прочностью и измельчаемостью. Сыпучий материал
рассматривался как смесь отдельных фракций частиц различного размера,
разделенных на классы в соответствии с гранулометрическим составом ис-
ходного материала. На основе независимости результатов измельчения раз-
нопрочных компонентов в смеси полагалось, что узкие фракции, находясь в
составе смеси, измельчаются по разным законам. Экспериментальные из-
мельчения узких фракций и исходной смеси различных материалов в струй-
ной и шаровой мельницах [3] подтверждают закономерность независимости
кинетики измельчения каждой узкой фракции в смеси. На основе этого раз-
работан комплексный подход к анализу кинетики процесса измельчения,
учитывающий как кинетику вновь образованной удельной поверхности, так и
закономерности сокращения крупности.
Процесс тонкого измельчения в мельницах разного типа оценивался ма-
тематическим ожиданием )()(
1
N
i
ii
dtMx и стандартным отклонением
гранулометрического состава материала:
32
2
1
32
2
1
)(
)(
btbtbt
atatatMх
, (3)
где t – время измельчения,
ii
d, – выход класса крупности материала (%) и
средний диаметр частиц этого класса соответственно, N – число классов.
Установлено, что коэффициенты ai , bi зависят от свойств материала и
типа мельницы (струйная, шаровая и стержневая) [4]. Анализ коэффициентов
уравнения зависимости )t( по знаку позволяет судить о степени завершен-
ности процесса измельчения до заданной удельной поверхности или крупно-
сти.
Уравнение для вновь образованной удельной поверхности материала с
учетом выражения для математического ожидания распределения грануло-
метрического состава имеет вид:
)(/1 tхMkS
s
, (4)
где sk – коэффициент поверхности частиц, учитывающий различие площади
поверхности реальных частиц и соответствующих сферических частиц, рав-
новеликих им по объему, x – крупность класса. Показано, что при определе-
нии величины коэффициента sk учет вклада классов мелких частиц (менее
40 мкм) позволяет уменьшить погрешности расчетов удельной поверхности
на порядок.
Экспериментально установлена связь коэффициента поверхности sk с
плотностью и удельной поверхностью материала:
77
66,267,888,0 2 sk ; 13,1002,0 óäs Sk . (5)
Использование уравнений (3) – (5) позволяет прогнозировать кинетику
измельчения на основе контроля дисперсности по коэффициентам уравнения
стандартного отклонения грансостава и, таким образом, исключить переиз-
мельчение материала и переход критического уровня режима измельчения.
Учитывая, что прирост вновь образованной поверхности, согласно гипо-
тезе Риттингера, пропорционален потраченной на ее образование энергии,
снижение энергоемкости измельчения возможно при снижении удельной по-
верхности продукта. Однако увеличившейся поверхности соответствует но-
вая дисперсность, которая описывается соответствующей функцией распре-
деления. Показано, что оптимизировать процесс измельчения следует, взяв за
основу целевую функцию minss при достижении заданного (технологией
последующего использования измельченного продукта) содержания в нем
контрольного класса крупности (а), т. е.
a
a dxõ
0
)( (здесь – функция
распределения грансостава). Тогда максимальная производительность мель-
ницы по вновь образованному контрольному классу крупности достигается
при минимально возможной удельной поверхности измельченного продукта
с заданным содержанием контрольного класса крупности.
Уравнения (3) были использованы для вычисления скорости измельчения
фракций [4]. Результаты струйного измельчения шлака, измельчения полиме-
таллической руды в шаровой мельнице и бедных медно-никелевых руд в
стержневой и шаровой мельнице позволили обосновать схемы измельчения
на основе вычисления скорости измельчения материалов.
Чтобы избежать переизмельчения и получить тонкодисперсный продукт, в
обогатительной практике используют замкнутые циклы измельчения, в кото-
рых измельченный продукт подается в классифицирующий аппарат, где тон-
кий (готовый) продукт выводится из измельчительного цикла, а более грубый
продукт направляется снова в этот же измельчительный аппарат (рис. 3).
Рис. 3 – Схема измельчения материала в замкнутом цикле с совме-
щением предварительной и контрольной классификации
При анализе замкнутых циклов процесс измельчения рассматривается как
превращение крупных классов в мелкие. Модели рассматриваемых замкнутых
78
циклов измельчения составляются [5] на основе уравнений баланса расчетно-
го класса в операции классификации ( ÅÅ , – классы крупности менее и бо-
лее расчетного соответственно) и смешения продуктов. В качестве показате-
ля, характеризующего крупность продукта, используется величина остатка R
на контрольном сите при объеме материала Q. Исследование позволило по-
лучить зависимость для удельной производительности мельницы V
aq по
вновь образованному контрольному классу a при выполнении технологиче-
ского задания получения требуемой дисперсности измельченного продукта
. Величину V
aq рекомендуется принимать в качестве характеристики мель-
ницы при измельчении данной руды и использовать в уравнении кинетики
измельчения, а также для расчета производительности замкнутых циклов из-
мельчения.
Теоретические положения подтверждены при имитационном моделиро-
вании процесса измельчения в замкнутых циклах, основанном на дискретно-
событийном подходе моделирования стохастических динамических процес-
сов.
Программный комплекс моделирования процесса измельчения состоит
из двух подсистем:
1) модель кинетики движения материала в замкнутой системе при непре-
рывном измельчении;
2) модель кинетики переходов материала между фракциями внутри
мельницы.
Первая модель показала зависимость производительности мельницы от
режима загрузки при работе в замкнутом цикле, при этом производитель-
ность измельчительной установки возможно повысить на 1,4 % [6]. Во вто-
рой модели был введен коэффициент-переключатель, контролирующий
удельную поверхность, вычисляемую по составу фракций в зоне измельче-
ния. После переключения на режим контроля переизмельчения (К > 1), т. е.
при условии минимальной удельной поверхности при заданном выходе кон-
трольного класса, наблюдается повышение производительности на 5 – 7%
при прочих равных условиях [1].
Разработана математическая модель процесса тонкого измельчения ма-
териалов в рамках теории цепей Маркова с использованием результатов аку-
стического мониторинга процесса. Особенность модели состоит в том, что (в
отличие от существующих ячеечных моделей) фракционные массопотоки в
измельчительной установке в различных режимах ее работы связываются с
акустическими характеристиками зоны измельчения. Для создания модели на
примере измельчения в струйной мельнице весь диапазон акустических сиг-
налов (АС), регистрируемых в зоне измельчения, разбивается на поддиапазо-
ны со средними размерами амплитуды miAi ,..2,1, , где 1i соответствует
maxA . Таким образом, все сигналы разбиваются на m ячеек по размерам их
амплитуд. Число сигналов с соответствующими амплитудами определяет со-
стояние элементарной ячейки. Количество АС может быть представлено век-
тором-столбцом minN i ,...2,1),( , где in – число АС i-й ячейки, т. е. число
сигналов, имеющих амплитуду iA . При моделировании кинетики струйного
измельчения процесс рассматривается как последовательность малых про-
межутков времени t – времени перехода. Тогда текущие моменты времени
79
процесса и записи акустического мониторинга будут определяться как
tkt
k
, где целое число ,...2,1k – номер перехода. За k -й переход век-
тор состояния
kN перейдет в 1kN . Более подробно модель описана в [7].
Результаты моделирования струйного измельчения проверены экспери-
ментальными исследованиями струйного измельчения материалов различных
физико-химических свойств с применением акустического мониторинга про-
цесса. Испытания проводились на экспериментальных стендах ИТМ произ-
водительностью 0,2 кг/ч (рис. 4а – УСИ-02), 20 кг/ч (рис. 4б – УСИ-20) и
промышленной мельнице (рис. 4в) Вольногорского горно-металлургического
комбината (ВГМК), Измельчитель включает струйную помольную камеру,
классификатор, циклон, систему подачи и очистки энергоносителя.
Акустические сигналы фиксировались волноводом (на рис. 4в – цилиндр
в центре помольной камеры) в зоне измельчения и передавались датчиком
через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на компьютер. Специальные
программы обрабатывали сигналы и определяли их характеристики [8].
Акустические основы мониторинга технологии тонкого измельчения
включают установление взаимосвязи эффектов измельчения и диспергирова-
ния (производительности, размера частиц, удельной поверхности продукта) с
акустическими характеристиками зоны помола (суммарным и частным сче-
том акустических сигналов, величинами амплитуд), что позволяет произво-
дить выбор оптимального режима работы мельницы.
Рис. 4 – Экспериментальные стенды ИТМ и помольная ка-
мера мельницы ВГМК
Исходя из физической сути процесса струйного измельчения, были вы-
делены и изучены следующие режимы: 1 – начало загрузки струй материа-
лом, 2 – оптимальный рабочий режим, 3 – режим разгрузки и 4 – режим пере-
грузки струй, за которым может наступить “завал” (аварийная остановка)
помольной камеры.
80
Установлены связи акустических параметров с режимами измельчения
[9]. Изменение режима струйного измельчения, включая подачу в струю ма-
териала, различные состояния струй по содержанию твердой фазы и дина-
мичности разрушения частиц обусловливают изменения амплитудных рас-
пределений акустических сигналов в зоне помола. При этом повышение
уровня акустической активности зоны помола на любой стадии является фак-
тором роста числа ударов частиц и, следовательно, интенсификации измель-
чения и увеличения производительности мельницы.
Исследовалось влияние крупности исходных сыпучих материалов на
акустические параметры. Проведенный акустоэмиссионный мониторинг ки-
нетики струйного измельчения шамота позволил установить, что увеличение
крупности измельчаемых частиц на порядок (в экспериментах от 0,3 до 3 мм)
увеличивает более чем на порядок значение амплитуд АС как при загрузке
струй, так и в рабочем режиме измельчения при прочих равных условиях
(параметры энергоносителя, режим классификации). Выявлена линейная
корреляционная связь среднего размера ( d = 1 – 6 мкм) частиц (циркона) с
величиной его удельной поверхности (по опытным данным измерений на
приборе «MALVERN») в диапазоне удS = 0,4 – 1,6 м2/г.
Изменение размеров частиц в процессе струйного измельчения характе-
ризуется следующими закономерностями изменения амплитуд акустических
сигналов и их распределений:
– В начале рабочего режима измельчения максимальные значения ам-
плитуд АС коррелируют с размерами измельчаемых частиц. По завершении
стадии разгрузки струй величина амплитуды АС коррелирует с параметром
дисперсности удS (удельной поверхности) измельченного продукта.
– Угол наклона зависимости амплитуды АС от размера частиц А(d) из-
меняется с изменением плотности измельчаемого материала: чем выше
плотность материала при прочих равных условиях, тем значительнее влия-
ние размера частиц на величину амплитуды АС. Это влияние наиболее су-
щественно при крупности частиц выше 0,2 мм.
– Признаком возрастающего эффекта диспергирования, при прочих
равных условиях, является увеличение доли малоамплитудных АС (в экспе-
риментах – менее 0,04 В при частоте регистрации сигналов 400 кГц) в из-
меряемом счете АС.
Проведенное акустическое наблюдение параметров и показателей про-
цесса струйного измельчения различных материалов (уголь, доменный шлак,
шамот, известняк, кварцевый песок, циркон) показало полезность акустиче-
ской информации для диагностики состояния струй, эффективности их рабо-
ты в аспекте производительности мельницы, а также для контроля дисперс-
ности измельченного продукта.
Использование двух датчиков в различных зонах струйной установки да-
ло возможность контролировать качество измельчения. При нарушении тех-
нологии измельчения могут возникать нарушения дисперсности продукта,
при этом возрастает выход продукта классом выше контрольного, т. е.
R63 > 3 %. Акустический мониторинг позволяет контролировать качество из-
мельченного материала по амплитуде А (мВ) акустических сигналов зоны
классификации. На рис. 5 представлены записи акустических сигналов в
условиях работы промышленной мельницы на ВГМК.
81
а) некондиционное качество: R63 3%; б) допустимое качество: R63 = 1,5%;
в) оптимальное качество: R63 = 0 – 0,5%.
Рис. 5 – Записи акустических сигналов при измельчении циркона на ВГМК
Исследовалось влияние подогрева энергоносителя на эффективность из-
мельчения. Показано преимущество использования подогрева энергоносите-
ля в теплообменнике. При этом готовый продукт сверхтонкого измельчения
получают без нежелательных посторонних примесей. На установке ИТМ
струйного измельчения (УСИ-20) исследовался процесс измельчения с нагре-
вом энергоносителя различных материалов: шамота, шлака, карбида бора,
технического мела. Установлено, что работа струйной мельницы с нагретым
энергоносителем является более эффективным вариантом технологии измельче-
ния. В экспериментах при давлении энергоносителя Р = 0,25 МПа, числе оборо-
тов ротора классификатора n = 2000 – 3000 мин-1 производительность мельницы
увеличивалась до 4 раз по сравнению с вариантом без подогрева.
Проведенные исследования (на примере струйного измельчения различ-
ных гетерогенных материалов: уголь, доменный шлак, шамот, известняк,
кварцевый песок, циркон) позволяют сделать следующие выводы.
Основу информационной акустической диагностики процесса тонкого
измельчения без применения специальных мелющих тел или устройств могут
составить следующие принципы.
1. Смена режима загрузки струй (начало подачи материала, рабочий ре-
жим измельчения, разгрузка струй) сопровождается изменением плотности
потока частиц в струях и, соответственно, вероятности разрушающих ударов
на частицы, что приводит к изменению активности N АС. Постоянство уров-
ня высокой активности N АС в зоне помола (порядка lg N = 5,2 – 5,4 для
исследованных материалов) характеризует условие достижения максималь-
ной эффективности струйного измельчения.
2. Изменение размеров частиц в процессе измельчения сопровождается
изменением значений амплитуд акустических сигналов. Максимальные зна-
чения амплитуд АС на стадии завершения разгрузки струй коррелируют с
параметром дисперсности Sуд (удельной поверхности) измельченного про-
дукта. Признаком возрастающего эффекта диспергирования при прочих рав-
ных условиях является увеличение доли малоамплитудных АС в измеряемом
счете АС.
82
Обработка опытных данных акустического мониторинга работы струй-
ной мельницы с целью прогнозирования эффективности процесса тонкого
измельчения и дисперсности готового продукта должна включать установле-
ние следующих параметров и зависимостей:
– кинетику активности N АС в рабочем режиме зоны измельчения;
– уровень максимальных (от десятых долей до единиц вольта) значений
Амах амплитуд АС при максимальной (порядка 105 и выше) активности N АС;
– долю N (А-40) счета акустических сигналов малой (менее 0,04 В) ампли-
туды на стадии завершения разгрузки струй;
– амплитудные распределения АС по величине – для контроля границы
перехода рабочего режима в стадию разгрузки струй;
– амплитудные распределения АС по величине, фиксируемые после выхо-
да продукта из классификатора – для контроля качества измельченного
продукта.
На основе проведенного акустического мониторинга процесса из-
мельчения созданы базы данных акустических и технологических парамет-
ров процесса измельчения различных сыпучих материалов и разработана си-
стема идентификации процесса тонкого измельчения [10, 11]. Некоторые
способы защищены патентами Украины (см. рис. 6).
.
Акустоэмиссионная оптимизация
тонкого измельчения
непрерывный контроль
максимальной амплитуды
АС
информационная технология
измельчения (нейросетевая)
энергетический анализ
система анализа
АС мельницы
определение
технико-акустических критериеввизуализация
пространственной модели
система анализа
качества продукта измельчения
Рис. 6 – Способы оптимизации тонкого измельчения на основе резуль-
татов акустического мониторинга процесса
Установленные принципы оптимизации тонкого измельчения использу-
ются при разработке системы управления работой струйных измельчитель-
ных установок, предназначенных для получения из сыпучих твердых матери-
алов порошков дисперсностью Sуд (м2/г) порядка от долей до нескольких
единиц.
На основе анализа технологических и акустических параметров установ-
лена связь энергопотребления процесса измельчения с характеристиками
акустических сигналов. Это позволило выявить акустические энергетические
параметры и исследовать их кинетику в условиях промышленного измельче-
ния циркона на струйной мельнице ВГМК [14]. Установлено, что диапазон
83
минимальных значений акустической энергоемкости измельчения составляет
Эизм = 400 – 700 имп/г, акустической энергоемкости диспергирования –
Эдисп = 0,4 – 0,6 имп/см2.
Анализ полученных результатов позволяет считать реальным значитель-
ное снижение удельных энергозатрат на измельчение и диспергирование за
счет поддержания оптимальной загрузки струй материалом. Так, макси-
мальная экономия энергии на процесс измельчения может составить до
190 кВт-ч/т при Sуд порядка 1600 – 1800 см2/г, а на процесс образования
новой поверхности продукта ( S уд = 800 – 1000 см2/г) может составить
до 140 кВт-ч/т.
Выводы.
1) На основе анализа энергетических особенностей тонкого измельчения
показано изменение коэффициента пропорциональности в зависимости вновь
образованной поверхности при тонком измельчении твердых полезных иско-
паемых от потребляемой на ее образование энергии, что стало базой кон-
троля энергоемкости процесса.
2) Экспериментально подтверждена независимость кинетики измельче-
ния узких фракций крупности в смеси минерального сырья, что послужило
основой вычисления скорости их измельчения и разработки рекомендаций по
формированию технологических схем измельчения.
3) Разработан новый метод оптимизации технологии струйного измель-
чения с учетом современной теории предразрушения твердого тела, включа-
ющий использование метода акустической эмиссии для мониторинга процес-
са измельчения. Получены теоретические и экспериментальные зависимости,
характеризующие связь удельной поверхности измельчаемого материала,
гранулометрического состава материала, производительности мельниц с аку-
стическими параметрами процесса измельчения, позволившие разработать
принципы оптимизации струйного измельчения.
4) Разработаны имитационная, динамическая модели тонкого измельче-
ния в замкнутом цикле и ячеечная модель измельчаемости материала на ос-
нове результатов акустического мониторинга процесса, позволяющие иден-
тифицировать и выбирать оптимальные режимы процесса.
5) Разработана информационная технология струйного измельчения,
позволяющая при минимальном количестве начальных экспериментальных
данных акустического мониторинга выполнить выбор оптимальных парамет-
ров процесса струйного измельчения для различных материалов и техноло-
гических режимов. Методы визуализации и идентификации измельчения на
основе использования информационных технологий позволяют контролиро-
вать режимы работы мельницы и выбирать оптимальную ее загрузку. Про-
гнозирование хода процесса измельчения минералов с использованием моде-
лирования и информационных технологий позволит снизить инерционность
управления и осуществлять упреждающие управляющие воздействия для
обеспечения эффективности производства тонкодисперсных порошков.
6) Разработан метод оценки энергозатрат при струйном измельчении, ос-
нову которого составляют связи технологических, акустических и энергети-
ческих показателей работы мельницы в различных областях дисперсности
получаемого готового продукта. Акустический метод оценки энергозатрат на
струйное измельчение включает установление акустических показателей
энергоемкости измельчения и диспергирования.
84
1. Прядко Н. С. Моделирование кинетики тонкого измельчения в помольной камере / Н. С. Прядко //
Техническая механика. – 2014. – № 2. – С. 93 – 100.
2. Іванов А. М. Наукове обгрунтування та створення високоефективних процесів подрібнення в помольно-
му агрегаті з трубним млином на принципі селективності / А. М. Иванов // Автореферат дисерт. д-р
техн. наук за спец. 05.17.08 – процеси та обладнання хімічної технології.– НГУ «ХПІ». – 2006. – 39 с.
3. Пилов П. И. Кинетика измельчения смеси фракций крупности / П. И. Пилов, Н. С. Прядко, Е. В. Терно-
вая // Збагачення корисних копалин. – 2014. – № 57 (98). – С. 101 – 106.
4. Исследование скорости измельчения руд мельницами различных типов / Н. С. Прядко, Г. А. Стрельни-
ков, Е. В. Терновая, В. А.Грушко, Н. Ю. Пясецкий // Техническая механика. – 2014. – № 3. – С. 114 –
121.
5. Пилов П. И. Снижение энергопотребления в замкнутых циклах тонкого измельчения руд / П. И. Пилов,
Н. С. Прядко // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2013. – №6. – С. 75 – 80.
6. Прядко Н. С. Имитационная модель кинетики тонкого измельчения материалов / Н. С. Прядко,
Г. М. Саксонов, Е. В. Терновая // Вестник НТУ «ХПИ». – 2014. – Вып. 53 (1095). – С. 89 – 97.
7. Прядко Н. С. Моделирование процесса струйного измельчения на основе акустического мониторинга
/ Н. С. Прядко // Техническая механика . – 2012. – №3. – С.179 – 184.
8. Прядко Н. С. Акустико-эмиссионный мониторинг процесса струйного измельчения / Н. С. Прядко //
Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 2012. – № 6. – С. 46 – 52.
9. Прядко Н. С. Акустические исследования струйного измельчения// LAP LAMBERT Academic
Publishing.–OmniScriptum GmbH&Co.Kg. – 2013. – Saarbrucken Germany. –172 c.
10. Прядко Н. С. Информационные технологии для управления тонким измельчением / Н. С. Прядко,
Г. А. Стрельников // Техническая механика. – 2014. – №4. – С. 118 – 125.
11. Pryadko N. S. Optimization of fine grinding on the acoustic monitoring basis / N. S. Pryadko // Power Engi-
neering, Control & Information Technologies in Geotechnical Systems. –Taylor & Francis Group, London,
2015. – Р. 99 – 108.
12. Pilov P. I. Research of acoustic monitoring regularities in a jet grinding process / P. I. Pilov, L. J. Gorobets,
N. S. Pryadkо // Archives of Mining Sciences, Polish Academy of Sciences. – 2009. – Vol. 54 (2009), № 4. –
Р. 841 – 848.
13. Pivnyak G. G. Decrease of Power Consumption in Fine Grinding of Minerals / G. G. Pivnyak, P. I. Pilov,
N. S. Pryadkо // Mine Planning and Equip-ment Selection C Drebenstedt and R. Singhal (eds), DOI:
10.1007/978-3-319-02678-7_104@ Springer Interna-tional Publishing Switserland. – 2014. – P. 1069 – 1079.
14. Прядко Н. С. Спосіб газоструминного подрібнення сипучого матеріалу // Патент № 98182 від
25.04.2012, бюл. №8, заявка № а 201008111від 10.01.2012
Институт технической механики Получено 08.10.2015,
Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 22.10.2015
Государственного космического агентства Украины,
Днепропетровск
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100785 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1561-9184 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:28:40Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут технічної механіки НАН України і НКА України |
| record_format | dspace |
| spelling | Прядко, Н.С. Коваленко, Н.Д. Стрельников, Г.А. 2016-05-26T19:43:40Z 2016-05-26T19:43:40Z 2015 Развитие теории и технологии тонкого измельчения / Н.С. Прядко, Н.Д. Коваленко, Г.А. Стрельников // Техническая механика. — 2015. — № 4. — С. 72-84. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1561-9184 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100785 622.73 Систематизированы результаты проведенных в Институте технической механики (ИТМ) Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины исследований по развитию теории и технологии тонкого измельчения различных материалов. Принципиально новый подход к исследованию процесса тонкого измельчения, развиваемый в ИТМ, основан на связях акустических параметров процесса с кинетическими и энергетическими параметрами разрушения и измельчения. Систематизовано результати проведених в Інституті технічної механіки (ІТМ) Національної академії наук України і Державного космічного агентства України досліджень щодо розвитку теорії і технології тонкого подрібнення різних матеріалів. Принципово новий підхід до дослідження процесу тонкого подрібнення, що розвивається в ІТМ, базується на зв'язках акустичних параметрів з кінетичними та енергетичними параметрами руйнування й подрібнення. The research results of the development of a fine grinding theory and a technology for various materials obtained at the Institute of Technical Mechanics (ITM) of the National Academy of Sciences of Ukraine and the State Space Agency of Ukraine are classified. A principally new approach to the fine grinding research is based on the association of the acoustic process parameters with the kinetic and power parameters for decomposing and grinding. ru Інститут технічної механіки НАН України і НКА України Техническая механика Развитие теории и технологии тонкого измельчения Article published earlier |
| spellingShingle | Развитие теории и технологии тонкого измельчения Прядко, Н.С. Коваленко, Н.Д. Стрельников, Г.А. |
| title | Развитие теории и технологии тонкого измельчения |
| title_full | Развитие теории и технологии тонкого измельчения |
| title_fullStr | Развитие теории и технологии тонкого измельчения |
| title_full_unstemmed | Развитие теории и технологии тонкого измельчения |
| title_short | Развитие теории и технологии тонкого измельчения |
| title_sort | развитие теории и технологии тонкого измельчения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100785 |
| work_keys_str_mv | AT prâdkons razvitieteoriiitehnologiitonkogoizmelʹčeniâ AT kovalenkond razvitieteoriiitehnologiitonkogoizmelʹčeniâ AT strelʹnikovga razvitieteoriiitehnologiitonkogoizmelʹčeniâ |