Belgorod, Russian Federation
graduate student
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
GRNTI 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
OKSO 18.02.05 Производство тугоплавких неметаллических и силикатных материалов и изделий
BBK 386 Технология строительного производства
BISAC TEC018000 Industrial Technology
At present, cement is the most common binding material widely used in construction work. Recently, high-quality cement has become increasingly used in comparison with ordinary cement. This is due to the fact that the use of high grade cement requires a smaller amount for the preparation of mortar, it is economically viable, because in today's market, cement has a relatively high cost. The high price is a consequence of the high energy costs associated with the production of cement. This implies the need to find ways to intensify the technological process of cement production. The authors of this article continue to conduct scientific research, which consists in substantiating the rationality of recovery a double-ball media in the second chamber mill. This paper compares the efficiency of the second chamber of the mill when using a double-ball grinding media in comparison with several variants of the traditional media and thoroughly proves the rationality of replacing the traditional types of grinding media with a double-ball. Based on the results of previous studies, several of the most characteristic assortments of double-ball media are selected, which made it possible to obtain a finished product with a high fineness of grinding in a relatively short grinding time. The first variant of the traditional loading is characterized by the fact that the second chamber of the mill is loaded with an assortment of grinding bodies consisting only of balls of the same diameter; the second variant differs from the first in that the grinding balls are replaced with cylpebs. Meanwhile, the assortment of grinding media for the first chamber is the same
grinding of clinker, cement mill, grain size composition, cylpebs, dispersed characteristics
Измельчение цемента является завершающей стадией его производства, помимо этого именно здесь окончательно формируется качество и потребительские свойства выпускаемой продукции, что в свою очередь влияет на конкурентоспособность предприятия [1]. Себестоимость реализуемого товара включает в себя все финансовые расходы, связанные с его производством [2]. В эти затраты, входит также общий расход электроэнергии, связанный с изготовлением цемента.
В условиях современного рынка, построенного на конкурентной основе, успех работы любого предприятия, независимо от того какой деятельностью оно занимается, зависит от его конкурентоспособности [3]. Поэтому руководители заинтересованы в применении на производстве энергоэффективных технологий и энергосберегающего оборудования [4]. В сфере производства строительных материалов цементная промышленность относится к самому энергоемкому производству. Удельный расход электроэнергии в зависимости от способа производства составляет 90 – 150 кВт∙ч/т цемента [5]. При этом доля электроэнергии, затрачиваемая непосредственно на измельчение цемента колеблется в пределах от 40 до 50% [6].
Из выше приведенных цифр видно, что необходимо разрабатывать и внедрять энергосберегающие технологии. В частности, для снижения энергопотребления в цехе помола широко используют перевод цементной шаровой мельницы на замкнутый цикл [7]. В данном случае направление совершенствования технологии измельчения цемента в мельницах сводится к созданию более совершенных типов сепараторов, отличающихся высокой степенью разделения частиц размолотого материала [8 – 11].
На сегодняшний день существует еще один довольно распространенный метод снижения удельного расхода электроэнергии, заключающийся в модернизации деталей и узлов шаровой мельницы, а также ее внутренней оснастки [12 – 14]. В этом направлении разрабатываются износостойкие материалы бронефутеровок, позволяющие увеличить количество часов бесперебойной работы помольного агрегата [15 – 17], виды профиля бронеплит [18], совершенствуется конструкция межкамерных перегородок [19– 21].
Снизить энергоемкость процесса измельчения цемента в мельнице можно путем использования во второй камере рациональной по составу мелющей загрузки, которая обеспечит возможность получения в мельнице открытого цикла без изменения мелющей загрузки как рядовых, так и высокомарочных цементов без использования воздушных сепараторов, что приведет к снижению энергетических затрат, связанных с помолом.
В настоящее время для тонкого измельчения цемента во второй камере производственной мельницы используются только мелющие шары диаметром от 15 до 50 мм [22]. В советское время для этой цели служил цильпебс [23]. Лабораторная мелющая загрузка (МЗ), моделирующая процесс измельчения клинкера в производственных условиях, нами названа традиционной ТРЗ1, ассортимент которой представлен в таблице 1. В этой же таблице представлены все ассортименты МЗ, участвующих в экспериментах.
Согласно методике ГИРОЦЕМЕНТ определения размолоспособности, ассортимент мелющей загрузки для лабораторной мельницы следующий. I камера: Ø74=10 кг; Ø60=9 кг; Ø54=16 кг; Ø40=20 кг; II камера: цильпебс. Коэффициент заполнения и общая масса мелющих тел в обеих камерах 0,2 и 55 кг, соответственно. Данная загрузка названа ТРЗ2.
Из большого количества разных вариантов ассортимента двухшаровой мелющей загрузки (ДШЗ) [24 – 26] нами был выбран Ø40+мелкий шар. Выбор был продиктован возможностью получения за сравнительно короткое время помола высокомарочного цемента в мельнице открытого цикла.
Цель исследований: показать возможность получения в мельнице открытого цикла без использования сепаратора готового продукта с улучшенными значениями показателей, характеризующих тонкость помола, по сравнению с традиционно применяемым для этой цели ассортиментом размольных шаров и цильпебса.
Задачи исследований:
- осуществить измельчение клинкера с использованием в мельнице традиционной мелющей загрузки (ТРЗ1);
- в течение всего процесса помола измерять значения показателей дисперсных характеристик, таких как удельная поверхность, суммарный остаток на контрольном сите №008, по завершению процесса помола определить содержание основных фракций в порошке продукта измельчения и ширину гранулометрического интервала;
- по полученным данным графически построить кинетику изменения дисперсных характеристик во времени размалываемого материала;
- осуществить повторное измельчение клинкера, при этом заменив шаровую загрузку второй камеры на цильпебс (ТРЗ2);
- построить аналогичные графики зависимостей показателей дисперсных характеристик от времени;
- на основании полученных результатов исследований, провести сравнительный анализ и сделать заключение.
Таблица 1
Ассортименты МЗ, использованные в рамках научной работы
|
Наименование мелющей загрузки |
Ассортимент мелющей загрузки |
|
|
I камера |
II камера |
|
|
Традиционная (ТРЗ1) |
Ø74/Ø60/Ø54/Ø40 |
мелкий шар одного диаметра |
|
Традиционная (ТРЗ2) |
Ø74/Ø60/Ø54/Ø40 |
цильпебс |
|
Двухшаровая |
Ø74/Ø54 (ПШУ) |
Ø40+мелкий шар |
В рамках данных научный исследований использовался клинкер, производства ЗАО «Осколцемент» фракции -5+1,25 мм. Измельчение проводили без гипса в мельнице ГИПРОЦЕМ 0,5х0,56 м, объемом 10 л. При работе с двухшаровой загрузкой в целях достижения чистоты эксперимента в первой камере использовали энергоэффективную мелющую загрузку, менее чувствительную к колебаниям фракционного состава загружаемого материла. В качестве такой загрузки было решено использовать плотную шаровую упаковку (ПШУ) [27] с ассортиментом мелющих тел Ø74/Ø54=2:1. В остальных случаях в первой камере была загрузка Ø74/Ø60/Ø54/Ø40, в которой масса шаров диаметром 74 мм составила 10 кг, 60 мм – 9 кг, 54 мм – 16 кг и 40 мм – 20 кг. Во всех экспериментах масса мелющей загрузки в обеих камерах имела одинаковое значение равное 55 кг.
Моделирование работы второй камеры осуществляли следующим образом. Вначале исследуемый клинкер измельчался в первой камере на ПШУ или Ø74/Ø60/Ø54/Ø40, в зависимости от эксперимента, в течение 10 мин, затем из мельницы извлекались размольные шары, и загружалась исследуемая мелющая загрузка. Таким образом, время измельчения клинкера в камере тонкого помола составило 30 мин, общее время измельчения – 40 мин.
Через каждые 10 мин помола от порошка размалываемого материала отбирались пробы для установления величины удельной поверхности и остатка на контрольных ситах № 02 и 008. По завершении процесса измельчения у готового продукта определяли гранулометрический состав, а также ширину фракционного состава на приборе ANALYSETTE 22 NanoTec plus. Полученные результаты представлены на рисунках 1 – 2.
Рис. 1. Кинетика изменения удельной поверхности размалываемого клинкера во второй камере
Помол клинкера на ТРЗ1 приводит к следующим результатам: через 10 мин помола в первой камере удельная поверхность составляет 115 м2/кг, ∑R008=51,3%, к 25 и 35 минуте помола указанные показатели имеют значения Sуд=323 м2/кг, ∑R008=7,4%, и Sуд=385 м2/кг, ∑R008=3,4%, соответственно (рис. 1 – 2). Заменяя двухшаровую загрузку в мельнице на традиционную (ТРЗ1) у готового продукта по завершению процесса помола наблюдается уменьшение величины удельной поверхности на 14% и увеличение в 2 раза суммарного остатка на сите №008.
Измельчение клинкера на загрузке ТРЗ2 приводит к получению продукта измельчения с ухудшенными значениями дисперсных характеристик. Так по завершении процесса измельчения удельная поверхность составила 367 м2/кг, полный остаток на сите №008 6,4%.
Заменяя во второй камере мельницы ассортимент мелющей загрузки ТРЗ1 (состоящей из размольных шаров одного диаметра) на цильпебс, наблюдается увеличение в 2 раза суммарного остатка на сите №008 и примерно на 5% уменьшается удельная поверхность на момент окончания помола клинкера.
Если проводить численное сравнение дисперсных характеристик готового продукта, измельченного на ТРЗ2, с клинкером, измельченном на двухшаровой загрузке, то в данном случае негативный эффект использования цильпебса становится еще более очевидным. При этом ∑R008 возрастает с 1,7% до 6,4%, т.е. увеличивается в 4 раза, в то же время Sуд уменьшается на 22% (с 392 м2/кг до 307 м2/кг). Аналогичная зависимость наблюдается на промежуточной стадии измельчения.
По завершению процесса измельчения клинкеров на разных мелющих загрузках, у продукта измельчения определяли гранулометрический состав, полученные результаты представлены на рис. 4 в виде гистограммы.
Из рис. 4 видно, что порошок клинкера, полученный с использованием во второй камере мельницы цильпебса характеризуется повышенным содержанием крупной фракции (24,48%) и пониженным количеством мелкой фракции (12,48%), содержание частиц размером 5 – 30 мкм составило 66,04%.
В случае замены цильпебса на мелющие шары одного диаметра (помол на загрузке ТРЗ1) наблюдается увеличение количества частиц размером менее 5 мкм на 3%, уменьшение содержания частиц размером более 30 мкм на 5%, но при этом доля средней фракции изменяется не значительно.
Помол на двухшаровой загрузке позволяет увеличить содержание средней фракции до 69,78%, мелкой до 17,6%, при этом снизив долю крупной фракции до 12,62%. порошок клинкера, полученный на этой загрузке, по сравнению с порошком, полученным на ТРЗ1, содержит на 5% больше частиц размером 3 – 30 мкм,
Проводя аналогичное сравнение влияния на гранулометрический состав порошка клинкера между двухшаровой загрузкой и ТРЗ2 видно, что в данном случае эффективность использования двухшаровой загрузки становится более очевидной, т.к. в данном случае происходит увеличение содержания мелкой фракции на 5%, количество крупной фракции, наоборот, уменьшается в 2 раза. Доля средней фракции заметным образом не изменяется.
Ширина гранулометрического интервала порошка клинкера, измельченного на загрузке ТРЗ2, на 12% больше чем у клинкера, измельченного на загрузке ТРЗ1 (рис. 5). После проведения замены ТРЗ2 на двухшаровую загрузку произошло снижение величины данного показателя на 17%.
Рис. 2. Кинетика изменения полного остатка на сите №008 размалываемого клинкера во II камере
Рис. 4. Содержание основных фракций в порошке клинкера после 35 мин помола
Рис 5. Влияние ассортимента мелющих тел второй камеры мельницы на ширину гранулометрического интервала
Исходя из всего выше сказанного, можно сделать следующие выводы:
- Замещение мелющих шаров второй камеры мельницы на цильпебс сопровождается снижением на 9% величины удельной поверхности (на момент завершения помола), при этом происходит увеличение в 2 раза остатка на контрольном сите №008 (также в конце измельчения). Кроме того подобная замена не сказывается ощутимым образом на содержании основных фракций в порошке готового продукта. Аналогичная зависимость наблюдается и на промежуточной стадии измельчения (т.е. на 25 мин помола);
- Замещение мелющей загрузки ТРЗ1 на двухшаровую сопровождается увеличением удельной поверхности на 19% и 14%, уменьшением полного остатка на сите №008 в 1,5 раза и в 2 раза к 25 мин и 35 мин, соответственно.
- Проводя аналогичное сравнение двухшаровой загрузки и ТРЗ2 следует, что преимущество первой заключается в возможности получения готового продукта с величиной удельной поверхности на 22% превышающей значения удельной поверхности порошка клинкера, полученного на загрузке ТРЗ2, одновременно с этим происходит снижение в 4 раза суммарного остатка на контрольном сите №008. Различие в гранулометрическом составе у порошков продукта измельчения, полученного с использованием рассматриваемых мелющих загрузок не значительное.
- Наличие цильпебса во второй камере мельницы приводит к образованию полидисперсного продукта измельчения (обладающего широким гранулометрическим интервалом), двухшаровая загрузка наоборот способствует получению продукта с более однородным (узким) фракционным составом.
В ходе проведения научных исследований установлено, что суммарное использование ПШУ (предназначенной только для первой камеры) и двухшаровой мелющей загрузки гораздо более эффективно, чем использование традиционной мелющей загрузки любого ассортимента, т.к. позволяет за одно и то же время помола получить порошок клинкера, имеющего улучшенные значения показателей тонкости помола, по сравнению с порошками, полученными на традиционных загрузках. Это находит отражение в пониженном суммарном остатке на контрольном сите №008 и высоким значением удельной поверхности. Применение двухшаровой загрузки помимо всего выше перечисленного позволяет получать более однородный по фракционному составу порошок.
Целью дальнейших научных исследований является установление оптимального ассортимента мелющих тел во второй камере мельницы, позволяющего без перевода мельницы на замкнутый цикл, получать в помольном агрегате высокомарочный цемент.
1. Krykhtin G.S., Kuznetsov L.N. Intensi-fikation of work of mills [Intensifikaciya raboty mel'nic]. Novosibirsk: «Science». 1993, 240 p. (rus)
2. Aykhas K. Optimization of the grinding plant [Optimizaciya raboty pomol'nyh ustano-vok]. Bulletin of Cement and its application. 2015. No. 4. Pp. 32–36. (rus)
3. Yarkina T.V. Basics of Enterprise Eco-nomics: a short course [Osnovy ekonomiki predpriyatiya: kratkij kurs]. M.: Rossijskij gumanitarnyj internet-universitet (RGIU), 2005, 85 p. (rus)
4. Buyanova A.S., Devyataeva N.V. The use of energy-efficient and energy-saving tech-nologies in the cement industry in Russia [Primenenie energoeffektivnyh i energos-beregayushchih tekhnologij v cementnoj otrasli Rossii]. Bulletin actual problems of the humani-ties and natural sciences. 2014. No. 3-1. Pp. 161–164. (rus)
5. Duda V. Cement [Cement]. Moscow: Stroyizdat. 1981, 484 p. (rus)
6. Sinyakin A.G. Reducing the energy in-tensity of grinding cement through the use of additives intensifiers grinding SIKAGRIND [Snizhenie energoemkosti pomola cementa za schet ispol'zovaniya dobavok intensifikatorov pomola SIKAGRIND]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2007. No. 4. Pp. 34–36. (rus)
7. Telichenko V.A., Sharapov R.Z., Skel' V.I., Harlamov E.V. Analysis of the effective-ness of the grinding process in ball mills closed loop [Analiz effektivnosti processa izmel'cheni-ya v sharovyh mel'nicah zamknutogo cikla]. Bul-letin Mechanization of construction. 2016. Vol. 77. No. 11. Pp. 13–17. (rus)
8. Hal'bur M. Separators that will satisfy fu-ture demands [Separatory, kotorye povelyat udovletvorit' trebovaniya budushchego]. Bulletin of Cement and its application. 2015. No. 4. Pp. 52–54. (rus)
9. Mareshal' M.F. New high performance separator [Novyj vysokoeffektivnyj separator]. Bulletin of Cement and its application. 2017. No. 4. Pp. 100–101. (rus)
10. Rogachev S.P., Larin A.V. Ad-vantages of using 4th generation separators for grinding line upgrades [Preimushchestva prime-neniya separatorov 4-go pokoleniya pri modern-izacij pomol'nyh linij]. Bulletin of Cement and its application. 2018. No. 3, Pp. 62–64. (rus)
11. Bogdanov V.S., Bogdanov D.V., Annenko D.M., Gerasimenko V.B., Pomazov D.A. Analysis of the effectiveness of grinding in a ball closed loop [Analiz effektivnosti iz-mel'cheniya v sharovyh zamknutogo cikla]. Mezhvuzovskij sbornik nauchnyj statej «Ener-gosberegayushchie tekhnologicheskie kompleksy i oborudovaniya dlya proizvodstva stroitel'nyh materialov» Belgorod: BGTU im. V.G. Shuhova, 2017. Pp. 20–27. (rus)
12. Tishakova I.S., Yur'eva M.V. In-clined intercameral partition [Naklonnaya mezhkamernaya peregorodka]. Bulletin Educa-tion, science, production. Belgorod BSTU named after V.G. Shukhov, 2015. Pp. 1748–1750. (rus).
13. Tishakova I.S., Yur'eva M.V Double inclined intercameral partition for pipe separator mill [Dvojnaya naklonnaya mezhkamernaya peregorodka dlya trubnoj sepa-ratornoj mel'nicy]. Bulletin Education, science, production. Belgorod BSTU named after V.G. Shukhov. 2015. Pp. 1742–1747. (rus)
14. Nesmeyanov N.P., Kartygin A.V. Intrabeling devices and their influence on the grinding process of cement clinker [Vnu-trimel'nichnye ustrojstva i ih vliyanie na process izmel'chenie cementnogo klinkera]. V sbornike Naukoemkie tekhnologii i innovacii: sb. nauch. trudov po itogam Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Belgorod BSTU named after V.G. Shu-khov. 2016. Pp. 115–118. (rus)
15. Tishakova I.S., Eremchenko S.M. Tube mill armor [Bronefuterovka trubnoj mel'ni-cy]. Bulletin Education, science, production. Belgorod BSTU named after V.G. Shukhov. 2015. Pp. 1547–1550. (rus)
16. Bogdanov V.S., Hahalev P.A., Maslovskaya A.N. Technique of designing ener-gy-exchange lining of ball drum mills [Metodika proektirovaniya energoobmennyh futerovok sharovyh barabannyh mel'nic]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2014. No. 1. Pp. 67–72. (rus)
17. Degtyarev P.A. Ball mill 2.6X5.75 m with various options for lining plates [Sharovaya mel'nica 2,6H5,75 m s razlichnymi variantami futerovochnyh plit]. IX Mezhdu-narodnaya nauchno-prakticheskaya konferenci-ya molodyh studentov, aspirantov i uchenyh. Sbornik dokladov v 4-h tomah. Belgorodskij tekhnologicheskij universitet im. V.G. Shuhova. 2018. Pp. 27–29. (rus)
18. Porsev M.A. Modernization of the design of armored lining plates in ball mills [Modernizaciya konstrukcii bronefuterovochnyh plit v sharovyh mel'nicah]. Bulletin of Cement and its application. 2013. No. 5. Pp. 44–47. (rus)
19. Smol'kov M.G. Three-section in-terchamber partition of a tube ball mill [Trekhsekcionnaya mezhkamernaya perego-rodka trubnoj sharovoj mel'nicy]. VII Mezhdu-narodnaya nauchno-prakticheskaya konferenci-ya molodyh studentov, aspirantov i uchenyh. Sbornik dokladov v 3-h tomah. Belgorodskij tekhnologicheskij universitet im. V.G. Shuhova. 2014. Pp. 276–279. (rus)
20. Porsev M.A., Chumanov I.V. On the issue of increasing the service life of inter-chamber partitions of cement mills [K voprosu o povyshenii resursa raboty mezhkamernyh pere-gorodok cementnyh mel'nic]. Bulletin of Cement and its application. 2016. No. 6. Pp. 62–65. (rus)
21. Mamotov S.M., Mamotov D.I. Analysis of the design of an intraluminal device with an inclined partition [Analysis of the design of an intraluminal device with an inclined parti-tion]. Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenciya molodyh uchenyh BGTU im. V.G. Shuhova. Belgorodskij tekhno-logicheskij universitet im. V.G. Shuhova. 2017. Pp. 2630–2634. (rus)
22. Deshko Yu.I., Krejmer M.B., Kryhtin G.S. Grinding materials in the cement industry [Izmel'chenie materialov v cementnoj promyshlennosti]. Moscow: Stroyizdat. 1966, 270 p. (rus)
23. Sergo E.E. Mineral crushing, grinding and screening [Droblenie, izmel'chenie i grohochenie poleznyh iskopaemyh]. Moscow: Nedra. 1985, 285 p. (rus)
24. Barbanyagre V.D., Stronin A.A. Influence on the clinker particle size distribution of the assortment of grinding media and grinding intensifier [Vliyanie na granulometricheskij sostav klinkera assortimenta melyushchih tel i intensifikatora pomola]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2018. No. 1. Pp. 71–75. (rus)
25. Barbanyagre V.D., Stronin A.A. Investigation of the effect of the diameter of a large ball in the grinding load of an open-cycle mill on the dispersed characteristics of clinker [Issledovanie vliyaniya diametra krupnogo shara v melyushchej zagruzke mel'nicy otkrytogo cikla na dispersnye harakteristiki klinkera]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2018. No. 5. Pp. 60–65. (rus)
26. Stronin A.A., Barbanyagre V.D. Comparison of the effectiveness of using differ-ent types of dense ball loading when grinding Portland cement clinker [Sravnenie effektivnosti ispol'zovaniya raznyh tipov plotnoj sharovoj zagruzki pri izmel'chenii portlandcementnogo klinkera]. Trudy II Mezhdunarodnoj nauch.-tekhn. konf. «Energeticheskie sistemy» (23 – 24 noyabrya 2017 g.). Belgorod: BGTU im. V.G. Shuhova, 2017. Pp. 554–558. (rus)
27. Barbanagre V.D. Drum Mill Ball Loading. Patent RF. no. 2010121271/13, 2013.
