Барабанный дозатор с делителем потоков для электрических печей с подвижной подовой платформой

БАРАБАННЫЙ ДОЗАТОР С ДЕЛИТЕЛЕМ ПОТОКОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ С ПОДВИЖНОЙ ПОДОВОЙ ПЛАТФОРМОЙ

© А.И. Нижегородов, Т. Б. Брянских

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Резюме. Цель. Разработка принципа действия и исследование дозатора с управляемым делителем потока сыпучей среды. Методы. Рассмотрены методы разделения вермикулитовых концентратов на два и три равных потока для подачи в электрические печи обжига. Результаты. Теоретически и экспериментально доказано, что дозаторы с делителями потока сыпучей среды обеспечивают высокую точность разделения потоков. Заключение. Барабанные дозаторы могут использоваться не только для дозирования вермикулитовых концентратов, но и других сыпучих материалов с любой насыпной плотностью.

Ключевые слова: дозатор вермикулитового концентрата, трехъярусная печь, делитель потока.

Формат цитирования: Нижегородов А.И., Брянских Т.Б. Барабанный дозатор с делителем потоков для электрических печей с подвижной подовой платформой // Вестник ИрГТУ. 2016. № 6. С. 58-63. DOI: 10.21285/1814-35202016-6-58-63

A DRUM-TYPE BATCHER WITH A FLOW SEPARATOR FOR ROTARY HEARTH FURNACES A.I. Nizhegorodov, T.B. Bryanskikh

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Abstract. Purpose. The study is aimed at the development of the operation principle and study of a batcher with a controlled separator of granular materials flow. Methods. The methods of vermiculite concentrate separation into two or three equal flows to be fed to kilns are considered. Results. It is proved theoretically and experimentally that batchers with granular material flow separators provide high accuracy of flow separation. Conclusion. Drum-type batchers can be used for dispensing both vermiculite concentrates and other bulk materials with any bulk density. Keywords: vermiculite concentrate batcher, three-floor kiln, flow separator

For citation: Nizhegorodov A.I., Bryanskikh T.B. A drum-type batcher with a flow separator for rotary hearth furnaces. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 6, pp. 58-63. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-20166-58-63

Оригинальна статья / Original article УДК: 66.041.3-65:691.365 DOI: 10.21285/1814-3520-2016-6-58-63

Введение

Дозаторы - это широко распространенные машины, применяющиеся для дозирования сыпучих материалов в самых разных отраслях промышленности.

Дозаторы барабанного типа наиболее просты по конструкции, но при необходимости разделения сыпучей среды, например, на два потока с заданным соотношением весовых подач q1 и q2, кг/с, такие устройства требуют применения регулируемого привода и поэтому значительно усложняются [1].

Задача разделения сыпучей среды на два или три потока при ее дозировании

встречается на практике не часто, но в случае возникновения она может быть решена за счет применения барабанного дозатора с управляемым делителем потока [2]. Имеется опыт применения такого оборудования в технологии обжига вермикулита в электрических модульно-спусковых печах, где термообрабатываемый концентрат пересыпается с одного наклонного модуля на другой и, двигаясь в тепловом поле, вспучивается [3].

Целью исследования является разработка принципа действия и изучение управляемого делителя потока сыпучего массива, способного разделять его на два

1

Нижегородов Анатолий Иванович, доктор технических наук, e-mail: nastromo_irkutsk@mail.ru Nizhegorodov Anatoly, Doctor of Engineering, e-mail: nastromo_irkutsk@mail.ru 2Брянских Татьяна Борисовна, аспирант, e-mail: broocha@yandex.ru Bryanskikh Tatyana, Postgraduate, e-mail: broocha@yandex.ru

или три равных потока при подаче в модули обжига электрических модульно-спусковых печей и печей с подвижной подовой платформой.

Методы разделения потоков

Дозирование вермикулитовых концентратов и конгломератов барабанным дозатором с делителем потоков при подаче на обжиг в электрическую модульно-спусковую печь [3] показал высокую точность дозирования и их герметичность, исключающую потери плоских и весьма «текучих» частиц вермикулита-сырца, способных проникать через мельчайшие зазоры. В дозаторе ППС-печи (с последовательно-параллельным сопряжением модулей обжига) при различных вариантах их сопряжения обеспечивается настройка потоков вермикулита на верхние модули в требуемом соотношении подач q1 и q2, кг/с [4, 5].

На рис. 1 показан барабанный дозатор ППС-печи со снятым кожухом (через прорези пластин видны электрические нагреватели одного из верхних модулей обжига).

Рис. 1. Барабанный дозатор ППС-печи

с делителем потока

На рис. 2 представлена расчетная схема для определения диапазона регулирования и координат положения делителя барабанного дозатора.

Рис. 2. Расчетная схема барабанного дозатора с делителем потока Fig. 2. A computational model of the drum-type batcher with the flow separator

В положении рабочей камеры А, соответствующем точке А на барабане, ее угол наклона равен 45°. В этом положении начинается сход концентрата. Начальная скорость частице уОБ сообщается вращением барабана. Под действием указанных на рис. 2 сил частица наберет скорость v0 (т. А), значение которой определяется решением уравнения в системе координат уох:

тх = mgSiny — mgfCosy,

где т - масса частицы, Y - угол наклона камеры к горизонту.

Скорость движения на участке ОА

Vx = (gSin y - fgCos Y)t + уоб-

y = 1/2 gt2 + vo t Sina.

Исключив ^ из выражений (6 и 7), получим уравнение траектории:

У =

gx

2v0Cos а

+ xtga.

При vo = 0,017 м/с траектория частицы является виртуальной, так как проходит через тело барабана. Очевидно, что в окрестности точки С - в предполагаемой точке О, где сила инерции Ф превысит составляющую силы тяжести частицы mдSinв, она будет двигаться по поверхности барабана и при условии

Второе интегрирование уравнения (2) дает зависимость перемещения частицы от времени:

х =1

где п - угловая скорость барабана, об/мин, - радиус барабана, м.

Решение уравнения (3) относительно времени ^ при п = 1 об/мин, Нб = 0,1 м и коэффициенте трения скольжения / « 0,7 [3] при ширине рабочей камеры в = 8 мм (х = в) дает продолжительность движения частицы на участке ОА: I = 0,08 с.

Скорость в т. А (рис. 2) по уравнению (2) будет равна v0 = 0,017м/с. Она соответствует положению частицы в точке А.

Дальнейшее движение частицы в «коридоре падения» описывается системой уравнений:

тх = 0, ту = т£,

интегрирование которых приводит к выражениям:

vx = v0 ^а,

vy = gt + V0 Sina, x = v01 Cosa,

Ф = т > mgSmP,

кв

произойдет отрыв частиц, и они пойдут по траектории свободного падения. Но ни одна из них не разгонится на поверхности барабана из-за нижерасположенных камер, поэтому условие (8) невыполнимо, и частица сойдет в интервале между точками О и С по траектории а, построенной по уравнению

У =

2vOBCos в

+ xtge,

где в - угол между соседними камерами.

В нижнем положении рабочей камеры Б движение частицы описывается уравнениями (4)-(7), но так как в точке А выхода частицы значение и вектор скорости VA меняются, траектория падения будет определяться формулой

У =

gx

O(vO + vO )Cos S

+ xtgS,

где 6 - угол наклона вектора равнодействующей vA к горизонту (6 = а + Л). При этом траектория сместится вправо, расширяя «коридор падения».

2

При заданной координате уд центра делителя потоков относительно оси барабана

у =(0,04...0,05м) + ,

его координата хд относительно оси будет равна:

X =

Х——— + х, + — DCosa, 2 2 2

а ширина «коридора» падения определится как

Вк = Х1 - Х2.

Номинальный поток концентрата равен половине подачи: qном = 0,50.

При смещении делителя влево в координату

хд = хг + 0,5DбCosa,

поток q1 возрастет, и относительные потоки будут равны:

q1 / qном = 1,5 и q2 / qном = 0,5.

При смещении делителя вправо до координаты

хд = х2 + 0,5D6Cosa,

наоборот,

q2 / qном = 1,5 и q1 / qном = 0,5.

Таким образом, интервал регулирования подачи материала изменяется в диапазоне ± 50% относительно номинального значения.

Результаты

Возможность управления разделением потока сыпучей среды при смещении

делителя относительно барабана была проверена экспериментально на барабанном дозаторе ППС-печи, показанном на рис. 1. Результаты измерений веса порций сыпучего материала q1 и q2 за один оборот барабана приведены в таблице.

На рис. 3 приведены результаты статистической обработки эксперимента.

ч,

1,4

1,2

0,8 0,6 0,4

h ^llüil

Jl = 0.^919

R = 0,9756 0

¡0

20

Рис. 3. Результаты статистической обработки эксперимента Fig. 3. Results of experiment statistical processing

По оси абсцисс отложена координата делителя потоков хд (мм), по оси ординат -относительная подача на оборот: вверху -Qi/Qhom, внизу - ф/^ном. Здесь же приведены коэффициенты детерминации R2, равные 0,9919 и 0,9756 соответственно.

В нулевом положении делителя потоки равны: q2 = q1 = qH0M. При его смещении влево-вправо в диапазоне 0-28 мм соотношение потоков изменяется и при максимальном хд достигает значений: q1/qH0M « 1,6 и q2/qH0M = 0,4. В эксперименте диапазон регулирования подач достигает 60%, что в большинстве случаев является не только

Результаты опытов по определению подачи q, и относительной подачи qj /qu Test results on qj feed and qj /qnom relative feed determination

хд, мм 0 4 8 12 16 20 24 28

q1, кг/об 1,245 1,299 1,341 1,391 1,486 1,61 1,731 1,982

q2, кг/об 1,245 1,192 1,12 1,101 0,986 0,864 0,741 0,444

q 1/ qHOM 1 1,043 1,077 1,117 1,19 1,293 1,39 1,59

q2/qH0M 1 0,957 0,899 0,884 0,733 0,694 0,595 0,357

достаточным, но даже избыточным для настройки дозатора на совместную работу с той или иной технологической машиной.

Для работы трехмодульной электрической печи для обжига вермикулита и других сыпучих материалов с вибрационной подачей сырья, рассмотренной в статье [6], требуется разделение вермикули-тового концентрата на три равных потока.

Аналогично двухпоточному делителю устроен и работает трехпоточный двухступенчатый дозатор. На рис. 4 показано его устройство для печи новой концепции, способной в тех же габаритах утроить производительность по сравнению с модульно-спусковыми печами при примерно равном потреблении энергии [6].

Дозатор содержит барабан 1 с рабочими камерами 2 и дополнительный вал 3 с радиальными лопатками 4, расположенными сверху и снизу в шахматном порядке в корпусе 5. Канал 6, соответствующий «коридору падения», является переходом из основного корпуса дозатора в дополнительный корпус 7, где расположены верхний 8 и нижний 9 делители потоков. Каждый из них выполнен в виде двух скрещенных и соединенных вместе пластин с чере-

дующимися прорезями и выступами. Благодаря стержням 10, жестко связанным с делителями 8 и 9 и направляющим 11, положение делителей может изменяться в значительных пределах, определяемых требующимся в данном случае соотношением потоков сырья:

q1 = q2 /3; 2 q2 = qз + q4;

ф = qз = q4.

Для выполнения условий (9) смещение хд делителя 10 должно быть увеличено так, чтобы отношение q2/qном в соответствии с рис. 2 стало равным 0,25-0,3, обеспечивая при этом запас по смещению для точной настройки положения делителя. Конструкция делителя 10 должна отличаться несколько большей длиной верхних концов скрещенных пластин.

Регулирование соотношений (9) производится вручную винтовыми передачами 12 и 13. Разделенные потоки поступают по лоткам 14 на модули обжига печи.

Конструкция трехпоточного дозатора дополнена устройством для разрушения сводов, часто образующихся при работе на

Рис. 4. Устройство двухступенчатого делителя потока Fig. 4. A two-phase flow separator design

увлажненном сырье. В месте соприкосновения концентрата с поверхностью барабана 1, как показывает производственный опыт, может происходить сводообразова-ние, и тогда подача сырья в печь полностью прекращается. В этом случае запускается привод вала 3 (привод на рис. 4 не показан), вращающегося с угловой скоростью ш2, значительно меньшей, чем ш1.

Вращение вала-ворошителя 3 не прекращается до тех пор, пока все увлажненное сырье не будет переработано. Все это время лопатки 4 разрушают образовавшийся свод и не дают ему образоваться вновь. Так обеспечивается постоянная и максимальная подача концентрата в печь и

ее максимальная производительность.

Заключение Рассмотренные барабанные дозаторы с управляемыми делителями потока способны работать не только на дозирование вермикулита-сырца, но и других сыпучих материалов с любой насыпной плотностью. Они просты по конструкции, обеспечивают высокую точность дозирования при минимальной пульсации подачи, могут работать от одного привода и поэтому являются универсальными дозирующими машинами.

Работа поддержана грантом Ученого совета ИРНИТУ, приказ № 10 от 19.06.2015 г

Библиографический список

1. Кузин Э.Н. Машины для строительства промышленных, гражданских сооружений и дорог: справочник. М.: Машиностроение, 1991. 496 с.

2. Пат. 101791, Российская Федерация, МПК Р 27 В 15/00. Печь для обжига вермикулита / А.И. Нижего-родов; заявитель и патентообладатель ГОУ ИрГТУ. № 2010137146; заявл. 06.09.2010; опубл. 27.01.2011, Бюл. № 3. 2 с.

3. Нижегородов А.И. Технологии и оборудование для переработки вермикулита: оптимальное фракционирование, электрический обжиг, дообогащение. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 172 с.

4. Нижегородов А.И. Развитие концепции модульно -

спусковых электрических печей для обжига верми-кулитовых концентратов // Строительные и дорожные машины. 2009. № 10. С. 24-27.

5. Нижегородов А.И. Разработка параметрического ряда электрических модульно-спусковых ППС-печей для технологических комплексов по переработке вермикулитовых концентратов // Строительные и дорожные машины. 2011. № 4. С. 29-32.

6. Брянских Т.Б. Трехмодульная электрическая печь для обжига вермикулита и других сыпучих материалов с вибрационной подачей // Вестник ИрГТУ. 2016. № 5. С. 9-19.

References

1. Kuzin E.N. Mashiny dlya stroitel'stva promyshlen-nykh, grazhdanskikh sooruzhenii i dorog. Spravochnik [Machines for the construction of industrial, civil engineering structures and roads: A Handbook]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1991, 496p.

2. Nizhegorodov A.I. Pech' dlya obzhiga vermikulita [Vermiculite furnace]. Patent RF, no. 2010137146, 2011.

3. Nizhegorodov A.I. Tekhnologii i oborudovanie dlya pererabotki vermikulita: optimal'noe fraktsionirovanie, elektricheskii obzhig, doobogashchenie [Technologies and equipment for vermiculite processing: optimal fractionation, electric roasting, acid treatment]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2011, 17 p.

4. Nizhegorodov A.I. Razvitie kontseptsii modul'no-spuskovykh elektricheskikh pe-chei dlya obzhiga ver-mikulitovykh kontsentratov [Development of the concept

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 30.03.2016 г.

of electric multi-module trigger kilns for vermiculite concentrate roasting]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny -Construction and Road Machinery. 2009, no. 10, pp. 24-27.

5. Nizhegorodov A.I. Razrabotka parametricheskogo ryada elektricheskikh modul'no-spuskovykh PPS-pechei dlya tekhnologicheskikh kompleksov po pererabotke vermikulitovykh kontsentratov [Development of the parametric series of electric multi-module trigger kilns for vermiculite concentrate processing technological complexes]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny - Construction and Road Machinery. 2011, no. 4, pp. 29-32.

6. Bryanskikh T.B. A triple-unit electric kiln with vibratory feed of raw materials used for vermiculite and other bulk materials roasting. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 5, pp. 10-19. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-5-10-18

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interest.

The article was received 30 March 2016