УСТАНОВКА ДЛЯ ДВУХСТАДИЙНОГО ПОМОЛА ЦЕМЕНТА

Полезная модель относится к промышленности строительных материалов и может применяться для производства цемента как на вновь проектируемых, так и на действующих цементных заводах.
В зарубежной практике для производства высокопрочных цементов ранее применялись устройства помола клинкера и добавок, состоящие из однокамерных мельниц, работающих в замкнутом цикле с использованием центробежных сепараторов (Beke В. "Zement-Kalk-Gips", 1965, стр.259). Одним из необходимых условий успешной работы установок такого типа является достаточная степень предварительного дробления материалов. Экспериментально были установлены преимущества низкого коэффициента однородности зернового состава продукта при производстве рядового цемента. Для получения цементов высших марок была доказана необходимость содержания в продукте фракции 3-30 мкм около 70% с условием неполного разделения материала сепаратором, но при достаточно высоком коэффициенте однородности. Таким образом, для цементов высших марок требовалась такая настройка сепаратора, которая обеспечивала выделение из продукта относительно грубого помола в короткой мельнице, характеризующегося низким коэффициентом равномерности зернового состава, материала, напротив, с достаточно высоким коэффициентом однородности. При этом значительная доля мелких фракций увеличивает циркуляционную нагрузку сепаратора и элеватора, что может быть равноценно удлинению мельницы. Другой недостаток данной модели заключается в нестабильности параметров процесса помола из-за периодически наблюдаемых в производственных условиях флюктуации физических характеристик цементного клинкера.
2
Позднее описанные выше устройства помола заменили на многокамерные мельницы, выпускающие рядовой цемент. Но при переходе на более тонкий помол многокамерные мельницы становятся неэффективными. Кроме того, осуществлять с их применением помол цемента до удельной поверхности 3300 см/г по Блейну оказалось намного труднее, чем в однокамерных мельницах.
Оптимальному характеру процесса помола цемента в большей степени соответствует следующее поколение устройств, представляющих системы помола с предварительным измельчением в короткой мельнице большого диаметра и тонким помолом в замкнутом цикле.
2
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой модели (прототипом) является установка (фиг.1), состоящая из двух коротких мельниц размером 2,75×4 м (поз.2, 3) и динамического сепаратора (4) («Помол цементов. Сборник переводов» НИИцемент М: 1961, стр.37-43). Производительность линии равна 25 т/ч при удельной поверхности цемента 2700 г/см по Блейну, а удельный расход электроэнергии на помол цемента составляет 33 кВт×ч/т с учетом потребления 75 кВт/ч вспомогательным оборудованием.
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного технического решения заключаются в том, что в качестве устройства тонкого помола цементного клинкера используется шаровая мельница и для достаточной тонины ее питания применено устройство предварительного помола в виде короткой шаровой мельницы.
Причина, препятствующая получению технического результата в известном техническом решении, заключается в том, что первая мельница имеет сложное техническое назначение, которое не соответствует ее принципу действия:
- во-первых, она должна обеспечить выполнение операции тонкого дробления поступающего в мельницу продукта первичного дробления клинкера в щековой, ударно-отражательной, валковой или конусной дробилке с размерами кусков до 20 мм, что не соответствует конструктивному предназначению однокамерного помольного агрегата;
- во-вторых, грубый помол крупки происходит в этом же рабочем пространстве мельницы и, вследствие этого, не обеспечивает достаточной дисперсности материала.
2
В силу указанных причин, установка характеризуется недостаточно высокой степенью помола обычного цемента, чрезмерно высокой циркулирующей нагрузкой на короткую мельницу тонкого помола и, как следствие, позволяет получать цементы невысокого качества. Современный уровень техники предполагает получение цементов с удельной поверхностью от 3500 до 4500 см/г по Блейну, что не может быть достигнуто с использованием помольной установки по прототипу без чрезмерного увеличения удельных энергозатрат, которые соответственно составят 43-55 кВтч/т.
Задачами полезной модели являются:
- увеличение активной поверхности цемента (во всех вариантах модели);
- снижение энергоемкости операции помола цемента (вариант 2, фиг.3 и вариант 4, фиг.5);
- упрощение конструкции установки помола (вариант 2, фиг.3).
Указанные цели достигаются применением в полезной модели аппаратов тонкого дробления клинкера, ранее не применяемых на цементных заводах, таких как роторная вертикальная и и струйная ударная с вертикальным валом дробилки, осуществляющих эффективную подготовку измельчаемого материала к операции грубого помола в короткой шаровой мельнице.
Вследствие этого в полезной модели достигается соответствие характера использования и конструктивного назначения измельчительных аппаратов:
- указанные дополнительные устройства тонкого дробления реализуют принцип разрушения за счет сил деформации сдвига при одностороннем характере соударений фрагментов материала;
- принцип действия короткой шаровой мельницы соответствует механизму грубого помола, который контролируется дефектностью макроструктуры крупки, а конструкция финишной мельницы учитывает решающие факторы тонкого помола - дефекты микроструктуры частиц и устранение явления их агрегирования.
Технический эффект, получаемый с использованием предлагаемой модели, состоит в улучшении (интенсификации) процесса помола цемента вследствие перехода от механизма измельчения на обязательно протекающей стадии тонкого дробления монослойным раздавливанием в короткой шаровой мельнице на разрушение силами деформации сдвига, возникающими в ударных высокоскоростных дробилках. Характеристикой установленного многочисленными экспериментальными исследованиями эффекта интенсификации помола и представляется достигаемый технический результат - увеличение активной поверхности цементного порошка без повышения энергозатрат на помол.
Таким образом, заявленная полезная модель представлена серией новых промышленных установок помола цемента, отличающихся от известных новыми схемами применения типовых образцов основного оборудования, использованием новых для цементной промышленности типов оборудования и улучшенными техническими показателями (повышенная удельная поверхность цементов, снижение энергозатрат на помол, упрощение конструкции установки).
Отличительными признаками предлагаемой полезной модели от прототипа являются наличие новых элементов и функциональных связей:
- тонкое дробление клинкера проводят не в шаровой мельнице, а в дополнительных скоростных ударных дробилках нового типа;
- с применением общего динамического или отдельного статического сепаратора осуществляют промежуточную классификацию продукта тонкого помола;
- для сверхтонкого помола портландцемента или смешанного цемента, а также для получения высокопрочного малоклинкерного цемента дополнительно используют трубную мельницу с мелкошаровой загрузкой в открытом цикле.
Новое устройство (вариант 1, фиг.2) для производства цемента из клинкера и добавок состоит из последовательно устанавливаемых щековой (1) и роторной вертикальной (2) дробилок с грохотом (3), коротких шаровых мельниц грубого (4) и тонкого (5) помола с динамическим сепаратором (6) предварительной и заключительной классификации продукта.
Отличия принципа действия предлагаемой модели устройства помола цемента от прототипа состоят как в разделении операций тонкого дробления и грубого помола клинкера за счет их выполнения в отдельных аппаратах, так и в сочетании промежуточной и заключительной классификаций продукта помола за счет дополнительного элеватора (7) и осуществления связи между мельницами через сепаратор (6).
2
2
Кусковой продукт первичного дробления в щековой дробилке подается ленточным транспортером и проходит фазу тонкого дробления в ударной роторной вертикальной дробилке комплексного действия (ударного и раздавливающего) в замкнутом цикле с грохотом до размеров частиц не более 3-5 мм с содержанием фракции - 0,2 мм до 30%. Это позволяет значительно уменьшить диаметр мелющих шаров и интенсифицировать размол крупки до 1200-1500 см/г за один проход в первой мельнице, что представляется важным техническим результатом, так как является необходимым условием повышения тонины продукта окончательного помола в последующей короткой мельнице. Динамический сепаратор, в который полуфабрикат подается элеватором (7), классифицируя продукты, как грубого, так и заключительного помола, разгружает вторую мельницу от мелкой фракции клинкера и смолотого гипса, склонных к агломерации и препятствующих разрушению зерен клинкера крупнее 40 мкм. За счет этого, значительно повышается эффективность тонкого помола клинкера в короткой шаровой мельнице. Посредством элеватора (8) продукт тонкого помола подается в сепаратор (6) для выделения грубой фракции, которая возвращается на вход мельницы (5) для домола. Конечным техническим результатом, достигаемым при использовании данного устройства является увеличение удельной поверхности цемента до 3500-4000 см/г по Блейну (на 30-50%), что позволит обеспечить выпуск цементов более высоких марок при практически одинаковых значениях удельных энергозатрат по сравнению с прототипом.
2
2
Модификация полезной модели - вариант 2 (фиг.3) радикально упрощена применением статического сепаратора (6), который значительно дешевле динамического сепаратора, используемого в прототипе, отличается простотой конструкции и настройки, надежностью и долговечностью в эксплуатации. Отличительным признаком варианта 2 полезной модели является также изменение связи между основными элементами устройства: продукт грубого помола посредством элеватора (7) подается в сепаратор (6) на промежуточную классификацию с возвратом грубой фракции на вход мельницы (4) и с подачей готового полуфабриката на домол в мельницу (5). Определяющим фактором эффективности этого устройства становится повышение степени предварительного помола (до удельной поверхности 1750-2000 см/г), за счет чего предоставляется возможность дополнительного перепрофилирования второй мельницы на более тонкий помол в открытом цикле. Эта модель установки, состоящая также из типовых образцов цементного оборудования, позволяет увеличить удельную поверхность цемента 3000-3300 см при снижении удельных энергозатрат до 28-30 кВтч/т (на 9-15% по сравнению с прототипом).
2
2
2
В следующей модификации модели устройства помола - варианта 3 (фиг.4), короткие шаровые мельницы грубого и тонкого помола клинкера работают в замкнутом цикле (соответственно увеличению тонины продукта со статическим (6) и с динамическим (7) сепараторами). На каждой стадии помол осуществляется в сепараторных мельницах (4,5), а значит в среде обогащенной крупной фракцией и, вследствие этого, устраняется явление агломерации и налипания материала на шары и внутреннюю поверхность мельницы. Технический результат использования предлагаемой схемы с двумя сепараторами заключается в увеличении удельной поверхности продукта до 3500 см/г при одновременном повышении производительности линии помола на 15% без увеличения удельных энергозатрат. Также устройство может использоваться в качестве установки предварительного помола клинкера (до 3500 см/г т по Блейну) в разработанной схеме раздельно-совместного многостадийного помола цемента - вариант 4 (фиг.5), в которой окончательный домол клинкера (до удельной поверхности 4000-4500 cм/г) осуществляется совместно с другими предварительно измельченными по отдельности компонентами в однокамерной мельнице открытого цикла с мелкошаровой загрузкой (7), например, в мельнице размером 2,6×13 м можно домалывать 50 т/ч смеси компонентов при экономичном энергопотреблении - 1000 кВт/ч.
Для рентабельного производства высокопрочных или многокомпонентных цементов необходимо в более полной мере использовать скрытые резервы гидравлической активности клинкера и других компонентов за счет внедрения новых устройств помола.
2
С этой целью мельница грубого помола клинкера со статистическим сепаратором может быть успешно заменена ударной дробилкой с вертикальным валом струйного типа (4), например, американской компании Бамак, которая используется в горнорудной промышленности для производства песка. Аппарат выполняет функцию сверхтонкого дробления посредством самоизмельчения материала, приблизительно в 5 раз дешевле и потребляет в 3-4 раза меньше электроэнергии по сравнению с заменяемым оборудованием. Каскадно работающие дробилки ударного типа (1, 2, 4) представляемой модели, как показано на фиг.5, реализуют принцип разрушения за счет сил деформации сдвига при одностороннем характере соударений частиц. Тонко дробленые частицы приобретают осколочную или кубовидную формы с развитой дефектной конфигурацией, что значительно увеличивает реологическую активность полученных при последующем помоле цементных зерен. Это позволяет уменьшить диаметр мелющих стальных шаров до 10-20 мм и существенно повысить интенсивность тонкого помола. Посредством тонкого помола в короткой сепараторной шаровой мельнице (5) раскрываются глубинные слои зерен клинкера преимущественно по микротрещинам и другим дефектам поверхности, сохраняя в основном их кубовидную или щебеночную форму. Активная поверхность продукта помола существенно выше удельной поверхности, измеренной методом воздухопроницаемости по Блейну, которая достигает 3000 см/г и зависит в основном от содержания мелкой фракции (0-10 мкм). Гранулометрический состав клинкера, получаемого в установке этой подготовительной части данной модели, выгодно отличается от стандартного цемента повышенным на 20-30% содержанием полезной фракции 5-40 мкм. Рассматриваемая схема предварительного помола может использоваться как самостоятельное устройство - наилучшая среди известных установок с точки зрения рентабельности при промышленном получении рядовых цементов (энергоемкость операции помола не превышает 18,5 кВт т/ч при производительности в 25 т/ч) или, по своему главному назначению, для активации клинкера и уменьшения энергозатрат при производстве высокопрочных или малоклинкерных цементов с классом прочности 32,5-42,5. В последнем случае, остальные компоненты также подвергаются предварительному раздельному измельчению с целью получения достаточно высокой при последующем совместном домоле активной поверхности. С учетом физических свойств, минералогического состава, характера разрушения и необходимой степени измельчения каждого материала подбирается оборудование для новых устройств их предварительной обработки.
2
Технический результат применения устройства, соответствующего разработанной схеме раздельно-совместного многостадийного помола, заключается в увеличении удельной поверхности малоклинкерного цемента до 4000-4500 см/г при экономии электроэнергии до 45%.
Представленные на фиг.2 и 3 модификации полезной модели также могут успешно использоваться не только как энергосберегающее оборудование для помола портландцемента, но и в качестве установок предварительного помола клинкера в технологических линиях получения высокопрочных, быстротвердеющих и многокомпонентных цементов.
На фиг.1 представлена установка двухстадийного помола цемента, являющаяся ближайшим аналогом
Условные обозначения:
1 - щековая дробилка;
2 - мельница грубого помола;
3 - мельница тонкого помола;
4 - динамический сепаратор для заключительной классификации продукта;
5 - элеватор.
На фиг.2 представлен вариант 1 полезной модели.
Условные обозначения:
1 - щековая дробилка;
2 - ударная (роторная) вертикальная дробилка;
3 - грохот для тонкого дробления клинкера;
4 - мельница грубого помола;
5 - мельница тонкого помола;
6 - динамический сепаратор промежуточной и заключительной классификации;
7 - элеватор;
8 - элеватор.
На фиг.3 представлен вариант 2 полезной модели.
Условные обозначения:
1 - щековая дробилка;
2 - роторная вертикальная дробилка;
3 - грохот;
4 - мельница грубого помола;
5 - мельница тонкого помола;
6 - статический сепаратор для классификации продукта грубого помола;
7 - элеватор.
На фиг.4 представлен вариант 3 полезной модели.
Условные обозначения:
1 - щековая дробилка;
2 - роторная вертикальная дробилка;
3 - грохот;
4 - мельница грубого помола;
5 - мельница тонкого помола;
6 - статический сепаратор;
7 - динамический сепаратор;
8 - элеватор;
9 - элеватор.
На фиг.5 изображен вариант 4 полезной модели.
Условные обозначения:
1 - ударно-отражательная дробилка;
2 - роторная вертикальная дробилка;
3 - грохот;
4 - струйная дробилка с вертикальным валом;
5 - короткая сепараторная мельница предварительного тонкого помола клинкера;
6 - динамический сепаратор;
7 - стандартная однокамерная мельница открытого цикла для совместного домола компонентов цемента;
8 - элеватор.
Для примера осуществления полезной модели выбраны следующие образцы промышленного оборудования в качестве конструктивных элементов и устройств для их взаимосвязи:
- щековая дробилка РЕ 400×600 - поз.1 на фиг.1, 2, 3, 4 (соответственно прототип и варианты 1, 2, 3) производительностью 15-60 т/ч и с приводом в 30 кВт;
- ударная дробилка Р FQ 0808 - поз.1 на фиг.5 (вариант 4) производительностью до 46 т/ч с электроприводом мощностью 55 кВт;
- комплексная (роторная) вертикальная ударная дробилка PFL 1250, потребляющая 90 кВт/ч электроэнергии при производительностях 40-70 т/ч (во всех вариантах);
- ударная дробилка с вертикальным валом (струйного типа) PCL 900 с производительностью 50 т/ч и двумя электромоторами мощностью по 55 кВт (поз.4. на фиг.5 - вариант 4);
- вибрационный грохот 2YZS 1237, потребляющий 11 кВт/ч при производительности до 80 т/ч (поз.3 на фиг.2, 3, 4 и поз.2 на фиг.5);
- статический сепаратор V-Sepa с мощностью вентилятора 3-5 кВт (поз.6 на фиг.3,4);
- динамический сепаратор O-Sepa производительностью 45 т/ч и мощностью привода 30 кВт (поз.4 на фиг.1, поз.6 на фиг.2 и 5, поз.7 на фиг.4);
- короткие шаровые мельницы типоразмера 2,75×4 м с мощностью привода 750 кВт (поз.2, 3 на фиг.1; поз 4, 5 на фиг.2, 3, 4; поз.5 на фиг.5);
- трубная шаровая мельница 2,6×13 м с приводом в 1000 кВт и производительностью до 50 т/ч (поз.7 на фиг.5);
Связи между основными элементами полезной модели аналогично прототипу реализованы ленточными конвейерами с общей длиной до 54 м при потреблении электроэнергии до 7,5 кВт/ч (обозначены сплошной схемой на всех рисунках), а также с использованием ковшовых элеваторов высотой до 26 м и мощностью электроприводов до 22 кВт (поз.5 фиг.1 - прототип; поз.7, 8 фиг.2; поз.7 фиг3; поз.8, 9 фиг.4; поз.8 фиг5).
Для получения сравнительных характеристик работы предлагаемых устройств использовали приведенные эксплуатационные характеристики оборудования с учетом результатов вышеуказанных промышленных исследований НИИЦемента.
Результаты выполненных технических расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Технические характеристики установок двухстадийного помола цемента.
Устройство
Удельные энергозатраты на помол цемента, кВтч/т
Производительность,т/ч
Удельная поверхность цемента,см<sup>2</sup>/г
Прототип (фиг.1)
33
25
2700
Вариант 1 (фиг.2)
Не более 33
25
3500-4000
Вариант 2 (фиг.3)
28-30
25
3000-3300
Вариант 3 (фиг.4)
33
Более 29
3500
Вариант 4 (фиг.5)
Не более 28
50
4000-4500
Представленные данные свидетельствуют о возможности достижения с использованием полезной модели увеличения удельной поверхности цемента, а также снижения энергоемкости процесса помола цемента (вариант 2, фиг.3 и вариант 4, фиг.5); повышения производительности устройства (вариант 3, фиг.4) и упрощения конструкции устройства помола (с использованием варианта 2 фиг.3).