ПРИВОДНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ШАРОВОЙ МЕЛЬНИЦЫ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ШАРОВОЙ МЕЛЬНИЦЫ
BALL MILL DRIVE SYSTEM AND METHOD OF OPERATING BALL MILL

Изобретение относится к шаровой мельнице и к способу эксплуатации шаровой мельницы.
Шаровая мельница является устройством для грубого, тонкого и тончайшего размельчения или гомогенизации измельчаемого материала. Она содержит рабочее пространство, обычно образованное внутренним пространством приводимого во вращение барабана, в котором измельчаемый материал размельчается с помощью мелющих тел. Шаровые мельницы используются как при мокром, так и при сухом помоле. В понятие «шаровая мельница» входят, в частности, штуцерные мельницы, барабанные мельницы и трубные мельницы. В качестве мелющих тел в шаровых мельницах применяются не только имеющие форму шара мелющие тела, но также имеющие другую форму, такие как цилиндрические мелющие тела.
Шаровые мельницы используются, например, в горных предприятиях для размельчения руды. В других отраслях промышленности могут применяться в качестве подлежащих помолу веществ керамические материалы или смеси материалов. Например, в керамической промышленности шаровые мельницы используются для изготовления массы для шликерной формовки фасонных изделий.
Для таких мельниц существуют различные концепции привода. Известно применение прямых приводов без редукторов в виде кольцевых электродвигателей. Проще и экономичней является работа шаровой мельницы с помощью электродвигателя с фазным ротором.
При остановке шаровой мельницы сам по себе рыхлый, подлежащий помолу материал может затвердевать в мельнице. Это происходит, например, когда мельница выключается на несколько часов или дней с целью технического обслуживания. В этом случае измельчаемый материал затвердевает и прочно прилипает к внутренней стенке барабана. Такая ситуация называется налипанием или «frozen charge» (затвердевшей загрузкой). Если при возникновении такого налипания снова привести во вращение барабан шаровой мельницы, то почти весь подлежащий помолу материал, включая мелющие тела, остается в твердом состоянии в виде блока на стенках мельницы и приводится во вращение как таковой из примерно горизонтального положения. Затем при достижении барабаном мельницы критического угла поворота, т.е. налипанием критического наклонного положения, большая часть налипания, как правило, мгновенно отделяется. За счет большой массы падающего налипания шаровая мельница может быть сильно повреждена или даже разрушена.
Для меньших мельниц, которые, как правило, приводятся в действие электродвигателями с фазным ротором, известно автоматическое распознавание налипания, например, в виде «Mill Safety Start System» (система безопасного пуска мельницы) фирмы SDG Technologies. Однако с помощью известной системы не обеспечивается возможность разрыхления налипания. Для разрыхления такого налипания известна подача воды и разрыхление налипания с использованием механических средств.
Таким образом, в известной системе безопасного пуска мельницы происходит лишь обнаружение, соответственно распознавание состояния затвердевшей загрузки, т.е. наличия налипания. Выключение мельницы происходит также автоматически. Однако разрыхление налипания, например, посредством затопления или механического рыхления, необходимо выполнять вручную. Новый запуск мельницы после этого осуществляется также снова вручную.
Из DE 102004015057 А1, в частности, для больших мельниц с кольцевым электродвигателем, известен способ рыхления налипания посредством центрального управления электродвигателем мельницы. Известный способ легко осуществим в мельнице с кольцевым электродвигателем, поскольку при этом происходит лишь программирование регулятора электродвигателя. Соответствующий регулятор в противоположность электродвигателям с фазным ротором уже имеется. Такой способ известен, например, под названием «Frozen Charge Shaker» фирмы Сименс. При этом речь идет по существу лишь о программировании регулятора кольцевого электродвигателя, поскольку соответствующий регулятор уже имеется в системе. Таким образом, причина тому, что известную для кольцевых электродвигателей систему нельзя применять для электродвигателей с фазным ротором, состоит в том, что привод в виде электродвигателя с фазным ротором поддается управлению, но не регулировке. Поэтому движение туда и обратно, соответственно, встряхивание налипания в мельнице, как это применяется в известном способе, невозможно при стандартных приводах, т.е. электродвигателях с фазным ротором.
Задачей данного изобретения является улучшение приводной системы приводимой в действие с помощью электродвигателя с фазным ротором шаровой мельницы и создание улучшенного способа эксплуатации такой шаровой мельницы.
Относительно приводной системы задача решена с помощью приводной системы, согласно пункту 1 формулы изобретения, для шаровой мельницы, которая приводится в действие электродвигателем с фазным ротором. При этом электродвигатель, соответственно вся система из электродвигателя и мельницы, имеет семейство характеристических кривых. Семейство характеристических кривых соотносит с помощью характеристической кривой крутящий момент электродвигателя с другим параметром электродвигателя. В соответствии с изобретением, семейство характеристических кривых имеет по меньшей мере две различные характеристические кривые. Кроме того, приводная система имеет переключательный элемент, который скачкообразно переключает приводную систему при постоянном значении параметра между обеими характеристическими кривыми.
Характеристические кривые отражают соответствующую взаимосвязь между крутящим моментом и другим параметром, например, скоростью вращения электродвигателя. Если при постоянном значении этого параметра, т.е., например, при постоянной скорости вращения, осуществлять скачкообразное переключение с одной характеристической кривой на другую характеристическую кривую, то при переключении происходит также скачок крутящего момента в электродвигателе, соответственно барабане шаровой мельницы. Основанием для этого является то, что характеристические кривые по меньшей мере в точке переключения не совпадают друг с другом, и поэтому при одинаковом значении параметра отличаются крутящим моментом. Поэтому в системе из мельницы, электродвигателя и силового электроснабжения из скачка характеристических кривых получается удар крутящего момента в барабане шаровой мельницы. Переключение осуществляется при подходящей нагрузке, соответственно поворотном положении барабана шаровой мельницы, соответственно, тем самым при подходящем положении поворота или наклона налипания. Таким образом, можно, как в известном способе для мельниц с кольцевым электродвигателем, стряхивать налипание с барабана шаровой мельницы. Таким образом, за счет удара крутящего момента происходит встряска барабана мельницы, так что налипание отделяется, при этом это осуществляется за счет скачкообразного перескакивания между двумя характеристическими кривыми электродвигателя с фазным ротором, и тем самым происходит рыхление загрузки мельницы.
Согласно изобретению, это достигается за счет простого переключения двух характеристических кривых в семействе характеристических кривых электродвигателя. Таким образом, шаровая мельница не должна дополнительно снабжаться дорогостоящим управлением, соответственно регулированием, а лишь необходимо интегрировать в приводную систему мельницы воздействующий на характеристические кривые переключательный элемент, как правило, в соединении с параллельным сопротивлением. Кроме того, в семейство характеристических кривых должны быть включены, соответственно, лишь две характеристические кривые, крутящий момент которых при постоянном параметре возможно более значительно отличается, с целью вызывания указанного выше скачка крутящего момента при переключении характеристической кривой. Отпадает необходимость в требующем много времени заполнении водой шаровой мельницы и механическом воздействии на налипание, с целью его рыхления. Предположительно можно тем самым рыхлить налипание в 80% случаев.
Как указывалось выше, в одном предпочтительном варианте выполнения приводной системы другим параметром является скорость вращения электродвигателя. Особенно обычными являются семейства характеристических кривых, которые отражают соотношение скорости вращения и крутящего момента электродвигателя с фазным ротором.
Как правило, приводная система имеет ведущий к электродвигателю подводящий провод, который питает электродвигатель приводным током. В одном предпочтительном варианте выполнения в подводящий провод, т.е., как правило, между электродвигателем и пусковым сопротивлением ротора, включено определяющее характеристические кривые электродвигателя сопротивление. В этом случае переключательный элемент является скачкообразно изменяющим сопротивление, соответственно его омическое значение, переключательным элементом. Переключательный элемент, который скачкообразно изменяет сопротивление, соответственно значение сопротивления, может быть выполнен особенно просто, например, в виде силового контактора и переключаемых постоянных резисторов. За счет изменения значения сопротивления в подводящем проводе обеспечивается возможность особенно простого изменения характеристической кривой в семействе характеристических кривых электродвигателя.
Как правило, в подводящем проводе к электродвигателю, соответственно ротору, уже включено сопротивление в качестве пускового сопротивления. Оно выполнено, как правило, с возможностью изменения, например, в виде жидкостного пускового реостата с короткозамыкающим контактором. Он служит для запуска мельницы с различными значениями сопротивления, соответственно характеристическими кривыми. Короткозамыкающий контактор для шунтирования пускового сопротивления служит для его короткого замыкания при нормальной работе шаровой мельницы, т.е. после запуска, соответственно разгона, коротко замыкается и тем самым больше не нагружается. Другими словами, в этом случае электродвигатель в обход пускового сопротивления соединен непосредственно с силовым электроснабжением. Хотя такое пусковое сопротивление выполнено с возможностью изменения, однако нескачкообразного изменения, так что лишь за счет использования пускового сопротивления, соответственно его изменения, не может быть реализована приводная система, соответственно способ, согласно изобретению. А именно может быть реализовано изменение крутящего момента, но не скачкообразное изменение крутящего момента, соответственно удар крутящего момента.
В одной предпочтительной модификации указанного выше варианта выполнения переключательный элемент включен последовательно с указанным выше сопротивлением. При этом переключательный элемент включен параллельно дополнительному сопротивлению с целью шунтирования его при необходимости по типу короткозамыкающего контактора. Поэтому особенно просто можно прерывать последовательный с пусковым сопротивлением подводящий провод и устанавливать здесь переключательный элемент и дополнительное сопротивление. В этом случае переключательный элемент особенно просто выполнен в виде шунтирующего параллельно включенному сопротивлению короткозамыкающего контактора. Таким образом, при замыкании короткозамыкающего контактора в шаровой мельнице действует лишь обычное пусковое сопротивление. За счет размыкания короткозамыкающего контактора в подводящий провод мгновенно включается дополнительное сопротивление, так что общее сопротивление в подводящем проводе скачкообразно изменяется, и за счет этого скачкообразно изменяется также характеристическая кривая в семействе характеристических кривых по сравнению с пусковой характеристической кривой, соответственно с семейством характеристических кривых, соответственно выбирается явно отличающаяся от нее характеристическая кривая. Другими словами, включение дополнительного сопротивления между ротором и жидкостным пусковым реостатом вызывает скачкообразный переход на другую, например, «более длинную», характеристическую кривую, и тем самым уменьшение крутящего момента.
В другом предпочтительном варианте выполнения приводная система содержит управляющий и оценочный блок, который выполнен так, что он может распознавать налипание в шаровой мельнице и выполнять управление переключательным элементом в зависимости от распознавания налипания. Другими словами, с помощью управляющего и оценочного блока может быть реализовано автоматическое распознавание возникновения налипания, а также автоматическое приведение в действие переключательного элемента и тем самым автоматическое рыхление налипания за счет тряски барабана шаровой мельницы.
В одной предпочтительной модификации этого варианта выполнения распознавание налипания с помощью управляющего и оценочного устройства осуществляется на основе измерения угла поворота барабана шаровой мельницы и подаваемого в электродвигатель приводного тока. Поскольку, в частности, при известном угле поворота приводной ток в случае налипания значительно отличается от приводного тока регулярно работающей шаровой мельницы, то такое обнаружение налипания может быть реализовано особенно просто.
Другими словами, в известную шаровую мельницу добавляются два компонента, а именно выполненное с возможностью короткого замыкания дополнительное сопротивление в подводящем проводе, а также соответствующий «умный» управляющий блок, с помощью которого из измерения угла и тока обнаруживается налипание и инициируется отделение налипания.
Относительно способа задача изобретения решена с помощью способа, согласно пункту 6 формулы изобретения, эксплуатации шаровой мельницы, которая снабжена указанной выше приводной системой. Согласно изобретению, барабан шаровой мельницы приводят в движение из его состояния покоя с использованием, соответственно включением, первой характеристической кривой. Эта характеристическая кривая является, как правило, характеристической кривой нормальной работы, соответственно, семейством пусковых характеристических кривых приводной системы, соответственно шаровой мельницы. Во время пуска шаровой мельницы проверяют, имеется ли в ней налипание. В этом случае барабан шаровой мельницы перемещают, соответственно поворачивают, настолько, что налипание, исходя из его состояния покоя, а именно горизонтального прохождения налипания, находится в наклоненном, например, на 45° состоянии. В таком наклонном положении обычно, т.е. когда нет налипания, подлежащий помолу материал, включая мелющие тела, уже движется внутри шаровой мельницы, т.е. скатывается вниз в направлении силы тяжести. В таком наклонном положении приводят в действие переключательный элемент с целью переключения электродвигателя на вторую характеристическую кривую. За счет этого скачкообразно изменяется крутящий момент на барабане шаровой мельницы, так что он, а также налипание испытывают удар крутящего момента, за счет чего, как правило, налипание отделяется.
В одном предпочтительном варианте выполнения способа в таком наклонном положении налипания несколько раз выполняют переключение между характеристическими кривыми посредством приведения в действие переключательного элемента. За счет этого осуществляется не только одноразовый удар крутящего момента, но также режим встряхивания барабана шаровой мельницы в одинаковом, соответственно, различных положениях наклона налипания. Другими словами, переключательный элемент приводят в действие так, что за счет размыкания и замыкания, например, указанного выше короткозамыкающего контактора, активируется режим встряхивания барабана шаровой мельницы.
В другом предпочтительном варианте выполнения способа налипание контролируют с помощью управляющего и оценочного блока, и в случае обнаружения налипания автоматически осуществляется переключение между характеристическими кривыми посредством приведения в действие переключательного элемента. Другими словами, в данном случае происходит, например, как указывалось выше, полностью автоматическое распознавание наличия налипания при запуске шаровой мельницы, а также полностью автоматическое отделение налипания за счет режима встряхивания барабана шаровой мельницы.
Особенно предпочтительно приводная система, согласно изобретению, используется для размельчения руд. Кроме того, она пригодна, например, для мельниц, с помощью которых изготавливается масса для шликерной формовки фасонных изделий.
Ниже приводится более подробное описание изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг. 1 - шаровая мельница, согласно изобретению, с налипанием во время запуска;
фиг. 2 - приводная система шаровой мельницы, согласно фиг. 1;
фиг. 3 - кривая пуска зависимости между крутящим моментом и скоростью вращения в шаровой мельнице без налипания;
фиг. 4 - семейство характеристических кривых шаровой мельницы, согласно фиг. 1;
фиг. 5 - шаровая мельница, согласно фиг. 1, после первого удара крутящего момента.
На фиг. 1 показана шаровая мельница 2, которая имеет по существу корпус 4 и установленный в нем с возможностью вращения барабан 6. Внутри барабана 6 находится подлежащий помолу материал, в данном случае в виде руды 8. Обычно в размалываемый материал добавляют мелющие тела, которые, однако, здесь не изображены отдельно. Поэтому в последующем при применении понятия руда мысленно добавляются имеющиеся мелющие тела. Шаровая мельница 2 имеет приводную систему 10, которая содержит приводящий в движение барабан 6 электродвигатель 12. Он соединен через подводящий провод 14 с силовым электроснабжением 16 (см. фиг. 2). Через подводящий провод проходит приводной ток I электродвигателя 12. Кроме того, приводная система 10 содержит включенное в подводящий провод 14 сопротивление 18 в виде пускового сопротивления, а также включенный последовательно с ним в подводящий провод 14 переключательный элемент 20.
На фиг. 2 подробно показана приводная система 10 из фиг. 1 с электродвигателем 12, а также с включенным в подводящий провод 14 сопротивлением 18, которое выполнено в виде изменяемого сопротивления, т.е. в виде жидкостного пускового реостата. Сопротивление 18 имеет дополнительно короткозамыкающий контактор К3, который служит для шунтирования сопротивления 18 относительно контура ротора, т.е. для переключения в недействующее состояние в подводящем проводе 14. Кроме того, электродвигатель снабжен главным переключателем 22 для включения и выключения всей шаровой мельницы 2. Поясненная выше со ссылками на фиг. 2 конструкция является конструкцией обычной известной шаровой мельницы 2.
Согласно изобретению, в приводную систему 10 дополнительно включено в подводящий провод 14 дополнительное сопротивление 24 в виде переключательного элемента 20, параллельно которому включен другой короткозамыкающий контактор К4, с целью шунтирования и тем самым выключения дополнительного сопротивления 24. Другими словами, с помощью переключательного элемента 20 реализуется функция встряхивания, согласно изобретению, для барабана 6 шаровой мельницы 2. Основанием для этого является то, что за счет изменения полного значения сопротивления в подводящем проводе 14 изменяется характеристическая кривая крутящего момента и скорости вращения электродвигателя 12. При этом дополнительное сопротивление 24 имеет такую величину, что обе характеристические кривые значительно различаются по крутящему моменту при заданной скорости вращения по меньшей мере в одной рабочей точке. Между обеими характеристическими кривыми можно осуществлять скачкообразный переход посредством размыкания и замыкания короткозамыкающего контактора К4.
0
0
0
0
0
0
0
На фиг. 3 показана так называемая пусковая кривая 26 шаровой мельницы 2 для работы без помех, т.е. без наличия налипания в барабане 6 шаровой мельницы 2. На оси ординат нанесены значения возникающего на барабане 6, соответственно электродвигателе 12, крутящего момента М, отнесенные в процентах к номинальному крутящему моменту М при нормально работающей шаровой мельнице 2. Этот крутящий момент устанавливается при номинальной скорости D вращения. На оси абсцисс нанесена скорость D вращения, отнесенная к номинальной скорости D вращения электродвигателя 12, которая принята за 100%. Поэтому зона В3 пусковой кривой 26 представляет нормальную работу шаровой мельницы 2 при номинальной скорости D вращения и номинальном крутящем моменте М. В противоположность этому зона В1 представляет стартовый крутящий момент электродвигателя 12, составляющий примерно 40% от М при разгоне шаровой мельницы 2 из состояния покоя. Кроме того, зона В2 представляет максимальное значение крутящего момента, который может возникать в соответствии с показанными кривыми между 20 и 80% номинальной скорости D вращения, в зависимости от времени пуска шаровой мельницы 2.
На фиг. 1 показан процесс запуска шаровой мельницы, при этом в первый момент времени t0 барабан неподвижен, поэтому руда 8 находится в горизонтальном положении, соответственно положении R покоя, например, после длительной остановки шаровой мельницы. В момент времени t0 включается приводная система 10 посредством замыкания главного переключателя 22. Короткозамыкающий контактор К3 замкнут, так что сопротивление 18 не действует. Короткозамыкающий контактор К4 разомкнут, так что дополнительное сопротивление 24 действует. Барабан начинает вращение в направлении стрелки 28, за счет чего руда 8 из своего горизонтального положения R покоя попадает в первое наклонное положение S1 в момент времени t1. Угол поворота барабана 6 определяется углом α, например, относительно горизонтали. При этом руда 8 на основании внутреннего трения сцепления еще не переместилась относительно барабана 6.
Кроме того, на фиг. 1 показана шаровая мельница 2 в еще более поздний момент времени t2 с другим, более крутым наклонным положением S2 руды 8. Наклонное положение S2 получается лишь на основании налипания 34 руды 8 в барабане 6. То есть также в момент времени t2 руда 8 еще не переместилась относительно барабана 6. Без этого соответствующего налипания руда 8 находилась бы в момент времени t2, как показано с помощью штриховой линии 30, все еще в наклонном положении S1, при этом началось бы постоянное перемешивание руды 8 в направлении стрелки 32, так что руда 8 все время циркулировала и за счет этого размельчалась.
На фиг. 4 показано семейство 36 характеристических кривых электродвигателя 12, при этом по оси абсцисс нанесен крутящий момент, соответственно момент М, а на оси ординат - скорость D вращения электродвигателя 12. Показана так называемая 0k характеристическая кривая 38, которая справедлива при замкнутых обоих короткозамыкающих контакторах К3, 4. Таким образом, она представляет чистую характеристическую кривую электродвигателя без дополнительных сопротивлений в подводящем проводе 14. Кроме того, показаны образующие семейство характеристических кривых характеристические кривые 40а-е, которые справедливы для разомкнутого короткозамыкающего контактора К3 и замкнутого короткозамыкающего контактора К4. Различные характеристические кривые 40а-е являются характеристическими кривыми для различных значений изменяемого пускового сопротивления 18. Они служат для запуска шаровой мельницы 2. Характеристическая кривая 40а является характеристической кривой 0,7k, характеристическая кривая 40е является характеристической кривой 0,9k.
Кроме того, показана 3k характеристическая кривая 42, которая справедлива, когда оба короткозамыкающих контактора К3, 4 разомкнуты, т.е. как пусковое сопротивление 18, так и дополнительное сопротивление 24 действуют в подводящем проводе 14.
Кроме того, на фиг. 4 показаны различные рабочие состояния A-G шаровой мельницы 2 в различных рабочих точках в семействе 36 характеристических кривых.
Работа шаровой мельницы 2 начинается в рабочем состоянии А, в котором короткозамыкающий контактор К4 замкнут, а короткозамыкающий контактор К3 разомкнут. Пусковое сопротивление 18 выбрано относительно своего значения так, что активной является характеристическая кривая 40е. В последующем переходе в рабочее состояние В, как при нормальном процессе пуска, изменяется сопротивление 18, так что проходятся все характеристические кривые 40d-40а, так что шаровая мельница 2, в конечном итоге, приходит в рабочее состояние В, в котором в момент времени t2 распознается поясненное выше налипание 34.
1
Поэтому затем применяется способ, согласно изобретению, и размыкается короткозамыкающий контактор К4. Поэтому практически без задержки во времени, т.е. в момент времени t2 шаровая мельница 2 приходит в рабочее состояние С, поскольку скачкообразно произошло переключение на 3k характеристическую кривую 42. Поэтому при мгновенной скорости D вращения электродвигателя 12 происходит скачок крутящего момента с крутящего момента M1 на более слабый крутящий момент М2. За счет этого уменьшается также крутящий момент на барабане 6. За счет явно более слабого крутящего момента М2 шаровая мельница 2 прекращает свое вращение в направлении стрелки 28, останавливается и вращается против направления стрелки 28 обратно, пока она не вернется в момент времени t3 в показанное на фиг. 5 положение поворота. Таким образом, на фиг. 5 показано рабочее состояние D в момент времени t3. Теперь в соответствии с изобретением снова замыкается короткозамыкающий контактор К4, так что мгновенно происходит скачок обратно на характеристическую кривую 40а, т.е. в рабочую точку Е на фиг. 4. Крутящий момент мгновенно перепрыгивает со значения М3 на значение М4, так что барабан 6 шаровой мельницы 2 и, в частности, руда 8 в барабане 6 испытывают удар крутящего момента, так что руда разрыхляется. На основании сильно увеличившегося крутящего момента барабан 6 шаровой мельницы прекращает свое вращение против направления стрелки 28, останавливается и вращается снова в направлении стрелки 28, пока в момент времени Tt не достигнет снова рабочего состояния В. Как показано на фиг. 5, налипание 34 еще не отделилось, так что снова проходятся рабочие состояния B, C, D, E. В соответствующий более поздний момент времени шаровая мельница еще раз переходит из рабочего состояния Е в рабочее состояние В, согласно фиг. 5. На фиг. 5 штриховыми линиями показано, что за это время руда 8 полностью отделилась от барабана 6, т.е. налипание 34 исчезло. Начинается изображенный штриховой линией режим перекатывания в соответствии со стрелкой 32 при наклонном положении S1 руды. На этом завершается режим пуска шаровой мельницы 2, так что действие сопротивления 18 за счет замыкания короткозамыкающего контактора К3 полностью заканчивается. Шаровая мельница 2 переходит в рабочее состояние G, т.е. в нормальный режим.
В одном варианте выполнения изобретения приводная система 10, согласно фиг. 1, имеет дополнительно управляющий и оценочный блок 44, который измеряет как угол α поворота, так и приводной ток I электродвигателя 12, обнаруживает из них налипание 34 и, соответственно, приводит в действие короткозамыкающие контакторы К3 и К4, с целью автоматического выполнения указанного выше способа.
Вместо руды мельница может быть загружена, естественно, также другим подлежащим размельчению материалом, который имеет склонность к налипанию на внутренней стенке барабана. Кроме того, в принципе каждая мельница, которая приводится в действие с помощью электродвигателя с фазным ротором и имеет вращающийся барабан, в котором образуются налипания, можно использовать с приводной системой, согласно изобретению.