ШАРОВАЯ ЗАГРУЗКА БАРАБАННОЙ МЕЛЬНИЦЫ
ARRANGEMENT OF BALL MILL GRINDING BODIES

Изобретение относится к цементной, горно-перерабатывающей, металлургической, химической, строительной и другим отраслям промышленности, связанным с помолом минерального сырья.
Известна шаровая мелющая загрузка барабанных мельниц, включающая шары и дополнительные мелющие тела в виде многогранников, грани которых образованы вогнутыми сферическими поверхностями, причем количество многогранников составляет 15-70% общего количества мелющей загрузки (см. авт. св. №948438, МКИ B02C 17/20, опубл. 07.08.1982).
Недостатком такой загрузки является сложность изготовления многогранников и быстрое их изнашивание.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является мелющая шаровая загрузка барабанной мельницы (см. авт. св. №660707, МКИ B02C 17/20, опубл. 14.05.1979), которая кроме основных шаров содержит дополнительно шары, диаметр которых составляет 0,15-0,33 средневзвешенного диаметра основных шаров, а масса их равна 0,003-0,035 массы основных шаров.
Прототип и предлагаемое изобретение объединяет общий подход, согласно которому шаровая загрузка содержит дополнительные шары, диаметр которых выбирается так, чтобы они вписывались в пустоты (поры) между основными шарами. Однако авторы прототипа огласили подход, но практически не осуществили его ввиду ряда некорректных исходных допущений. В результате эффект интенсификации измельчения оказался мизерным из-за незначительной массы дополнительных шаров (не более 3,5%).
Предлагаемое устройство позволяет:
- обеспечить максимально возможную степень заполнения пустот в загрузке основных шаров на основе расчета диаметра дополнительных шаров, вписанных в пустоты между основными шарами, т.е. максимально увеличить плотность упаковки шаров в шаровой загрузке;
- за счет увеличения плотности упаковки шаров увеличить степень тонкого помола (тонину помола);
- при равной тонкости помола сократить время помола, т.е. увеличить производительность мельницы и снизить удельный расход электроэнергии;
- за счет более тонкого помола повысить качество продукта помола, например, снизить температуру обжига смеси; повысить марку цемента и прочность цементного камня и др.
Изобретение направлено также на повышение конкурентоспособности цемента и изделий на основе цемента за счет повышения качества (марки) цемента, а также повышения арсенала средств для получения бетонов на основе цемента.
0
0
Указанная задача достигается созданием шаровой мелющей загрузки барабанной мельницы, включающей основные и дополнительные шары, отличающейся тем, что основные шары выполнены одного диаметра, при этом диаметр дополнительных шаров равен 0,22-0,73 диаметра основного шара (d), а масса составляет 0,016-0,56 массы основного шара (m).
M.Т
M.
Сущность изобретения состоит в увеличении энерговооруженности (Э) процесса измельчения, которая для шаровой загрузки выражается отношением массы мелющих тел (m) к массе одновременно размалываемого материала (m). Экспериментально установлено, что при увеличении отношения  в три раза удельная поверхность размалываемого материала возрастает в 1,7 раза (см. табл.1).
Таблица 1
Зависимость удельной поверхности от отношения массы мелющих тел (m<sub>M.Т.</sub>) к массе размалываемого материала (m<sub>M</sub>)
Измеряемая величина
Размерность, г/г
<img file="00000002.tif" he="10" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="10" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="10" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
Удельная поверхность
м<sup>2</sup>/кг
320
415
560
Анализ указанной зависимости показывает, что увеличить отношение
практически можно лишь уменьшением знаменателя, т.е. количества одновременно размалываемого материала, который в процессе измельчения занимает объем пустот между шарами. Следовательно, увеличивая плотность шаровой загрузки и уменьшая этим объем пустот между шарами, можно существенно увеличить отношение  и интенсифицировать процесс измельчения в целом:
где Э - энерговооруженность, г/г;
M.T.
M.Т
3
γ  - плотность стальных шаров; γ=7,86 г/см;
М
М.
3
γ  - насыпная плотность клинкера; γ=1,55 г/см;
M.T.
V - доля объема мелющей загрузки, занятая шарами;
M
V - доля объема мелющей загрузки, заполненная размалываемым материалом.
Формирование плотной шаровой загрузки трубной мельницы.
Многочисленными замерами установлено, что многошаровая загрузка промышленных мельниц имеет объем пустот 40-42% и далека от плотнейшей упаковки, объем пустот в которой равен 26%. Увеличить плотность шаровой загрузки можно размещением более мелких шаров в пустоты между основными шарами.
В укладке шаров одного диаметра существует три вида пустот:
- тетраэдрическая, образованная четырьмя соседними шарами;
- октаэдрическая, образованная шестью соседними шарами;
- кубическая, образованная восемью соседними шарами.
В плотной упаковке шаров одного диаметра количество октаэдрических пустот равно числу основных шаров, количество тетраэдрических пустот в два раза больше числа основных шаров.
В максимально рыхлой упаковке основных шаров количество кубических пустот равно количеству основных шаров, а соотношение количеств октаэдрических и кубических пустот равно 6.
0
0
0
0
Диаметры шаров, которые помещаются в тетраэдрическую, октаэдрическую и кубическую пустоты равны: 0,225d, 0,414d и 0,732d соответственно, где d - диаметр основного шара (табл.2).
На указанных соотношениях выполняются расчеты состава мелющих загрузок, главным образом 2-х шаровых.
Таблица 2
Соотношения диаметров основных и дополнительных шаров в плотной упаковке
Вид шаров
Варианты
I
II
III
IV
V
VI
VII
Диаметр основного шара, мм
100
80
70
50
40
30
25
Диаметр дополнительного вписанного в пустоту шара, мм
73<sup>1</sup>
58<sup>1</sup>
51<sup>1</sup>
37<sup>1</sup>
29<sup>1</sup>
22<sup>1</sup>
17<sup>1</sup>
41<sup>2</sup>
33<sup>2</sup>
29<sup>2</sup>
21<sup>2</sup>
17<sup>2</sup>
22<sup>3</sup>
18<sup>3</sup>
16<sup>3</sup>
1 - кубическая пустота; 2 - октаэдрическая пустота; 3 - тетраэдрическая пустота.
Далее рассмотрены примеры использования заявленного устройства для измельчения материала в шаровой барабанной мельнице. Эффективность помола, при загрузке шаров плотной упаковки, проверялась на стандартной лабораторной двухкамерной мельнице Гипроцемента (диаметр внутренний - 0,5 м; длина камеры - 0,28 м; скорость вращения - 48 об/мин).
Пример конкретного выполнения 1.
Помол осуществлялся на шаровой загрузке массой 55 кг в ассортименте, обеспечивающем плотную упаковку шаров:
диаметр основного шара 40 мм - 39 кг;
диаметр вписанного шара 17 мм - 16 кг;
средневзвешенный шар - 33 мм.
2
Использовался клинкер Белгородского цементного завода. Чтобы исключить влияние крупности материала на процесс измельчения, исходный клинкер дробился на лабораторной щековой дробилке с последующим рассевом отбиралась для помола фракция 2,5÷5,0 мм. В камеру мельницы загружалась проба клинкера массой 6 кг. Помол велся до тонины помола цемента, принятой в практике цементных заводов: остаток на сите 008 - 8-10%; удельная поверхность - 300-320 м/кг.
Степень измельчения материала определялась через каждые 5 минут помола выгрузкой всего материала и рассевом на ситах с размером ячеек: 2,5; 0,9; 0,63; 0,2; 0,08 (мм). Определялись частные и полные остатки на ситах и удельная поверхность конечного продукта на приборе ПМЦ-500. Полученные результаты приведены в табл.3.
Таблица 3
Измельчение клинкера на плотной загрузке шаров (диаметр основного шара - 40 мм; диаметр вписанного шара - 17 мм)
Размер ячеек сита, мм
Время помола, мин
Количество клинкера, г
Частные остатки на ситах
Полные остатки на ситах
г
%
г
%
1
2
3
4
5
6
7
2,5
1682
28,4
1682
28,4
0,9
348,7
5,9
2030,7
34,3
0,63
5
6000
152,4
2,57
2183,1
36,8
02
657,6
11,10
2840,7
47,0
008
1576
26,60
4416,8
74,5
2,5
805,5
13,7
805,5
13,7
0,9
165,3
2,8
970,8
16,5
0,63
10
5880
70,3
1,2
1014,2
17,1
02
280,8
4,8
1322,0
22,5
008
692,8
15,2
2014,7
37,7
2,5
208,3
3,5
208,3
3,55
0,9
24,7
0,4
233,0
3,98
0,63
15
5855
10,9
0,2
244,0
4,20
02
51,6
0,9
295,5
5,00
008
656,0
11,8
951,5
16,80
2,5
65,2
1,1
65,2
1,13
0,9
7,4
0,13
72,6
1,86
0,63
20
5750
5,1
0,09
77,7
1,35
02
32,0
0,55
109,6
1,91
008
361
6,4
470,6
8,20
2,5
26,8
0,44
26,8
0,44
0,9
2,80
0,03
29,6
0,47
0,63
2,10
0,03
31,7
2,13
02
25
5750+345 г
-
-
-
008
370,0
6,1
401,6
8,20
(гипс) = 6095 г
S<sub>уд</sub>.=328 м<sup>2</sup>/кг.
Пример конкретного выполнения 2.
Для сравнения полученных в примере 1 результатов и оценки эффективности загрузки шаров плотной упаковки выполнен аналогичный помол 6,0 кг фракции клинкера на стандартной шаровой загрузке следующего ассортимента:
диаметр 70 мм - 11 кг; диаметр 60 мм - 11 кг; диаметр 50 мм - 16 кг; диаметр 40 мм - 17 кг;
средневзвешенный шар - 53 мм.
Полученные результаты приведены в табл.4.
Таблица 4
Измельчение клинкера на стандартной загрузке шаров
Размер ячеек сита, мм
Время помола, мин
Количество клинкера, г
Частные остатки на ситах
Полные остатки на ситах
г
%
г
%
1
2
3
4
5
6
7
2,5
455
7,58
455
7,85
0,9
325
5,42
780
13,00
0,63
5
6000
470
7,83
1250
20,83
02
1875
31,25
3125
52,08
008
2076
34,60
5201
86,68
2,5
220,7
3,70
220,7
3,70
0,9
170,3
2,83
391,9
6,55
0,63
240,9
4,04
631,9
10,59
02
10
5970
1240,0
20,80
1871,9
31,40
008
1802,9
30,20
3674,8
61,60
2,5
0,4
0
0,4
0
0,9
3,6
0,06
4.0
0,06
0,63
15
5920
7,7
0,13
11,7
0,2
02
589,6
9,96
601,3
10,16
008
1409,0
2380
2010,3
33,00
2,5
0,1
0
0,1
0
0,9
1,9
0,03
2,0
0,03
0,63
20
5890
5,0
0,08
7,0
0,11
02
335,5
5,70
342,5
5,81
008
1189,8
20,20
1532,3
26,00
2,5
0
0
0
0
0,9
1
0,02
1
0,02
0,63
25
5830
3,1
0,05
4,1
0,07
02
69,4
1,20
73,5
1,26
008
932,8
16,00
1006,3
17,26
2,5
0
0
0
0
0,9
0,6
0,01
0,6
0,01
0,63
30
5790
1,4
0.02
2,0
0,03
02
27,0
0,47
29,0
0,50
008
810,6
14,0
839,6
14,50
1
2
3
4
5
6
7
2,5
0
0
0
0
0,9
0,2
0
0,2
0
0,63
35
5750
0,8
0,01
1,0
0,02
02
23,9
0,41
24,9
0,42
008
667,0
11,60
692,0
12,00
2,5
0
0
0
0
0,9
0,1
0
0,1
0
0,63
40
5720+369 г
0,6
0
0,7
0
02
(гипс) = 6087 г
22,3
0,37
23,0
0,38
008
520,9
10,20
644,0
10,60
S<sub>уд.</sub>=330 м<sup>2</sup>/кг.
008
2
Сравнение результатов помола клинкера, приведенных в таблицах 3 и 4, свидетельствует, что в сравнении со стандартной загрузкой плотная упаковка шаров обеспечивает более интенсивное измельчение материала: при одинаковой степени измельчения конечного материала (R - 8-10%; S=320-390 м/кг) продолжительность помола сократилась на 37% (с 40 мин до 25 мин).
Пример конкретного выполнения 3.
Опытно-промышленные испытания заводской загрузки шаров первой камеры мельницы 2,4×13,0 м (число оборотов мельницы - 19 об/мин; мощность двигателя - 1000 кВт).
Мелющая загрузка:
первая камера - шары - 30 т
вторая камера - цильпебс - 28 т
Характеристика первой камеры:
внутренний диаметр - 2,26 м;
длина камеры - 5,96 м.
Характеристика шаровой загрузки приведена в таблице 5. Ассортимент шаровой загрузки первой камеры приведен в колонках 1, 2 таблицы 5.
Таблица 5
Заводская загрузка первой камеры мельницы 2,4×13 м
Диаметры шаров, мм
Масса шаров, т
Количество шаров в 1 т [3]*
Количество шаров одного диаметра
Поверхность шаров, м<sup>2</sup>
Общая поверхность шаров данного диаметра, м<sup>2</sup>
10,0
6
243
1458
0,0314
46
9,0
3
334
668
0,0254
17
8,0
5
474
2360
0,0201
47
7,0
5
709
3545
0,0154
55
6,0
6
1129
6798
0,0113
74
5,0
5
1960
9800
0,00785
77
Итого
30,0
24559
315
* Справочник по производству цемента, М 1963
Средневзвешенный шар загрузки - 72,2 мм.
3
Средняя насыпная масса шаров загрузки - 4,63 т/м.
Вычисление объема заводской шаровой загрузки:
ш·з.
объем шаровой загрузки (V):
3
30:4,63=6,48 м,
где 30 - масса шаров, m;
3
4,63 - насыпная масса загрузки, m/м;
объем шаров в загрузке:
3
30:7,86=3,82 м
- объем пустот в шаровой загрузке:
3
3
3
6,48 м - 3,82 м = 2,66 м.
Доля пустот в шаровой загрузке: 2,66:6,48=0,41 (41%).
Вычисление энерговооруженности (Э) шаровой загрузки по уравнению (I):
Удельная энерговооруженность заводской шаровой загрузки находится в пределах 7 т шаров на одну тонну размалываемого материала. Исходный цементный клинкер имел следующий гранулометрический состав:
Размер гранул, мм
Содержание, %
20
0,5
10
8,5
5
29,35
2,5
2,10
1,25
8,5
0,63
8,2
<0,63
23,0
Итого
100,0
В течение рабочей смены (6 часов) были уточнены основные показатели работы мельницы 2,4×13,0 м в обычном заводском режиме:
средняя производительность - 21 т/ч;
остаток на сите 008 - 8,5-10,5 (%);
2
удельная поверхность средняя - 290 м /кг;
количество материала, прошедшего через сито 008 - 89,5-90,5 (%).
Пример конкретного выполнения 4.
Опытно-промышленные испытания плотной шаровой загрузки первой камеры мельницы 2,4×13,0 м (табл.6).
Таблица 6
Характеристика плотной шаровой загрузки первой камеры мельницы 2,4×13 м
Вид и диаметр шаров, мм
Масса шаров, т
Количество шаров в 1 т
Количество шаров данного диаметра
Поверхность шара данного диаметра, м<sup>2</sup>
Общая поверхность шаров данного диаметра, м<sup>2</sup>
Основной шар, 70
21,5
709
15243
0,0153
233
Вписанный шар 30
8,5
9090
77265
0,002826
261
Итого
30,0
92508
495
Средневзвешенный шар загрузки - 58,6 мм.
3
Насыпная плотность загрузки - 6,1 т/м.
Вычисление общего объема пустот в плотной шаровой загрузке:
объем шаровой загрузки:
3
30: 6,11=4,92 (м)
объем шаров в загрузке:
3
30:7,86=3,82 (м)
объем пустот в шаровой загрузке:
3
4,92-3,82=1,1 (м)
доля объема пустот от общего объема плотной шаровой загрузки:
1,1: 4,92=0,22 (22%).
Энерговооруженность (Э) плотной шаровой загрузки:
При прочих равных условиях плотная загрузка шаров оказывает на размалываемый материал разрушающее воздействие, величина которого в два с половиной раза больше (18:7=2,57), чем у обычной рыхлой шаровой загрузки. Плотная загрузка шаров имеет в 4-6 раз (в зависимости от варианта) большее число шаров и в 1,6 раза большую их общую поверхность (см. табл.6).
Совокупность указанных факторов обеспечивает плотной шаровой загрузке значительно более высокую размалывающую способность и повышенное качество конечного продукта помола (см. табл.7), т.е. более высокую степень измельчения цемента и большую прочность цементного камня.
Таблица 7
Влияние плотности шаровой загрузки на физико-механические свойства цемента
Вид шаровой загрузки при помоле цемента
Плотность шаровой загрузки, т/м<sup>3</sup>
Тонкость помола
Предел прочности, МПа
Прошло через сито 008, %
Удельная поверхность, м<sup>2</sup>/кг
на изгиб
на сжатие
в возрасте, сут
в возрасте, сут
3
7
3
7
Заводская
4,63
90,4-91,5
283-296 Ср.290
3,5
5,0
18,8
28,7
Плотнейшая экспериментальная
6,10
97,3-97,6
325-454 Ср.380
4,1
6,0
24,8
39,1
Пример конкретного выполнения 5.
2
2
На плотной шаровой загрузке, рассмотренной в примере 4, на мельнице 2,4×13,0 м осуществлялся помол цемента с обычной тонкостью по остатку на сите 008 в пределах 9-10% и удельной поверхностью 275-302 м/кг (средняя 290 м/кг). В течение 6 часов работы достигнута средняя производительность 27,6 т/ч, что на 31% больше, чем производительность мельницы на заводской шаровой загрузке, составившей 21 т/ч.