На правах рукописи

Жиров Дмитрий Константинович

АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

МЕХАНОАКТИВАЦИИ ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЕВОГО ШЛАКА

Специальность

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте механики Уральского отделения РАН (ИМ УрО РАН)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Денисов Валерий Алексеевич

Официальные оппоненты: Золотарев Сергей Васильевич доктор технических наук, профессор Российского государственного аграрного университета МСХА им. К.А. Тимирязева, проректор по организации и развитию учебной деятельности Вахрушев Александр Васильевич доктор физико-математических наук, профессор Института механики УрО РАН, заведующий лабораторией механики и наноструктур

Ведущая организация Институт прикладной механики РАН

Защита состоится 25 мая 2012 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМ УрО РАН Автореферат разослан « 13 » апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Тарасов Валерий Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. По показателям энерго, -ресурсосбережения и энергоэффективности на единицу валовой продукции Россия отстает от развитых стран более чем в 10 раз. Особенно высоки затраты энергии в базовых отраслях промышленности (предприятия строительной, горно-обогатительной, металлургической, химической энергетической отраслях промышленности). В настоящее время очень остро стоят проблемы снижения затрат энергии в технологиях переработки различных видов минерального сырья природного и техногенного образований, определяющие энергоемкость экономики России. Указом Президента от 04.06.2008 № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности Российской экономики», были намечены мероприятия по техническому регулированию, направленные на повышение энергетической и экологической эффективности таких отраслей экономики, как электроэнергетика, строительство, жилищнокоммунальное хозяйство, транспорт.

Для получения качественных материалов в базовых отраслях промышленности необходимо использование измельченных материалов с требуемым гранулометрическим составом, который определяет их физико-химические свойства. С учетом разносторонних требований к продуктам помола разрабатываются новые технологии измельчения и устройства.

Алюминиевая отрасль сегодня является одним из лидеров российской промышленности. Рост алюминиевой промышленности в России, увеличение объемов производства оказывают растущее влияние на природную среду. Количество накопленных отходов в шлакохранилищах исчисляется сотнями миллионов тонн, при ежегодном приросте до 10 млн. тонн. Значительный рост экологических проблем требует замены устаревших технологий производства алюминия на более экологичные и эффективные. Однако проведение такой модернизации в ближайшие десятилетия, в условиях острой конкурентной борьбы на мировом рынке производства алюминия, маловероятно из-за необходимости значительных временных и финансовых затрат. Поэтому наиболее эффективным средством уменьшения вредного воздействия на окружающую среду является утилизация алюминиевых шлаков, содержащих большое количество ценных компонентов, извлечение многих из которых может быть рентабельным.

Алюминиевый шлак - многокомпонентное структурно-неоднородное сырье. В своем составе содержит до 45 % чистого алюминия, до 6 % меди и цинка и до 1 % свинца. Алюминиевый шлак после измельчения и классификации может быть использован для нужд металлургии при изготовлении стали, а также для получения чистого алюминия, меди, цинка и свинца.

При проектировании и изготовлении установок для измельчения исходных компонентов важными требованиями являются: экологическая безопасность, снижение расхода энергии на единицу готовой продукции, возможность получения продукта заданного гранулометрического состава, низкая удельная металлоемкость, компактность, ремонтопригодность, надежность, простота эксплуатации и обслуживания, возможность измельчения в едином потоке различных материалов.

В настоящее время не существует технологии по переработке алюминиевого шлака обеспечивающей высокие показатели по всем указанным выше параметрам.

Решение вопросов получения продуктов переработки сырья с заданными физикохимическими свойствами является одной из актуальных проблем.

Цель работы:

Разработать автоматическую систему контроля и управления процессами измельчения и классификации частиц алюминиевого шлака, обеспечивающую получение конечного продукта требуемого гранулометрического состава при высоких показателях энергоэффективности системы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать состояние вопроса в области существующих приборов для измельчения многокомпонентных структурно-неоднородных материалов с позиции возможности их автоматизации, однородности получаемых продуктов переработки и снижения энергозатрат.

2. Проанализировать процесс разрушения и классификации частиц измельчаемого сырья в многоступенчатом механореакторе, провести экспериментальные исследования по измельчению частиц алюминиевого шлака, оценить характеристики получаемого конечного продукта помола, определить функциональные возможности использования устройств данного типа для измельчения алюминиевого шлака.

3. Исследовать механику классификации частиц измельчаемого сырья, проанализировать различные конструктивные решения сепараторов с позиции эффективности их работы и возможности контроля и управления процессом разделения частиц.

4. Разработать модель управляемого процесса классификации частиц электростатическим сепарированием в многоступенчатых мельницах, реализующих способ разрушения ударом. Разработать методику расчета конструктивных решений электростатического сепаратора.

5. Разработать принципиальную технологическую схему разрушения и классификации частиц алюминиевого шлака и систему автоматического контроля и управления процессами измельчения и классификации частиц с обратной связью по качеству конечного продукта помола.

Провести эксперименты по измельчению алюминиевого шлака в ручном и автоматическом режимах для оценки изменения энергозатрат на единицу продукции, гранулометрического состава конечного продукта, производительности.

Экспериментально проверить возможности автоматики по управлению процессом измельчения алюминиевого шлака в различных режимах работы линии переработки.

Объектом исследований является линия переработки алюминиевого шлака на базе многоступенчатой мельницы, в которой реализована технология многоразового нагружения измельчаемых частиц.

Методика исследования. При решении поставленных задач использовались следующие методы: математического моделирования процессов разрушения и классификации частиц исходного сырья, определения гранулометрического состава продукта переработки, элементы полного факторного эксперимента, теории автоматического регулирования технологическими процессами.

Достоверность и обоснованность. Приведенные в диссертации результаты экспериментальных исследований подтверждены актом внедрения выполненной работы, семилетней эксплуатацией линии переработки алюминиевого шлака (ООО «УралПрогресс 2216»), на которой были апробированы результаты выполненных теоретических исследований.

Научная новизна. Теоретически проанализирован и обоснован энергоэффективный процесс разрушения и классификации частиц алюминиевого шлака в многоступенчатом механореакторе. Доказана возможность получения порошков наноразмерных классов.

Разработана модель процесса классификации частиц в электростатическом сепараторе применительно к мельницам, реализующим способ разрушения ударом.

Разработана методика расчета конструктивных параметров электростатического сепаратора применительно к мельницам, реализующим способ разрушения ударом.

Предложена принципиальная технологическая схема процессов механоактивации и классификации частиц алюминиевого шлака с использованием метода непрерывного контроля гранулометрического распределения частиц в потоке.

Теоретически обоснована и разработана система автоматического контроля и управления процессами измельчения и классификации с обратной связью по качеству конечного продукта помола.

Практическая значимость.

Содержащиеся в работе теоретические и экспериментальные исследования, разработки и практические рекомендации позволяют решать вопросы энерго- и ресурсосбережения при измельчении многокомпонентных структурно-неоднородных материалов при высоком качестве конечного продукта.

Разработанная система автоматического контроля и управления процессами измельчения и классификации с обратной связью по качеству конечного продукта помола для процесса переработки алюминиевых шлаков, реализованная на предприятии ООО «УралПроресс 2216», позволила существенно расширить потенциальные возможности использования устройств многоступенчатого типа для переработки различных многокомпонентных материалов и классификации их в соответствии с требованиями к качеству получаемого продукта помола, стабилизировать технологический процесс по качеству конечного продукта, повысить надежность работы технологической линии, исключить аварийные режимы, снизить энергоемкость процесса измельчения до уровня 3 (кВт·ч)/т, повысить срок службы агрегатов линии, повысить производительность линии на 20 %, снизить затраты электроэнегрии на 17-19 %.

Разработанная технологическая схема по переработке сырья с автоматической системой управления может быть внедрена на существующих предприятиях по переработке различных материалов без значительных капитальных затрат.

Результаты исследований могут использоваться в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению «Строительство».

Положения, выносимые на защиту:

1.Теоретическое обоснование процессов многоступенчатого разрушения и классификации частиц массопотока с позиции возможности их автоматизации, однородности получаемых продуктов переработки и энергозатрат.

2. Модель управляемого процесса классификации частиц электростатическим сепарированием в многоступенчатых мельницах, реализующих способ разрушения ударом.

3. Методика расчета конструктивных решений электростатического сепаратора применительно к мельницам ударного типа.

4. Принципиальная технологическая схема процессов механоактивации и классификации частиц алюминиевого шлака с использованием метода непрерывного контроля гранулометрического распределения частиц в потоке.

5. Система автоматического контроля и управления процессами измельчения и классификации с обратной связью по качеству конечного продукта помола.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Конкурсе молодых специалистов, ЗАО Ижевский мотозавод «Аксион», 2007 г.;

2. Междунар. НТК «Стройкомплекс-2008», г. Ижевск, ИжГТУ, 2008 г.;

3. Всерос. конкурсе магистерских диссертаций по направлению «Строительство» (региональный тур), Казань, 2008 г. Получен диплом (3 место);

4. Второй Всерос. Конф. с междунар. интернет-участием «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии», г. Ижевск, ИжГТУ, 2009 г.;

5. Междунар. НТК «Стройкомплекс-2010», г. Ижевск, ИжГТУ, 2010 г.;

6. Всерос. НТК «Общество-наука-инновации», ВятГУ, г. Киров, 2010 г.;

7. 10-выставке сессии инновационных проектов 2-го республ. молодежного инновационного форума, ИжГТУ, г.Ижевск, 2011г. Получен диплом 1 степени;

8. Междунар. конгрессе по управлению отходами «ВейстТэк 2011», М., 2011г.;

9. НТК аспирантов, магистрантов и молодых ученых «Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке», Ижевск, 2011 г.;

10. Региональной научно-методической конференции «Информационное и техническое обеспечение инновационных технологий», УР, Сарапул, 2011 г.;

11. Третьем инвестиционном форуме «Удмуртия: курс на модернизацию», г.Ижевск, 2011 г.. Получен диплом участника;

12. Выставке инвестиционных проектов РОСНАНО, Ижевск, 2011 г.;

13. Выставке RusNanoTech Expo, Москва, 2011 г.

За заслуги в научной деятельности и активное участие в общественной жизни республики автор удостоен стипендии Президента УР в 2010 году Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них 5 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 11 публикаций в сборниках трудов конференций.

Личный вклад автора. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, модели, алгоритмы и методики расчетов, представленные в диссертации, получены автором лично. Экспериментальная установка, используемая при выполнении исследований, разработана при личном участии автора, сотрудников ООО «УралПрогресс 2216» под руководством научного руководителя д.т.н., профессора Денисова В.А. Выбор приоритетов, направлений, методов исследования и форм представления результатов, формирование структуры и содержания работы, формулирование основных положений выполнено при активном участии д.т.н., профессора Денисова В.А.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из списка принятых в работе сокращений, введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего наименований и двух приложений. Основная часть диссертации изложена на 160 страницах машинописного текста, включая 37 иллюстраций и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы существующие устройства для измельчения материалов по следующим параметрам: расход электроэнергии на единицу готовой продукции, возможность получения конечного продукта заданного гранулометрического состава, металлоемкость, компактность, ремонтопригодность, надежность, простота эксплуатации и обслуживания, возможность измельчения различных многокомпонентных структурнонеоднородных материалов, в том числе одновременно.

Измельчение многокомпонентных материалов может быть произведено различными способами: раздавливание, разламывание, удар, истирание, резание, а также комбинацией этих способов (рисунок 1).

Существуют различные методики определения наиболее эффективного способа измельчения для различных материалов. Анализ существующих методик показывает, что большинство из них основано на статическом и динамическом нагружениях образцов.

Наибольшую практическую значимость имеют методики, основанные на динамическом нагружении образцов.

Анализ выполненных исследований по статическому и динамическому нагружениям различных материалов показывает, что из всех способов разрушения наиболее эффективным для большинства многокомпонентных структурно-неоднородных материалов является свободный удар.

Рисунок 1 - Способы механического разрушения многокомпонентных материалов Приведенные способы механического разрушения и их комбинации (рисунок 1) определяют неоднородность разрушения частиц особенно для многокомпонентных структурнонеоднородных материалов. Неравномерность разрушения определяется различием в физико-механических и химических свойствах каждой частицы. Каждая частица индивидуальна. В таблице 1 представлены наиболее практичные способы разрушения для материалов с различными свойствами.

Результаты проведенных исследований А.Р. Демидова, Л.А. Глебова, Р. Гийо, В.А. Денисова, С.В. Золотарева показали, что измельчение большинства многокомпонентных структурно-неоднородных материалов с помощью свободного удара позволяет получать продукт помола высокого качества, затрачивая при этом минимальное количество энергии.

Таблица 1 – Способы разрушения материалов Примечание: + – пригодный; 0 – условно-пригодный; (-) – не пригодный.

При достижении измельчаемых частиц размеров 1 мкм и ниже эффективность ударного способа измельчения снижается (в связи с очень низкой массой частиц), поэтому необходимо вовремя выводить готовый продукт из зоны измельчения. Это позволит исключить ненужное переизмельчение материала, повысить производительность, получить конечный продукт заданного гранулометрического состава, снизить расход энергии на единицу готовой продукции, повысить срок службы рабочих органов измельчающего устройства.

На рисунке 2 представлена технологическая схема многоступенчатого механореактора, реализующего в себе принцип пошагового нагружения измельчаемых частиц и вывода готового продукта после каждой ступени измельчения.

Реализованная в мельнице многоступенчатость разрушения и классификации частиц массопотока определяет универсальность ее использования, позволяет решить вопросы переработки сырья по различным направлениям их хозяйственного использования, вопросы экологического мониторинга и рационального землепользования.

Анализ существующих машин показывает, что для измельчения многокомпонентных материалов могут быть эффективно использованы молотковые дробилки, центробежные, стержневые, газоструйные измельчители и барабанные мельницы.

В.А. Денисовым, Б.В. Клущанцевым, А.Р. Демидовым, С.В. Мельниковым, Р. Гийо, М.Л. Моргулисом, Б.К. Трусовым были предложены различные классификации измельчающих устройств.

Рисунок 2 - Технологическая схема многоступенчатой мельницы Многокомпонентные материалы характеризуют по механическим параметрам: твердость, хрупкость, объемная масса, а также по их химическому составу. Если рассмотреть многокомпонентный материал как исходное сырье для последующей переработки то это, как правило, твердые частицы с различными физическими, механическими и химическими свойствами, между которыми в пустотах находится воздух. Расстояние между частицами в материале при его переработке непрерывно меняется. В результате чего объемная масса твердых частиц материала является непостоянной величиной.

Таким образом, при переработке многокомпонентных материалов нужно учитывать, что их свойства: объемная масса, размер частиц, твердость, влажность меняются с течением времени в зависимости от изменяющихся постоянно внешних условий и стадий процесса измельчения. Поэтому автоматизация процесса переработки материалов, способная адаптировать процесс измельчения к постоянно изменяющимся условиям, необходима для получения продукта переработки заданного гранулометрического состава. Без применения адаптивной системы автоматики также невозможно решить вопросы энергосбережения.

Неоднородность разрушения частиц определяет необходимость включения в технологический процесс элементов их классификации. Из промышленно апробированных способов классификация может осуществляться способами: механического, воздушного и электрического разделения. В выполненной работе основной упор по классификации частиц сделан на электростатическое сепарирование измельчаемых материалов. Способ разделения частиц массопотока на фракции при помощи электростатического поля позволяет решать вопросы классификации частиц под любые требования технологии.

Проведенный анализ существующих устройств для измельчения многокомпонентных структурно-неоднородных материалов позволил сформулировать цель и задачи научного исследования: разработка модели управляемого процесса классификации частиц электростатическим сепарированием в многоступенчатых мельницах, реализующих способ разрушения ударом; разработка системы автоматического контроля и управления процессами измельчения и классификации частиц с обратной связью по качеству конечного продукта помола.

Во второй главе рассмотрен процесс механоактивации частиц алюминиевого шлака в многоступенчатой мельнице.

Целью эксперимента определено исследование гранулометрического состава продукта помола. В качестве исходного сырья был взят алюминиевый шлак, пыль, полученная при переработке алюминиевого шлака. В таблице 2 приведены средневзвешенные результаты экспериментов по измельчению алюминиевого шлака в многоступенчатом механореакторе. На основании результатов исследования (таблица 2) были получены графики распределения гранулометрического состава при переработке алюминиевого шлака в многоступенчатом механореактора (рисунок 3).

Из графиков (рисунок 3) явно видны пики, соответствующие ступеням разрушения измельчающего устройства. В нашем случае в качестве измельчающего устройства была использована многоступенчатая центробежно-ударная мельница модели ДЦМ-5, имеющая 3 ступени. Наличие пиков на кривой гранулометрического состава объясняются тем, что нагрузка, прилагаемая к измельчаемому материалу, возрастает на каждой последующей ступени и частицы, не прошедшие сквозь сепаратор, измельчаются в большей степени, чем на предыдущей ступени.

Таблица 2 – Результаты экспериментов по измельчению алюминиевого шлака Выполненные экспериментальные исследования определили неоднородность механики разделения частиц массопотока по интенсивности в различных диапазонах крупности частиц, что характеризует сложность и неоднозначность процесса по размерным классам.

Выполненные на просвечивающем электронном микроскопе JEM-200 CX с ускоряющим напряжением 160 кВ и приставкой электронной дифракции исследования образцов пыли, полученной после циклона при промышленно работающей линии переработки алюминиевых шлаков, приведены на рисунке 4.

Результаты исследований определили: средневзвешенный размер частиц пыли составляет 100-200 нм; структура частиц - округлые, ближе к форме шара образования, состоящие из мелких частиц оксида алюминия; структура микродифракции частиц - содержит аморфные размытые кольца с присутствием точечных рефлексов от отдельных зерен; полученные структуры содержат также куски сильно измятой тонкой пленки аморфной структуры.

Выполненные исследования достоверно определили возможность получения порошков наноразмерных классов с различными физико-химическими свойствами методом механоактивации в мельницах многоступенчатого типа.

Неоднородность гранулометрического состава конечного продукта при переработке сырья определяет необходимость установки элементов сепарирования для получения выровненного гранулометрического состава продукта помола.

Получить однородный состав продукта помола особенно при тонком измельчении (до наноразмерных классов), используя механические способы разделения частиц массопотока по фракциям, не представляется возможным. Это потребовало бы применения большого числа ступеней измельчения. Таким образом, теоретически и экспериментально определено: устройство механического измельчения возможно использовать в технологиях получения нанопорошков при условии их классификации другими более эффективными способами разделения. Анализ существующих способов разделения частиц массопотока показал, что наиболее эффективным и наиболее экономичным способом является электростатическая сепарация. Достоверно подтверждена необходимость создания технологии механического разрушения с электростатическим сепарированием.

В третьей главе на основе проведенного анализа распределения и преобразования энергии в электростатическом поле обоснована модель классификации частиц массопотока по различным фракциям.

На каждую частицу при движении в поле электростатического сепаратора действуют механические и электрические силы (рисунок 5).

Сила воздействия электростатического поля где g - поверхностная плотность электрического заряда; E - напряженность электрического поля; S - площадь поверхности частицы; d - средневзвешенный диаметр частицы.

Сила сопротивления среды, которая состоит из различных составляющих где Ns - сопротивление вязкости среды; Nn - аэродинамическое сопротивление частицы; - плотность среды, - динамическая вязкость среды, d – диаметр частицы.

Архимедова сила - Po Для частиц любого, подлежащего сепарации, материала общее уравнение движения с учетом всех известных сил, действующих на них, будет иметь вид где Р - сила тяжести частицы, Р0 - архимедова сила, F - силовая составляющая электростатического поля, N - сила сопротивления движению частиц в среде.

Применительно к технологической схеме мельницы многоступенчатого типа (рисунок 2) модель ступени измельчения с электростатическим сепаратором показана на рисунке 5. В ступени разрушение материала идет с помощью рабочих органов центробежного или ударного типов и установленной против них деки (отбойной деки) 2. При этом дека совместно со скатной доской 3 выполняет функции заряжающего электрода.

Рисунок 5 - Схема сил, действующих на частицу при движении в электростатическом сепараторе (слева);

модель ступени измельчения мельницы с электростатическим сепаратором (справа) При движении каждая частица измельчаемого сырья, приобретая скорость, будет иметь в зоне деки контактное соударение с разрушением или без него. При контакте частицы будут получать заряд одинаковый по знаку с декой и отталкиваться от нее. Для тех частиц, которые во время движения в зоне разгонный диск-дека изменили свои траектории вследствие взаимодействия с другими частицами, предусмотрена установка скатной доски с потенциалом, что и дека, как по величине, так и по знаку. Кроме передачи электрического заряда (основного и дополнительного) частицам разделяемой массы, скатная доска играет роль стабилизатора движения потока. Различные конструктивные решения скатной доски позволяют получать не только поток с направленным движением, но и значительно снизить скорость его движения.

Заряженные частицы классифицируемой массы, при сходе со скатной доски попадают в рабочее пространство электродов сепаратора 4. Выполнение электродов в виде цилиндрических колец позволяет получить выровненное электростатическое поле напряженностью Е по периметру всего кольца, исключает явление неравномерности сепарирования в отдельных точках. Установленная за кольцами сепаратора шторка 5 помогает выделить нужную фракцию частиц в готовый продукт. Другие фракции будут направлены на следующую ступень измельчения и классификации частиц массопотока.

Изменяя напряжение на кольцах сепаратора можно менять силу воздействия электростатического поля на разделяемые частицы и управлять траекторией их движения. Величина напряжения на электродах определяется физико-химическими свойствами разделяемых частиц и требуемым числом фракций конечного продукта.

При измельчении сырья с диэлектрическими свойствами, контактируемые в зоне деки или скатной доски частицы будут поляризоваться. При этом на стороне контакта будет возникать заряд разноименный, а на противоположной - одноименный. Поскольку величина зарядов разных полярностей в частице одинакова, то ее электрические свойства по отношению к заряжающему электроду нейтральны.

Различие в электрических и механических силах, обуславливает различную траекторию движения частиц, что создает условия для их четкой классификации. Это позволяет получать мелкодисперсный продукт свободный от примесей, что существенно расширяет возможности машин для измельчения различных многокомпонентных структурнонеоднородных материалов.

В главе представлена методика расчета модели электростатического сепаратора свободного падения. Главным узлом электросепаратора является электрод, поэтому основной расчет при заданной производительности заключается в определении его оптимальных геометрических параметров.

Расчет параметров электрода электростатического сепаратора (рисунок 5) основан на зависимости между геометрической формой, приложенным напряжением и распределением потенциала на поверхности. При оптимальной геометрической форме между электродами образуется однородное поле с максимальной напряженностью без пробоя.

Для эффективного разделения многокомпонентного материала, состоящего из смеси частиц различных размеров, высота электрода определяется по усредненному диаметру частиц где I - выход заданного класса частиц, определяемый по результатам лабораторного анализа; di - усредненный диаметр частиц, определяемый по формуле:

где dверх, dнижн – верхний и нижний размерные пределы класса.

Производительность установленного в ступени измельчения сепаратора должна быть равна или выше производительности разгонного диска. При расчетной производительности диска необходимая площадь электрода определится из соотношения:

где Qрд - расчетная производительность разгонного диска ступени измельчения; g0 - средняя производительность сепаратора на единицу поверхности (для различных материалов величина удельной производительности g0 составляет 1000 – 1500 кг/ч на м2 электрода); К - поправочный коэффициент, учитывающий состав сепарируемой массы, напряженность поля, форму частиц, технологический режим работы ступени измельчения.

При расчетной высоте электрода Н необходимый диаметр электрода определится из выражения Величины рабочего напряжения на электродах сепаратора определяются требованиями к сепарации материала по технологическим показателям, его величина должна быть меньше или равна величине критического напряжения Е0. При повышении напряжения выше Е будет иметь место явление коронного разряда и выход из строя сепаратора или всей измельчающей установки.

Оптимизация параметров работы многоступенчатой мельницы с электростатическим сепаратором возможна при наличии системы автоматического управления. Отсутствие АСУ не позволяет решать вопросы энергосбережения и получения материалов высокого качества.

В четвертой главе рассмотрены вопросы контроля и автоматизации линии переработки алюминиевого шлака на предприятии ООО «УралПрогресс 2216 (рисунок 6). На рисунке 7 представлена блок-схема разработанной АСУ процессами измельчения и классификации частиц алюминиевого шлака для указанной линии переработки. В блок-схеме показано взаимодействие контроллера с элементами управления.

Рисунок 6 - Технологическая схема линии переработки алюминиевых шлаков Рисунок 7 - Блок схема автоматической системы контроля и управления процессами измельчения На рисунке 8 представлена принципиальная технологическая схема АСУ процессом механоактивации алюминиевого шлака с использованием метода непрерывного контроля гранулометрического распределения частиц в потоке.

Система непрерывного действия, обеспечивает непрерывный контроль гранулометрического распределения независимо от колебаний концентрации частиц в потоке.

Определение гранулометрического распределения частиц в потоке вещества включает в себя: разделение потока на n-е количество фракций; измерение режима расхода материала частиц каждой фракции с помощью измерителя скорости накопления материала этой фракции за ряд последовательных интервалов короткого времени; сравнение режима расхода этой гранулометрической фракции с режимом расхода других фракций.

Соотношение между различными фракциями сравнивается с заданной величиной (эталоном) в контроллере, и в случае их несоответствия контроллер изменяет управляющий сигнал на частотном преобразователе электропривода мельницы 6 для корректировки частоты вращения ротора, тем самым, нормализуя качество конечного продукта. Разработанная система позволяет управлять процессом разделения частиц в электростатических сепараторах 10 путем изменения напряжения на их электродах.

Рисунок 8 - Принципиальная технологическая схема механоактивации и классификации частиц алюминиевого шлака с использованием метода непрерывного контроля гранулометрического Рисунок 9 - Функциональная схема АСУ переработки алюм. шлака в многоступенчатой мельнице Рисунок 10 - Алгоритм работы микроконтроллера в ручном (слева) Переработка многокомпонентных стурктурно-неоднородных материалов является сложным технологическим процессом, на качество конечного продукта влияют многие параметры, случайные и детерминированные погрешности.

На рисунке 9 приведена функциональная схема системы автоматческого регулирования технологического процесса переработки алюминиевого шлака, позволяющая контролировать процесс переработки сырья под заданные параметры. В главе рассмотрены различные варианты функциональных и структурных схем САР.

Разработанная программа управления работой линии переработки алюминиевого шлака, предусматривающая ручной и автоматический режимы, базируется на использовании микроконтроллера Zelio Logic 2, модели SR3B26TBD. Алгоритмы работы контроллера в ручном и автоматическом режимах показаны на рисунке 10.

Программа автоматического управления составлена при помощи прикладного программного обеспечения Zelio soft 2 version 4.01 с использованием графического языка FBD. Программа полностью адаптирована для использования микроконтроллера и позволяет производить разработку, отладку и работу его в режиме реального времени, путем связи с компьютером по интерфейсу RS232.

В главе представлены модели совершенствования АСУ линии переработки алюминиевого шлака.

Таблица 3 – Гранулометрический состав конечного продукта при измельчении алюм. шлака в ручном и Крупный первый помол, Крупный двойной помол, Однократный помол пыли, Содержание,% Рисунок 11 - Гранулометрический состав измельченного сырья однократный помол в ручном режиме и АСУ (слева), двойной помол в ручном и автоматическом режиме (справа) Процесс механоактивации частиц алюминиевого шлака в многоступенчатой мельнице с АСУ и в ручном режиме был исследован с позиции качества конечного продукта и энергоэффективности. Целью эксперимента определено исследование гранулометрического состава продукта помола и расхода электроэнергии на тонну готовой продукции с использованием АСУ и в ручном режиме. В таблице 3 приведены средневзвешенные результаты экспериментов по измельчению алюминиевого шлака в многоступенчатом механореакторе с использованием АСУ и в ручном режиме. На основании результатов исследования (таблица 3) были получены графики распределения гранулометрического состава при переработке алюминиевого шлака в многоступенчатом механореакторе (рисунок 11,12).

Использование АСУ позволило получить более выровненный гранулометрический состав конечного продукта, кроме того, повысилась степень измельчения.

Таблица 4 – Результаты замеров расхода электроэнергии при измельчении алюминиевого шлака Содержание,% Рисунок 12 – Гранулометрический состав конечного продукта при измельчении пыли в ручном и автоматическом режимах (слева); диаграмма расхода электроэнергии при измельчении алюминиевого шлака в ручном и автоматическом режимах (справа) Таблица 5 - Зависимость производительности и энергоемкости мельницы от скорости вращения ротора Таблица 6 – Гранулометрический состав конечного продукта при измельчении алюминиевого шлака при различных скоростях вращения ротора мельницы (%) Помол при скорости ротора Помол при скорости ротора Помол при скорости ротора Помол при скорости ротора Для эксперимента был установлен индивидуальный счетчик учета электроэнергии, который показал значительное снижение расхода электроэнергии при использовании разработанной АСУ (порядка 17-20 %) при той же производительности мельницы и более выровненном гранулометрическом составе конечного продукта (таблица 4, рисунок 11,12).

АСУ позволила расширить возможности измельчающего устройства по качеству конечного продукта в широком диапазоне скоростей вращения ротора, обеспечивая при этом высокие показатели энергоэффективности. Зависимости гранулометрического состава конечного продукта и удельного расхода электроэнергии от скорости вращения ротора мельницы представлены в таблицах 5,6 и рисунке 13.

Содержание, % Рисунок 13 – Зависимость гранулометрического состава конечного продукта (слева) и удельного расхода В данном случае в качестве сепарирующего устройства использованы решета (ситовый способ разделения частиц). Использование электростатических сепараторов в предложенной АСУ позволит еще в большей степени повысить качество конечного продукта.

Проведенный анализ САР процесса измельчения алюминиевого шлака в многоступенчатых мельницах позволил определить следующие выводы:

Реализованная в линии переработки многокомпонентных материалов схема автоматического управления ведет контроль работы мельницы по величине оптимальной загрузки, по качеству конечного продукта, повышает срок службы машин за счет их рациональной, технически обоснованной эксплуатации, исключающей аварийные режимы, позволяет продлевать межремонтный срок истирающихся деталей, решает вопросы охраны труда и техники безопасности производственного процесса.

В приложение вынесены акты о внедрении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих способов механического разрушения многокомпонентных структурно-неоднородных материалов показал, что наиболее энергоэффективным является способ разрушения свободным ударом. Приборы для измельчения, реализующие этот способ, позволяют автоматизировать процесс измельчения, получить продукт помола выровненного гранулометрического состава при расходе энергии 4-10 кВт·ч на тонну готовой продукции.

2. Теоретически проанализирован процесс ударного разрушения и классификации частиц алюминиевого шлака в многоступенчатом механореакторе, обоснована его энергоэффективность.

Показано, что энергоемкость процесса однократного, двойного измельчения алюминиевого шлака и его пыли в многоступенчатом механореакторе с сепаратором-сито составила 4-5 (кВт·ч)/т при высокой степени измельчения. Для получения однородного состава продукта помола необходимо использовать более эффективные методы сепарации.

3.Доказана возможность получения порошков наноразмерных классов методом механоактивации в многоступенчатых мельницах.

4. Исследована механика классификации частиц измельчаемого материала в сепарирующих приборах различных типов с позиции эффективности их работы и возможности контроля и управления процессом разделения частиц. Анализ существующих способов разделения частиц массопотока показал, что наиболее эффективным и экономичным способом является электростатическая сепарация. Способ разделения частиц в электростатическом поле позволяет получить конечный продукт с заданным гранулометрическим составом, вести непрерывный контроль и управлять процессом сепарации частиц. Теоретически доказана необходимость использования электростатических сепараторов в многоступенчатых мельницах, реализующих способ разрушения ударом.

5.Разработана модель процесса классификации частиц в электростатическом сепараторе применительно к мельницам, реализующим способ разрушения ударом, позволяющая в зависимости от физико-химических свойств разделяемых частиц и требуемого числа фракций конечного продукта управлять процессом их сепарации путем изменения напряжения на электродах сепаратора.

Разработана методика расчета конструктивных параметров электростатического сепаратора применительно к мельницам, реализующим способ разрушения ударом, представлены расчеты производительности сепаратора, высоты электродов, диаметров электродов.

6. Предложена принципиальная технологическая схема процессов механоактивации и классификации частиц алюминиевого шлака с использованием метода непрерывного контроля гранулометрического распределения частиц в потоке.

Теоретически обоснована и разработана система автоматического контроля и управления процессами загрузки, измельчения и классификации с обратной связью по качеству конечного продукта помола для процесса переработки алюминиевых шлаков на предприятии ООО «УралПрогресс 2216».

Разработанная система позволяет управлять процессом загрузки мельницы с помощью частотного преобразователя эл. привода транспортера, процессом измельчения - изменением скорости вращения ротора мельницы, процессом сепарации - изменением напряжения на электродах сепаратора.

Проведенные эксперименты по измельчению алюминиевого шлака в различных режимах работы системы автоматического контроля и управления процессами переработки подтвердили достоверность теоретических исследований, выполненных в диссертационной работе, показали, что реализация автоматической системы управления позволила: стабилизировать технологический процесс по качеству конечного продукта; повысить надежность работы технологической линии; исключить аварийные режимы; снизить энергоемкость процесса измельчения до уровня 3 (кВт·ч)/т; повысить срок службы агрегатов линии;

повысить производительность линии на 20 %; снизить затраты электроэнергии на 17-19 %;

расширить потенциальные возможности многоступенчатой мельницы по измельчению различных многокомпонентных структурно-неоднородных материалов.

Экспериментальные исследования работы линии переработки алюминиевого шлака в автоматическом режиме показали, что оптимальный режим работы мельницы с позиции качества конечного продукта и энергоэффективности находится в диапазоне оборотов ротора 50006000 мин-1 при этом энергоемкость процесса измельчения находится на минимальном уровне 3-3,3 (кВт·ч)/т.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Липанов А.М., Денисов В.А., Братухина Ю.В., Жиров Д.К. Энергоэффективность в технологиях переработки минерального сырья // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т. 12, №2. С. 188-191.

2. Денисов В.А., Жиров Д.К. Математическое моделирование процесса классификации частиц в электростатическом поле // Химическая физика и мезоскопия. 2010. Т. 12, №1. С. 36-40.

3. Жиров Д.К. АСУ процессом механоактивации многокомпонентных материалов по гранулометрическому распределению частиц в потоке // Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т. 13, №1. С.

117-120.

4. Денисов В.А., Жиров Д.К. Разработка программы САР линии по безотходной переработке многокомпонентных материалов на примере алюминиевого шлака // Химическая физика и мезоскопия.

2011. Т. 13, №2. С. 285-289.

критерию качества конечного продукта // Вестник ИжГТУ. 2011. №.4(52). С. 132-134.

6. Денисов В.А., Дробинин Д.А., Жиров Д.К., Гарифулин И.Р. Анализ основных элементов автоматического регулирования линии переработки алюминиевых шлаков // Труды Междунар. НТК «Стройкомплекс-2008». Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2008. С. 109-113.

7. Денисов В.А., Дробинин Д.А., Жиров Д.К Разработка программы автоматического управления линии переработки алюминиевых шлаков // Труды Междунар. НТК «Стройкомплекс-2008».

Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2008. С. 114-117.

8. Денисов В.А., Дробинин Д.А., Жиров Д.К Разработка электрической схемы автоматического управления линии переработки алюминиевых шлаков // Труды Междунар. НТК «СтройкомплексИжевск : Изд-во ИжГТУ, 2008. С. 118-123.

9. Денисов В.А, Тринеева В.В., Жиров Д.К. Механоактивированные наносистемы стохастрически неоднородных веществ // 2-я Всероссийская конференция с международным участием «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии». Ижевск : Изд-во ИПМ УрО РАН, 2009. С.

33.

10. Жиров Д.К., Денисов В.А., Братухина Ю.В Получение нанопорошков методом механоактивации в многоступенчатой мельнице // Всероссийская НТК «Общество - наука – инновации». Киров : Изд-во ВятГУ. 2010. С. 182-184.

11. Братухина Ю.В, Денисов В.А., Жиров Д.К. Анализ процесса формирования механоактивированных нанокомпозитов // Всероссийская НТК «Общество - наука – инновации». Киров : Изд-во ВятГУ, 2010. С. 185-188.

12. Братухина Ю.В, Денисов В.А., Жиров Д.К. Производство нанодисперсных порошков в центробежно-ударных мельницах многоступенчатого типа // Всероссийская НТК «Общество - наука – инновации». Киров : Изд-во ВятГУ, 2010.С. 189-192.

13. Жиров Д.К., Денисов В.А., Братухина Ю.В. Модель селективной классификации наночастиц в поле электростатического сепаратора // Всероссийская НТК «Общество - наука – инновации». Киров : Изд-во ВятГУ, 2010 С. 193-197.

14. Жиров Д.К., Денисов В.А., Брызгалов Ю.Б. Повышение эффективности классификации наночастиц в многоступенчатых мельницах с помощью электростатических сепараторов // Труды Междунар. НТК «Стройкомплекс-2010». Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2010. С. 160-163.

15. Жиров Д.К., Денисов В.А., Сентяков Б.А., Братухина Ю.В. Исследование показателей работы многоступенчатого механореактора в технологиях переработки минерального сырья // Труды Междунар. НТК «Стройкомплекс-2010». Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2010. С. 164-169.

16. Жиров Д.К., Денисов В.А., Храмов С.Н. Анализ механики движения наночастиц в поле электростатического сепаратора // Труды Междунар. НТК «Стройкомплекс-2010». Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2010. С. 169- Отпечатано в ИМ УрО РАН. 426067, г. Ижевск, ул. Т.Барамзиной,