Исследования работы барабанного окомкователя

УДК 669.162.1:622.788

Исследования работы барабанного окомкователя/В.И. Гранковский,   Ю. М. Зинченко, М. Ю. Пазюк, А. Н. Николаенко //ИЗВЕСТИЯ высших учебных заведений: ЧЕРНАЯ  МЕТАЛЛУРГИЯ . –      1979. – №12. – С. 12-15

 

Качество подготовки агломерационной шихты к спеканию определяется степенью ее окомкования [1]. На агломерационных фабриках для этой цели используют барабанные окомкователи, входящие в состав тракта за­грузки шихты. Важность работы этого объекта для агломерации подтвер­ждается многочисленными исследованиями процессов, происходящих при движении шихты по внутренней поверхности вращающегося окомкователя [2, 3]. Вместе с тем задача теоретического расчета времени движения агло­мерационной шихты внутри окомкователя до настоящего времени решена не полностью, что вносит определенные трудности в оптимизацию процесса окомкования. В основном существующие математические модели движения шихты основываются на результатах экспериментальных исследований, что снижает их точность и ограничивает область применения [4, 5]. Допол­нительные затруднения вносит разобщенность исходных параметров, ис­пользуемых для моделирования.

Механизм движения агломерационной шихты определяется многими факторами как переменными, зависящими от свойств поступающего материа­ла, так и постоянными, определяемыми конструктивными особенностями окомкователя [6]. В связи с этим представляется целесообразным исследо­вать механизм движения шихты по отдельным его составляющим, например, как сумму движения отдельной частицы в цилиндрическом наклонном окомкователе и массы агломерационной шихты в горизонтальном окомкователе. В последнем частица шихты не будет перемещаться вдоль его горизонталь­ной оси. Под действием силы трения она увлекается вверх по внутренней поверхности барабана до наступления состояния равновесия [6]

                    m g sin β = k m(   + gcos  β)  ,                                (1)

где m – масса частицы,кг; β – угол подъема частицы, град; v – скорость вращения окомкователя, м/с; k – коэффициент трения частицы о поверх­ность окомкователя; R – радиус окомкователя, м.

Решая уравнение (1) относительно величины р, находим

                  (2)

                                                                                       

 Полученное выражение характеризует зависимость угла подъема ча­стицы от параметров k, v, R (рис. 1).

 

Рис.  1. Зависимость   угла   подъема     час­тицы   от: 1 – скорости вращения барабана;  2 – ве­личины   коэффициента    трения    частицы; 3 – радиуса   барабана

 

В случае, когда угол наклона бараба­на не равен нулю, в силе, возвращающей частицу в исходное положение, появляется составляющая, перемещающая ее параллельно продольной  оси окомкователя. За один цикл движения частица переместится на расстоя­ние [6]                                                                          

               Δl₁  =h tg α,                                                                                (3)

где h – высота подъема частицы, м.

Время τ₁ за которое частица пройдет окомкователь, можно определить из следующего выражения:

                                     (4)

где L – длина окомкователя, м; α – угол наклона окомкователя, град; v₁– средняя скорость движения частицы, м/с; n_б –  число оборотов окомко­вателя, об/с; k_пр1– коэффициент пропорциональности.

При поступлении в окомкователь шихта располагается в виде конуса, угол наклона боковых сторон которого не превышает угла внутреннего трения шихты [7].Угол подъема массы шихты описывается уравнением (2).

Скатывание частиц шихты вниз   перво­начально   возникает   по   краям  массы шихты и направлено под углом   к  про­дольной оси окомкователя.   Такое дви­жение вызывает с убывающей скоростью перераспределение массы  шихты вдоль окомкователя. Время движения   перед­него фронта массы шихты по окомкователю τ₂ в   первом приближении   определяется как

                                       (5)                                                                                 

где β₀ – центральный угол заполнения окомкователя [6], град; v₂ – средняя скорость движения массы шихты, м/с; k_пр2 – коэффициент    пропорциональности.

 

Движение массы агломерационной шихты в наклонном цилиндрическом окомкователе можно представить как сумму движений отдельной частицы в окомкователе с углом α ≠ 0 и массы шихты в окомкователе с углой α = 0. В этом случае полное время движения  τ  равно

 

                 (6)                                                                                                             

 

Знаменатель полученного выражения (6) представляет собой усредненную скорость движения агломерационной шихты в окомкователе. Функцио­нальная связь между углом β₀, производительностью q и радиусом окомкователя определена на основании анализа известных экспериментальных исследований [8] и имеет следующий вид:

  β₀  = ( 91 + 0,129 ) – 1,6 α .                                                            (7)

Зависимость справедлива для окомкователей, имеющих производитель­ность свыше 100 т/ч. Коэффициенты пропорциональности k_пр1 и k_пр2 опреде­лены путем сравнения значений τ, полученных расчетом по уравнению (6) и определенных экспериментально. Их значения составили соответственно 5,602 и 0,093. Для проверки выражения (6) использовали литературные данные [8] и дополнительно прове­ли ряд экспериментов. Ниже при­ведены результаты анализа зна­чений τ, определенных экспери­ментально (τ_экс) и согласно фор­муле (6) (τ_р), для окомкователей ряда   аглофабрик   страны – Коммунарского металлургического завода (КМЗ), Камыш-Бурунского же­лезорудного (КБЖРК) и Южного горно-обогатительного (ЮГОК)комбинатов:

Погрешность расчета не превышает 6,5 %. Это позволяет использовать уравнение (6) для прогнозирования времени нахождения шихты в окомкователе в зависимости от физических свойств поступающей шихты, произво­дительности окомкователя, его длины, радиуса и скорости вращения. В ре­зультате появляется возможность определять текущее значение количест­ва шихты в окомкователе

                  Q_б = q τ                                                                                      (8)

и соответственно этому значению управлять расходом воды, подаваемой на увлажнение.

Исследования, проведенные на аглофабрике завода «Запорожсталь», показали, что величина коэффициента трения агломерационной шихты значительно изменяется во времени (рис. 2), что приводит к изменению величи­ны τ на 35-43 %. Колебания влажности шихты при q-const достигают 3,1 %. Они могут быть устранены в результате управления расходом воды согласно выражениям (6) и (8).

 

Рис. 2. Изменение коэффициента  трениям агломерационной   шихты во времени                           

 Система автоматического управления процес­сом окомкования (рис. 3) включает измерительные устройства, блок обработки информации, вычислительное устройство, блок управления расхо­дом воды.

  

Рис. 3. Система   автоматического управления процессом   окомкования: 1 –  приемный   бункер    шихты;    2 – датчик расхода шихты; 3 – датчик   трения    шихты; 4 – окомкователь;   5 – датчик    окомкования; 6 –  управляющее устройство

 С целью повышения качества регулирования система снабжена звеном непрерывного контроля степени окомкования агломерационной шихты.

        БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ   СПИСОК

1.   Базилевич  С.В. // «Бюл.  ин-та «Черметинформация». –  1973. –  № 4. – С. 3-6.

2.   Серебряник   Г. И., Мартыненко  В. А. // «Сталь». – 1974. – № 2. – С. 109- 110.

3.   Коротич  В. И.,   Бамесбергер А. Г.,   Бутивченко   В. Н.   и др. //«Металлург». –   1968. –  № 1. – С. 3-5.

4.   Сторожев Ю. И.,    Телегин  А. С.,      Евтифьев     В. М.,     Корот­ков  Ю. А. // «Изв. вуз. Черная металлургия». – 1971. – № 3. – С. 27-29.

5.   Бутивченко  В. Н.,    Коротич  В. И.,    Греков  П. Н. // «Изв.    вуз. Черная металлургия». –   1970. – № 6. – С. 23-27.

6.   Коротич  В. И.   Теоретические основы окомкования железорудных  материа­лов.  -М.: «Металлургия»,   1966.  – 152 с. с ил.

7. 3енков  Р. Л. Механика насыпных грузов. -М.: «Машиностроение», 1964. – 223 с. с   ил.

8. Серебряник  Г. И.,    Чернышев  А. М.,    Авдеев   В. Ф., Петухов   А.П. // «Бюл.   ин-та   «Черметинформация». –   1975. –   № 17. –   С.   36-37.

 УДК 669.162.1:622.781

М. Ю. Пазюк, В. Я. Гранковский Выбор рациональных параметров смесителей агломерационной шихты // ИЗВЕСТИЯ высших учебных заведений. ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ . –        1983. – № 8. – С.4-6

 

Применяемая на аглофабриках циклическая загрузка приемных бункеров агломашин вызывает сегрегацию частиц материала и его химического состава, что нарушает нормальный ход процесса спекания [11]. Крупные фракции, обладающие большой кинетической энергией и меньшей сцепляемостью, скатываются к стенкам бункеров по образующемуся при загрузке конусу шихты, мелкие располагаются ближе к центру. При выдаче материала первыми покидают бункер мелкие частицы, находящиеся ближе к оси исходящего потока. Конус материала постепенно видоизменяется, вершина его опускается вниз быстрее, чем края, он поворачивается на 180 град относительно первоначального положения и двигается сверху вниз. При этом движении крупная фракция, сегрегировавшая ранее к стeнкам бункера, частично скатывается к вершине опрокинутого конуса, ослабляя колебания гранулометрического состава шихты. Однако интенсивность этого процесса намного меньше интенсивности сегрегации при загрузке. В конце опорожнения к течке направляется шихта, находившаяся у стенок бункера, т.е. материалы с большим содержанием крупной фракции.

Исследованию процесса сегрегации шихты в приемных бункерах агломашин уделяется значительное внимание. Отдельные сведения о сегрегации шихты в бункерах и использовании ее для выделения постели имеются в ряде работ [2, 3]. Известна попытка создания математической модели колебаний ситового состава шихты, вносимых приемным бункером¹.  

¹ Кириллов В. И. Разработка и исследование метода и системы автоматического управления автодозированием шихты по некоторым параметрам спекательного отделения. Автореф.  канд. дис.   Киев,  1969.

Экспериментальные исследования колебаний гранулометрического состава шихты на выходе из приемного бункера дают основание утверждать, что материал поступает с низкочастотными колебаниями по гранулометрическому соста­ву с достаточно узким спектром частот (см. сноску). Частота первой гармони­ки колебаний гранулометрического состава, представляющая наибольшую опасность, составляет примерно 0,005 ÷ 0,007с^-1. Установленный на пути следования шихты за приемным бункером цилиндрический смеситель мо­жет быть аппроксимирован инерционным звеном с постоянной времени Т_с, примерно равной одной четвертой времени пребывания шихты в смесите­ле  Т_пр,

            (1)

где τ_с – время транспортного запаздывания, с; р – аргумент передаточ­ной функции; k – коэффициент передачи звена.

Время транспортного запаздывания и постоянная времени различны для отдельных смесителей и в среднем находятся в пределах τ_с=80÷110 с, Т_с=80÷120 с. Инерционное звено (1) сглаживает выходные колебания, если их частота больше частоты среза звена w_cp, определяемой соотноше­нием

       w_cp =1/Т_с=1/(0,25 Т_пр).

Из приведенных выше данных следует, что период колебаний гранулометрического состава шихты, возникающих на выходе из приемного бунке­ра, в несколько раз больше постоянной времени смесителя (см. работу В. И. Кириллова), поэтому фильтрующее  действие последнего недостаточ­но. Относительно простым способом снижения влияния возмущений, вно­симых приемным бункером в гранулометрический состав шихты, является повышение частоты вносимых возмущений. Наиболее приемлемо увеличение частоты колебаний гранулометрического состава путем уменьшения времени загрузки каждого бункера; w_выx=2π/[t₃(n-1)], где w_вых – ча­стота колебаний гранулометрического состава шихты на выходе из прием­ного бункера, с^-1; t₃ – время загрузки одного приемного бункера, с;  n – число  приемных  бункеров.

Для полного сглаживания входных возмущений инерционным звеном необходимо, чтобы w_ср ≤ w_выx (см. работу В. М. Кириллова). В этом слу­чае можно определить минимальное время нахождения шихты в смесителе

τ_min= t₃(n -1)/(0,25 ·2π).

Минимальная длина смесителя L_min может быть определена из выра­жения L_min= τ_minv_ср, где v_ср – средняя скорость движения шихты по смесителю, м/с. Так для условий аглофабрики завода «Запорожсталь» минимальная длина смесителя, обеспечивающая сглаживание колебаний физико-механических свойств шихты при t₃(n – 1)=300 с и v_cp=0,07м/с, составляет 13,57м. Для сравнения приведем технологические характери­стики смесителей, используемых на некоторых зарубежных аглофабриках. Так смеситель на аглофабрике в г. Оита (Япония) имеет длину 15,5 м и диам. 4,4 м [4], смеситель на агломашине в Тионвиле (Франция) имеет длину 11,0 м и диам. 3,5 м [5], а смеситель на аглофабрике в Баньоли (Фран­ция) имеет длину 10,0 м и диам. 3,0 м [6].

При расчете минимальной длины смесителя не учитывалось взаимное перемещение различных фракций шихты в процессе ее движения.

Как следует из экспериментально полученных данных (см. рисунок), при цикличе­ской загрузке приемных бункеров с периодом 300 с и автоматическим пневмообрушением материала с интервалом 60 с период следования максимумов выхода мелкой (- 3 мм) и крупной (+5 мм) фракций составляет в среднем половину периода загрузки и равен 150 с. В этом случае возможно опреде­лить длину смесителя, необходимую для полного перемешивания всех фракций шихты с учетом различных скоростей их движения [7]

       (2)

 

где   v_mах и  v_min –  соотвeтствeнно скорости движения фракций ших­ты

+ 5 и – 3 мм, м/с; t_сл – период следования максимумов выхода мелкой и крупной фракций шихты из приемного бункера, с.

 

           Колебания гранулометрического  состава шихты  при выгрузке  из приёмного  бункера  агломашины

 

Для условий аглофабрики завода «Запорожсталь» при t_сл= 150 с, v_max=0,115м/с, v_mіn=0,055 м/с минимальная длина смесителя, обеспечивающая полное перемеши­вание всех фракций шихты, сос­тавляет 15,00 м, что на 10,5 % превышает ее значение, получен­ное   по    формуле    L_mіn=τ_mіnv_ср.

При данной длине смесителя и пе­риоде колебаний гранулометрического состава шихты 150 с крупная фрак­ция (+5 мм) догонит мелкую (- 3 мм), т. е. материал будет полностью усреднен.

Как следует из анализа выражения (2), для уменьшения минимально допустимой длины смесителя необходимо снизить скорость продольного перемещения сыпучего материала в нем, что может быть достигнуто уменьшением числа оборотов барабана n_б. В то же время скорость поперечного движения шихты во вращающемся барабане, а следовательно, скорость поперечного перемешивания, существенно повышаются с увеличением скорости барабана, определяемой по формуле n_б=2πn_бR. Компромиссным решением задачи, которое принято в настоящее время при конструировании цилиндрических смесителей за рубежом [8], является снижение величины n_б до 4,5-5,5 об/мин при одновременном увеличении радиуса смесителя до   2-2,5   м.

Выводы. Выбор параметров смесителя с учетом физико-механических свойств поступающего материала и режима загрузки приемных бункеров агломашин позволяет снизить колебания гранулометрического состава шихты и обеспечить более полное перемешивание ее компонентов.

 

 

 

 

            БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ   СПИСОК

1.  Астахов  А. Г.,    Федоровский  Н. В.   Автоматизация процессов окускования   железных   руд   и   концентратов. – Киев:   «Техника»,    1965.- 248   с.   с   ил.

2.   Краверский С. И.//«Бюл. ин-та «Черметинформация».- 1971.- № 11.- С. 3-12.

3. Парфенов А. М. Основы агломерации железных руд. Изд. 2-е. -М.: Металлургиздат, 1961. -320 с. с ил.

4. Савицкая Л.И. (референт) // «Бюл. научно-технической информации. Черная металлургия».- 1975.- № 22.- с. 59- 61.

5. Еремеева К. Н. (референт) // «Бюл. ин-та «Черметинформация».- 1967.- № 23.- с. 57-59.

6. Еремеева К. Н. (референт) // «Бюл. ин-та «Черметинфор­мация».- 1968.- № 6.- с. 56.

7. Гранковский В. И., Зинченко Ю. М., Пазюк М. Ю., Николаенко А. Н. // «Изв. вуз. Черная металлургия».- 1979.- № 12.- с. 12-15.

8. Савицкая Л. И. // «Бюл. научно-технической ин­формации. Черная металлургия».-    1980.- № 20.- с. 13-23.

УДК 669.04:66.099.2.001.5

М. Ю. Пазюк  Исследование движения сыпучего материала   в поперечном сечении  цилиндрического  окомкователя  //ИЗВЕСТИЯ высших учебных заведений. ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ . -1987.-№6. – С. 136-138

 

Окомкование сыпучего материала осуществляется в процессе циклического перемещения его массы по вращающейся боковой поверхности ба­рабанного гранулятора.

Механизм взаимодействия комкуемой (- 1 мм) и комкующей (+1 мм) фракций сыпучих материалов по своей природе аналогичен поведению молекул в растворах. В то же время характерной особенностью сыпучих материалов является необходимость производить работу внешних сил по обес­печению взаимодействия комкуемой и комкующей фракций. Условия движения сыпучего материала в поперечном сечении гранулятора оказы­вают преобладающее воздействие на процесс его окомкования.

В ходе движения возникает сегрегация фракций полидисперсного сыпучего материала в зависимости от их физико-механических свойств, Мелкие фракции, имея большой коэффициент внутреннего трения, задерживают­ся в верхней и средней части пути движения опускающегося материала [1, 2]. На этом участке образуется область, преимущественно состоящая из комкуемой фракции (-1,0 мм) сыпучего материала. Крупные частицы, об­ладая низким коэффициентом внутреннего трения, пересекают эту область, вступая в механический контакт с мелкими частицами сыпучего материала, и частично присоединяют их к себе. Агрегаты, образовавшиеся в процессе окомкования из компонентов агломерационной шихты, представляют собой в упрощенном виде шарообразные пластические тела. На нижнем участке движения и в процессе подъема массы окомковываемого материала происхо­дит уплотнение образовавшихся гранул, сопровождающееся их частичным разрушением.

Для обеспечения уплотнения гранул необходимо, чтобы агрегаты из шихтовых материалов были подвержены достаточно большим нагрузкам сжимающего или ударного характера. В то же время эти напряжения долж­ны быть ниже критического предела, при котором нарушается прочность частиц. На этом участке движения сыпучего материала также могут образовываться укрупненные центры окомкования, состоящие из нескольких элементарных центров [3].

 

 

Схема движения   сыпучего поперечном сечении вращающегося   окомкователя

 

Траекторию движения сыпучего материала по внутренней поверхности вращающегося цилиндрического барабана можно разделить на два самостоятельных участка – подъема и. скатывания. Скорости всех фракций сы­пучего материала в поднимающемся потоке практически одинаковы   и прибли­зительно равны окружной скорости вра­щения внутренней поверхности   бараба­на [1]. Поэтому во время подъема массы сыпучего материала   процесс окомкова­ния    практически    невозможен.      При скатывании частиц сыпучего материала происходит разделение  потока   на   от­дельные фракции в   зависимости   от их физико-механических свойств.

В связи с тем, что коэффициент разрыхления соскальзывающего потока сы­пучего материала значительный, этот поток нельзя принимать сплошным и его необходимо рассматривать как со­вокупность отдельных частиц, достаточ­но свободно скатывающихся и соскаль­зывающих. Это позволяет при исследо­вании условий движения сыпучего материала на плоскости скатывания использовать результаты моделирования движения отдельной частицы сфе­рической формы. Скорости комкуемой и комкующей фракций при этом су­щественно различаются, что создает условия для прокатывания крупных фракций по образующемуся слою мелких. Учитывая непрерывность потока движущегося сыпучего материала, можно записать

         S_пv_п=S_сv_с                                                                                       (1)

где S_п и S_c – площади поперечного сечения поднимающегося и скатываю­щегося потока сыпучего материала, м²; v_п и v_c – средние скорости подъема и скатывания, м/с.

Угол подъема массы сыпучего материала β_ср во вращающемся грануляторе определяется его физико-механическими характеристиками и ре­жимом работы технологического агрегата как

      β_ср= ƒ(d_cp, W, R, n_б),                                                                        (2)

где d_cp – средний диаметр частиц; мм; W – содержение влаги в сыпучем материале, %; R – радиус барабана, м; n_б – угловая скорость вращения окомкователя,  1/с.

По мере увеличения угла подъема массы сыпучего материала увеличивается длина пути скатывания, на протяжении которого комкуемая фрак­ция взаимодействует с комкующей, в результате чего происходит процесс роста гранул, т. е. N=n l_ск . где N – общее количество контактов между комкующей и комкуемой фракциями; n – количество контактов, приходящихся на единицу пути скатывания; l_ск =  – длина пути скатывания, м.

Движение сыпучего материала внутри вращающегося барабанного агрегата происходит по криволинейной траектории с постоянным радиусом кривизны. Согласно схеме, приведенной на рисунке, эта траектория с достаточной точностью может быть воспроизведена в виде двух прямолинейных отрезков одинаковой длины, имеющих различные углы наклона плос­костей движения к горизонту. Длина плоскостей движения l определяется из прямоугольных треугольников АВО и ABC как l  = АС = =  где АВ=АО cos α₄; α₄=90β_ср; BC=AO(l-sin α₄).

Учитывая, что АО=ОС и представляет собой радиус кривизны траектории движения сыпучего материала, можно записать

           l =R [cos(90-β_cр)]² + [l-sin(90-β_cр)]².

Угол наклона верхней плоскости движения к горизонту α₁ может быть

определен из равенства α₁=(α₄ – α₃) + α₇,    где  α₇  =   arctg ;

α₃=90-2β_ср.

С учетом значений α₄, α₃ и α₇ можно записать

     α₁  = β_ср  + arctg .

Угол наклона нижней плоскости движения к горизонту определяется из прямоугольного треугольника CDF как

                                    α₂ = arctg .

Для интенсификации процесса окомкования необходимо создать условия, обеспечивающие максимальное количество контактов между взаимодействующими компонентами сыпучего материала при минимальных ударных нагрузках на отдельные частицы. Указанные требования выполняются в случае, когда

            S_пv_п+S_сv_с   = М,                                                                  (3)

где М – масса сыпучего материала в поперечном сечении гранулятора, кг.

Совместное решение уравнений (1) и (3) показывает, что непосредствен­но участвовать в процессе активного окомкования в оптимальных условиях может только половина сыпучего материала, находящегося в грануляторе. Учитывая, что площадь поперечного сечения неподвижной массы сыпучего материала в грануляторе и движущейся в режиме переката практически одинаковы [1], можно сделать вывод, что близкие к оптимальным условия окомкования гранул сыпучего материала наблюдаются при равенстве угла подъема его массы β_ср половине центрального угла заполнения агрегата β₀, т. е. 2β_ср=β₀– При этом необходимо соблюдать требование ограничения угла наклона плоскости скатывания сыпучего материала углом внутрен­него трения α_тр его комкуемой фракции: α₁ ≤ α_тр.

Увеличение угла подъема массы сыпучего материала в допустимых пре­делах α₁ < α_тр не изменяет соотношения (3), однако длина пути движения отдельных частиц в процессе их скатывания увеличивается, что приводит к дальнейшему увеличению скорости окомкования сыпучего материала. При переходе движения сыпучего материала в водопадный режим парал­лельно с увеличением ударных нагрузок на отдельные частицы уменьшается длина пути их активного окомкования, что существенно снижает эффектив­ность процесса окомкования.

Выводы. Как показывает проведенный анализ условий движения отдельной частицы в результате взаимодействия массы окомковываемого материала с вращающейся внутренней поверхностью барабанного гранулятора, наиболее эффективным режимом движения является режим переката. Этот режим движения сыпучего материала реализуется при подъеме его массы на угол в интервале между углом внутреннего трения комкующей фракции и углом подъема верхнего края циркулирующего потока окомковы-заемого материала, равном 90 град.

 

 

                 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ   СПИСОК

1. Коротич В. И. Теоретические основы окомкования железорудных материалов. – М.: «Металлургия», 1966. 150 с. сил.

2. Воловик Г. А., Ткаченко Г. Т., Левченко В. И. // «Металлургическая и горнорудная промышленность».- 1974.- № 2.- с. 3, 4.

3. Пузанов В. П., Малыгин А. В., Гаврина М. В. // «Изв. вуз. Черная металлургия».-   1983.- № 4.- с. 25-29.