В процессе проектирования и эксплуатации барабанных мельниц ключевыми технико-экономическими показателями являются потребляемая мощность и производительность. Их расчет и оптимизация напрямую влияют на эффективность всего процесса измельчения.
Расчет мощности привода
Мощность, необходимая для привода мельницы, складывается из нескольких составляющих. Полезной мощностью (Nп) принято называть энергию, которая непосредственно расходуется на движение измельчающей среды — шаров, стержней или самой руды. Полная же мощность, потребляемая для вращения барабана, рассчитывается с учетом потерь в механизмах привода и преодоления сил трения. Для мельниц сливного типа по приведенным формулам определяют мощность на валу ведущей шестерни зубчатой венцовой передачи, что является основой для выбора электродвигателя.
Факторы, влияющие на производительность
Производительность барабанной мельницы — величина комплексная, зависящая от множества взаимосвязанных параметров. Условно их можно разделить на три основные группы.
1. Свойства материала и требования к продукту
К этой группе относятся крупность исходной руды, требуемая тонкость помола и измельчаемость материала. Производительность закономерно повышается при уменьшении размера кусков на входе и увеличении допустимой крупности готового продукта. Однако количественные зависимости уникальны для каждого типа руды из-за различий в физико-механических свойствах, поэтому оптимальные параметры часто определяются опытным путем. Для учета этих различий в расчетах вводят поправочные коэффициенты, которые корректируют производительность в зависимости от гранулометрического состава питания и продукта.
2. Конструктивные и режимные параметры мельницы
Конструкция мельницы, ее габариты (диаметр и длина барабана), тип и профиль футеровки, а также частота вращения оказывают существенное влияние на выход готового продукта. Например, мельницы с решетчатой разгрузкой обычно на 15% производительнее аппаратов с центральной разгрузкой при прочих равных условиях. Ребристая футеровка, создающая более эффективный подъем мелющих тел, предпочтительнее гладкой.
Особое внимание уделяется толщине футеровки. Для крупных мельниц с диаметром барабана более 4 метров рекомендуется толщина около 120 мм. Интересно, что по мере износа футеровки внутренний объем барабана увеличивается, что может приводить к росту производительности.
Частота вращения барабана — критически важный режимный параметр. Поскольку на большинстве существующих установок она фиксирована, одним из перспективных направлений развития является создание мельниц с регулируемой скоростью вращения, что позволит гибко оптимизировать процесс для разных материалов.
3. Технологические и эксплуатационные факторы
К этой группе относятся организация процесса (открытый или замкнутый цикл), эффективность классификации, степень заполнения мельницы мелющими телами, а также их размер и форма. Работа в замкнутом цикле с классификатором, как правило, повышает общую эффективность. Степень заполнения барабана шарами напрямую связана с энергопотреблением: чем она выше, тем больше мощность, затрачиваемая на измельчение.
Размер мелющих тел также требует оптимизации. С уменьшением диаметра шаров при той же общей массе их количество увеличивается, что ведет к росту числа ударных воздействий на материал. Поэтому целесообразно использовать шары минимально возможного диаметра, которые еще способны эффективно разрушать частицы заданной твердости. Максимальный диаметр шара в загрузке определяется по формуле:
Исследования показывают, что с ростом относительной частоты вращения (отношения фактической скорости к критической) увеличивается удельная потребляемая мощность. Параллельно растут производительность и выход тонкого класса (например, -0.074 мм) в расчете на 1 кВт*ч затраченной энергии. Однако этот рост имеет предел: для мельниц самоизмельчения типа «Аэрофол» он составляет около 0.95, а для «Каскад» — около 0.85 от критической скорости.
Эффективность классификации — еще один мощный рычаг влияния. Чем лучше классификатор отделяет готовый продукт, возвращая крупные частицы на доизмельчение, тем выше общая производительность мельницы по целевому классу. Увеличение скорости прохождения материала через аппарат (что достигается, например, ростом циркулирующей нагрузки в замкнутом цикле) снижает риск переизмельчения и повышает эффективность использования мелющей среды.
Для каждой конкретной руды существуют оптимальные значения общей производительности мельницы и циркулирующей нагрузки, при которых достигается максимальный выход готового продукта требуемого качества.
Методы расчета производительности
На практике производительность барабанных мельниц чаще всего рассчитывают по методу подобия, опираясь на данные промышленной эксплуатации аналогичных аппаратов в близких к оптимальным режимах. При этом вносят поправки на различия в измельчаемости руды, крупности питания и продукта, а также на размеры и тип разгрузки проектируемой мельницы. Расчет ведут по удельной производительности (количество вновь образованного расчетного класса на единицу объема или мощности) или по эффективности измельчения.
Сначала экспериментально определяют удельную производительность (q1) эталонной мельницы по целевому классу (например, -0.074 мм). Затем для проектируемой мельницы рассчитывают ожидаемую удельную производительность (q2) по формуле К.А. Разумова, которая учитывает ряд поправочных коэффициентов:
В формуле используются коэффициенты, учитывающие разницу в диаметре барабана (KD), длине (KL), типе мельницы (Kт) и другие факторы. Окончательная расчетная производительность проектируемой мельницы (Q) определяется как произведение ее внутреннего объема (V) на расчетную удельную производительность (q2) и на ряд дополнительных поправочных коэффициентов (Kи, Kк, Kд, Kвл), учитывающих измельчаемость, крупность, тип разгрузки и влажность материала соответственно.
Таким образом, грамотный расчет и управление мощностью и производительностью барабанных мельниц требуют комплексного учета физических свойств руды, конструктивных особенностей аппарата и технологических параметров процесса. Это позволяет достигать максимальной эффективности измельчения при минимальных энергозатратах.