Оптимизация работы шаровых мельниц на цементном заводе

Принцип работы шаровой мельницы на цементном заводе

Шаровые мельницы представляют собой основное оборудование для финишного помола цементного клинкера на большинстве цементных заводов. Процесс измельчения в шаровой мельнице основан на использовании стальных мелющих тел, которые при вращении барабана воздействуют на материал посредством ударов и истирания.

Конструктивно шаровая мельница состоит из горизонтального цилиндрического барабана, установленного на опорных катках. Внутренняя поверхность барабана футерована износостойкими плитами, защищающими металлический корпус от абразивного воздействия. Барабан разделен на камеры перегородками с отверстиями для прохода материала. Обычно применяются двух- или трехкамерные мельницы.

При вращении барабана мелющие шары под действием инерции, центробежной силы и силы трения поднимаются вместе со стенками корпуса. Достигнув определенной высоты, они падают вниз под действием силы тяжести, дробя и истирая находящийся между ними материал. Измельчение происходит как за счет ударного воздействия падающих шаров, так и путем истирания материала при перекатывании мелющих тел.

Подбор ассортимента мелющих шаров для оптимального помола

Правильный подбор ассортимента мелющих тел является критическим фактором для достижения максимальной производительности мельницы, минимального удельного расхода электроэнергии и требуемой тонкости помола. Мелющие шары изготавливаются по ГОСТ 7524-2015 из легированной стали методом прокатки, ковки или штамповки.

Требования к мелющим шарам

Согласно ГОСТ 7524-2015, который введен в действие с 1 ноября 2016 года и заменил ГОСТ 7524-89, мелющие шары подразделяются на пять групп по твердости: первая группа – нормальной твердости поверхности, вторая группа – повышенной твердости поверхности, третья группа – высокой твердости поверхности, четвертая группа – высокой твердости поверхности с нормированной твердостью на глубине 0,5 радиуса шара, пятая группа – высокой твердости поверхности с нормированной объемной твердостью. Для измельчения цементного клинкера применяются шары третьей, четвертой и пятой групп.

Принципы загрузки мелющих тел по камерам

В первую камеру мельницы, где осуществляется преимущественно грубый помол, загружают шары диаметром от 60 до 110 миллиметров. Для помола трудноразмалываемых клинкеров или при большом содержании крупных фракций в питании в первую камеру загружают до 15 процентов шаров диаметром 110 миллиметров. Вторая камера предназначена для более тонкого помола и загружается шарами диаметром 40-60 миллиметров.

Третья камера, если она предусмотрена конструкцией мельницы, загружается мелющими телами с большой поверхностью трения – цильпебсом. Цильпебс представляет собой стальные или чугунные цилиндры диаметром 25-40 миллиметров и длиной 30-50 миллиметров. Использование цильпебса в последней камере повышает эффективность истирания материала и позволяет достигать более высокой дисперсности измельчения.

Догрузка и контроль износа мелющих тел

Количество и ассортимент мелющих тел, загружаемых в камеры, зависят от сопротивляемости размолу и крупности кусков материала, от заданной тонкости помола готового продукта, длины камер, конструкции и типа мельницы. Накопление в мельнице очень мелких шаров и различной случайно попавшей металлической мелочи вызывает снижение производительности и увеличение удельного расхода энергии.

Влияние кратности циркуляции на качество помола цемента

Кратность циркуляции представляет собой отношение суммы свежего питания и крупки (возврата из сепаратора) к свежему питанию мельницы. Этот параметр является одним из ключевых факторов, определяющих эффективность работы системы помола в замкнутом цикле.

Оптимальные значения кратности циркуляции

При помоле цемента в шаровых мельницах большого диаметра наиболее выгодная кратность циркуляции колеблется в пределах от 6 до 9. При помоле цемента в двух- или трехкамерных мельницах в зависимости от их длины оптимальное значение кратности циркуляции составляет от 2,5 до 5. Целесообразно закладывать возможность работы с кратностью циркуляции не менее 2,5 для обеспечения перспективы улучшения гранулометрии цемента и дальнейшей интенсификации системы помола.

Зависимость кратности циркуляции от условий помола

Для трудноразмалываемых материалов требуется повышенная кратность циркуляции. При длинных мельницах время размола дольше, а следовательно, кратность циркуляции меньше. С увеличением тонкости готового продукта кратность циркуляции возрастает. Оптимальное значение кратности циркуляции установки определяют испытанием при различной тонкости помола материала, подаваемого в сепаратор, с обязательным определением количества готового продукта.

Управление кратностью циркуляции

Получение кривой распределения частиц по размерам служит основанием для корректировки распределения частиц изменением кратности циркулирующей нагрузки и ассортимента мелющих шаров. Управление работой помольной системой может проводиться по данным, получаемым в лаборатории с лазерного гранулометра о значении медианного размера частиц на уровне 50 процентов их распределения.

Коэффициент заполнения барабана мелющими телами

Коэффициент заполнения представляет собой отношение объема, занимаемого мелющими телами в неподвижном барабане, к полному внутреннему объему барабана мельницы. Величина загрузки мельницы мелющими телами существенно влияет на производительность помольного агрегата и тонкость помола готового продукта.

Оптимальные значения коэффициента заполнения

На основании анализа работы цементных трубных мельниц рекомендуется загружать мельницу мелющими телами в количестве, соответствующем коэффициенту заполнения ее объема от 0,25 до 0,33. На некоторых цементных заводах коэффициент заполнения мельниц шарами колеблется в пределах 0,23-0,28 в зависимости от условий работы. При малой загрузке снижается интенсивность измельчения, при избыточной – уменьшается эффективность работы шаров.

Контроль заполнения мельницы

Количество мелющих тел в камере мельницы определяют путем замера длины хорды по уровню мелющих тел или высоты пространства над слоем шаров. Для этого составляют таблицу, в которой рассчитаны коэффициенты заполнения и наличие мелющих тел по камерам в зависимости от величины хорды и высоты пространства над слоем.

Режимы работы шаровых мельниц

Характер движения мелющих тел в шаровых барабанных мельницах при одинаковой футеровке зависит от частоты вращения барабана. В зависимости от частоты вращения различают три основных режима работы: каскадный, смешанный и водопадный.

Каскадный режим

При каскадном режиме движения шаровая загрузка силой трения поворачивается на определенный угол и при постоянной скорости вращения остается все время в таком положении. Шары перекатываются друг по другу без отрыва от общей массы. Этот режим характерен для низких частот вращения барабана и обеспечивает преимущественно истирающее воздействие на материал.

Смешанный режим

Смешанный режим характеризуется частичным перекатыванием и частичным полетом шаров. При этом часть шаров отрывается от общей массы и падает по параболической траектории. Этот режим обеспечивает комбинированное воздействие на материал – и ударное, и истирающее. Смешанный режим считается наиболее эффективным для большинства задач помола цемента.

Водопадный режим

При водопадном режиме преобладает полет шаров с их падением по параболическим траекториям. Этот режим характерен для высоких частот вращения и обеспечивает преимущественно ударное воздействие на материал. Водопадный режим эффективен в первой камере мельницы для дробления крупных частиц клинкера.

Критическая частота вращения

Критическая частота вращения барабана определяется условием, при котором центробежная сила становится равной силе тяжести шара. При критической частоте вращения шары начинают вращаться вместе с барабаном без падения, что полностью исключает измельчение. Рабочая частота вращения барабана шаровой мельницы составляет обычно от 65 до 80 процентов от критической.

Методы повышения производительности цементной мельницы

Повышение производительности шаровых мельниц является важнейшей задачей для цементных заводов. Существует несколько основных направлений интенсификации процесса помола.

Переход к замкнутому циклу помола

Преимущества замкнутых систем помола цемента в настоящее время неоспоримы. Примерно 30 процентов энергии, потребляемой при помоле в открытом цикле, экономятся введением сепаратора. Кроме того, замкнутым системам доступны высокие марки цементов, которые невозможно получить системами помола открытого цикла. Установка современного высокоэффективного сепаратора третьего поколения позволяет повысить производительность мельницы на 15-25 процентов.

Оптимизация ассортимента мелющих тел

Подбор оптимального ассортимента мелющих тел существенно влияет на производительность помольного агрегата. Использование шаров повышенной твердости четвертой и пятой групп снижает их расход и обеспечивает более стабильные условия помола. Применение в последней камере цильпебса вместо шаров повышает эффективность истирания материала и позволяет достигать более высокой дисперсности измельчения.

Применение интенсификаторов помола

Внедрение впрыска воды в зону мелкого измельчения мельницы решает вопрос стабилизации температуры цемента и дополнительно повышает производительность. Использование химических интенсификаторов помола на основе поверхностно-активных веществ позволяет увеличить производительность мельницы на 5-15 процентов при одновременном снижении удельного расхода электроэнергии.

Установка внутримельничных энергообменных устройств

Одним из направлений повышения эффективности помола в шаровых мельницах является разработка агрегатов с внутримельничными энергообменными устройствами: наклонными перегородками, диафрагмами, кольцами, специальной футеровкой. Установка наклонной междукамерной перегородки с углом наклона 55 градусов на цементной мельнице размерами 3,2 х 15 метров дает увеличение производительности на 12 процентов, удельный расход электроэнергии снижается на 9 процентов.

Предварительное измельчение в валковых прессах

Применение валковых прессов для предварительного измельчения клинкера перед подачей в шаровую мельницу повышает производительность на 17-20 процентов при одновременном снижении удельного расхода электроэнергии на 10-15 процентов. Материал после валкового пресса интенсивно измельчается уже в первой камере мельницы, а суммарные удельные энергозатраты находятся в пределах 30-35 киловатт-часов на тонну цемента.

Контроль тонкости помола цемента

Тонкость помола цемента является одним из важнейших показателей качества, определяющих скорость гидратации и нарастание прочности. Контроль тонкости помола осуществляется по двум основным параметрам: остатку на сите и удельной поверхности в соответствии с ГОСТ 310.2-76.

Определение остатка на сите

Тонкость помола цемента по остатку на сите определяется путем просеивания предварительно высушенной пробы цемента через сито с сеткой номер 008 с размером ячейки в свету 0,08 миллиметра по ГОСТ 310.2-76. Для портландцемента должно проходить через указанное сито не менее 85 процентов массы просеиваемой пробы, что соответствует остатку не более 15 процентов.

Удельная поверхность цемента

Удельная поверхность представляет собой общую площадь поверхности зерен в квадратных сантиметрах на один грамм цемента. Определение проводится методом воздухопроницаемости на приборе типа ПСХ. Удельная поверхность обычного портландцемента составляет обычно от 2500 до 3000 квадратных сантиметров на грамм, быстротвердеющего портландцемента – не менее 3250 квадратных сантиметров на грамм.

Влияние тонкости помола на свойства цемента

С увеличением тонкости помола прочность цемента возрастает. Средний размер зерен портландцемента, выпускаемого отечественными заводами, составляет примерно 40 микрометров. При обычном помоле портландцемента 30-40 процентов клинкерной части не участвует в твердении в течение первых 28 суток. Увеличение тонкости помола цемента повышает степень гидратации, возрастает содержание клеящих веществ и повышается прочность цементного камня.

Гранулометрический состав цемента

Различные фракции цемента по-разному влияют на показатели прочности и скорости твердения. Частицы размером менее 5 микрометров обеспечивают очень быструю гидратацию в первые сутки, частицы от 5 до 30 микрометров – оптимальное нарастание прочности в возрасте от 3 до 28 суток, частицы крупнее 40 микрометров гидратируются медленно и не полностью. Поэтому некоторые специалисты рекомендуют характеризовать тонкость помола не только удельной поверхностью, но и зерновым составом.

Часто задаваемые вопросы