Расчет и выбор грохотов для классификации гранул минеральных удобрений

Грохоты для классификации гранул минеральных удобрений играют критическую роль в обеспечении качества конечной продукции на химических заводах. Процесс грохочения позволяет разделить гранулированный материал на фракции заданного размера, выделить товарную фракцию и направить несоответствующие гранулы на повторную переработку. Правильный расчет и выбор грохотов напрямую влияет на выход товарной продукции, эффективность работы технологической линии и соответствие удобрений нормам ГОСТ.

На современных заводах по производству карбамида, аммиачной селитры, сложных NPK-удобрений применяются различные типы грохотов. Наибольшее распространение получили вибрационные инерционные и гирационные грохоты, обеспечивающие высокую производительность при грохочении материалов с размером гранул от 1 до 6 мм. Барабанные грохоты используются реже из-за меньшей эффективности разделения, однако находят применение на линиях с повышенными требованиями к надежности.

Инженеру-технологу необходимо учитывать множество факторов при проектировании узла классификации: требуемую производительность линии, гранулометрический состав материала после грануляции, физико-химические свойства продукта (слеживаемость, влажность, абразивность), требования к выходу товарной фракции. Комплексный подход к подбору оборудования позволяет минимизировать циркуляционную нагрузку и снизить энергозатраты производства.

Требования ГОСТ к гранулометрическому составу минеральных удобрений

Качество гранулированных удобрений нормируется государственными стандартами, устанавливающими допустимые пределы содержания различных фракций. Метод определения гранулометрического состава регламентирован ГОСТ 21560.1-82, который распространяется на гранулированные, кристаллические и зернистые минеральные удобрения. Метод основан на механическом или ручном рассеве пробы на ситах с определением массовой доли фракций.

Для аммиачной селитры действует ГОСТ 2-2013, согласно которому массовая доля гранул размером от 1 до 4 мм должна составлять не менее 95% для марки А (при согласовании с потребителем). Для марки Б массовая доля гранул размером менее 1 мм на момент приемки у потребителя не должна превышать 4%. Карбамид по ГОСТ 2081-2010 также должен иметь размер гранул преимущественно в диапазоне 1-4 мм, что определяет требования к ситовому составу грохотов.

Превышение допустимого содержания пылевой фракции (менее 1 мм) приводит к ухудшению сыпучести удобрения, повышению слеживаемости при хранении и транспортировке. Крупные гранулы размером более 6 мм также нежелательны, так как медленнее растворяются в почве и неравномерно распределяются при механизированном внесении. Поэтому грохоты устанавливаются для выделения фракций менее 1 мм, от 1 до 4 мм (или 1-5 мм) и более 4 мм (или 5 мм), при этом две крайние фракции возвращаются на стадию грануляции.

Типы грохотов для производства минеральных удобрений

Инерционные вибрационные грохоты

Инерционные грохоты с круговыми или прямолинейными колебаниями являются наиболее распространенным типом оборудования для классификации гранул удобрений. Принцип работы основан на сообщении коробу с ситами колебательных движений от дебалансных вибровозбудителей. Частота колебаний составляет 750-1000 колебаний в минуту, амплитуда от 4 до 8 мм. Материал перемещается по наклонной поверхности сита под действием вибрации, при этом мелкие частицы проходят через отверстия, а крупные движутся к разгрузочному концу.

Инерционные грохоты с круговыми колебаниями устанавливаются под углом 15-20 градусов к горизонту, что обеспечивает оптимальное соотношение между скоростью транспортирования материала и временем контакта с ситом. Самобалансные грохоты с направленными прямолинейными колебаниями могут работать горизонтально или под малым углом, обеспечивая более высокую эффективность грохочения трудноразделимых материалов.

Гирационные (эксцентриковые) грохоты

Гирационные грохоты совершают круговые колебания в вертикальной плоскости благодаря эксцентриковому приводу. Амплитуда колебаний остается постоянной независимо от нагрузки, что обеспечивает стабильную эффективность грохочения. Частота колебаний составляет 200-400 колебаний в минуту при амплитуде 25-50 мм. Такой режим работы особенно эффективен для грохочения липких материалов, склонных к забиванию отверстий сит, например нитроаммофоски с повышенной влажностью.

Барабанные грохоты

Барабанные грохоты представляют собой вращающийся цилиндрический или конический барабан с перфорированной поверхностью. Материал подается внутрь барабана и под действием силы тяжести и центробежной силы перемещается вдоль оси, проходя через отверстия. Частота вращения барабана составляет 15-30 оборотов в минуту. Основные преимущества: простота конструкции, надежность, низкие требования к обслуживанию. Недостатки: меньшая эффективность грохочения по сравнению с вибрационными грохотами, особенно для мелких фракций.

Размеры ячеек сит для получения товарной фракции удобрений

Подбор размеров ячеек сит является критически важным этапом проектирования узла классификации. Для выделения товарной фракции применяется двухситная или трехситная схема грохочения. При двухситной схеме верхнее сито отделяет крупную фракцию, нижнее - мелкую пылевую фракцию. Товарная фракция остается на нижнем сите и выгружается как готовая продукция.

Размер отверстий верхнего сита выбирается на 0,5-1 мм больше верхнего предела товарной фракции. Например, для аммиачной селитры с товарной фракцией 1-4 мм верхнее сито имеет отверстия 4,5-5 мм. Размер отверстий нижнего сита соответствует нижнему пределу товарной фракции: 1 мм для большинства удобрений. При трехситной схеме средний класс разделяется дополнительно на две подфракции для более точной классификации.

Материал сит выбирается с учетом абразивных свойств продукта. Для аммиачной селитры и карбамида применяются стальные проволочные сита или полиуретановые сита, обладающие высокой износостойкостью. Для агрессивных продуктов типа аммофоса используются сита из нержавеющей стали. Срок службы сит составляет от 3000 до 8000 часов в зависимости от материала и режима эксплуатации.

Живое сечение сита - отношение площади отверстий к общей площади - влияет на производительность и эффективность грохочения. Для проволочных сит живое сечение составляет 40-60%, для полиуретановых модульных сит достигает 50-70%. Большее живое сечение повышает производительность, но может снижать четкость разделения на границе фракций.

Методика расчета производительности грохота для удобрений

Расчет производительности грохота необходим для определения требуемой площади просеивающей поверхности при заданной производительности линии. Производительность зависит от множества факторов: размера ячеек сита, гранулометрического состава исходного материала, физических свойств продукта, режима колебаний грохота. Для инженерных расчетов применяются эмпирические формулы с поправочными коэффициентами.

Базовая формула расчета площади сита

Требуемая площадь просеивающей поверхности рассчитывается по формуле:

F = Q / (q × K₁ × K₂ × K₃ × K₄ × K₅)

где F - площадь сита, м²; Q - производительность по исходному материалу, т/ч; q - удельная производительность грохота на 1 м² при данном размере отверстий сита, т/(ч×м²); K₁...K₅ - поправочные коэффициенты.

Удельная производительность q зависит от размера ячеек сита. Для аммиачной селитры при размере отверстий 5 мм удельная производительность составляет 18-22 т/(ч×м²), для отверстий 1 мм - 8-12 т/(ч×м²). Для карбамида значения на 10-15% ниже из-за большей склонности к забиванию отверстий.

Поправочные коэффициенты

K₁ - коэффициент, учитывающий содержание нижнего класса в исходном материале. При содержании 30-50% K₁ = 1,0; при содержании 50-70% K₁ = 0,85; при содержании более 70% K₁ = 0,7.

K₂ - коэффициент эффективности грохочения. При требуемой эффективности 85% K₂ = 1,0; при 90% K₂ = 0,9; при 95% K₂ = 0,8.

K₃ - коэффициент влажности материала. Для сухого продукта (менее 1% влаги) K₃ = 1,0; при влажности 1-3% K₃ = 0,8; при влажности более 3% K₃ = 0,6-0,7.

K₄ - коэффициент угла наклона грохота (для инерционных грохотов). При угле 15-20° K₄ = 1,0; при угле менее 15° K₄ = 0,85.

K₅ - коэффициент типа грохота. Для инерционного грохота K₅ = 1,0; для гирационного K₅ = 1,1; для барабанного K₅ = 0,7.

Пример расчета

Требуется рассчитать площадь верхнего сита грохота для классификации аммиачной селитры. Исходные данные: производительность линии Q = 50 т/ч, размер отверстий верхнего сита 5 мм, содержание крупной фракции в исходном материале 20%, требуемая эффективность грохочения 90%, влажность продукта 0,5%, угол наклона грохота 18°, тип грохота - инерционный.

Расчет: удельная производительность q = 20 т/(ч×м²); содержание подрешетного класса 80%, следовательно K₁ = 0,85; K₂ = 0,9 (при эффективности 90%); K₃ = 1,0 (влажность менее 1%); K₄ = 1,0 (угол в оптимальном диапазоне); K₅ = 1,0 (инерционный грохот).

F = 50 / (20 × 0,85 × 0,9 × 1,0 × 1,0 × 1,0) = 50 / 15,3 = 3,27 м²

С учетом запаса 10-15% принимается грохот с площадью верхнего сита 3,6-3,8 м², что соответствует стандартному грохоту размером 1,8 × 2,0 м.

Типичные неисправности вибрационных грохотов и методы устранения

Вибрационные грохоты работают в тяжелых условиях непрерывной эксплуатации, подвергаясь циклическим нагрузкам, абразивному износу и воздействию химически агрессивных веществ. Своевременное выявление и устранение неисправностей критически важно для предотвращения аварийных простоев технологической линии. Большинство отказов связано с износом подшипников вибровозбудителей, разбалансировкой системы, повреждением сит и ослаблением крепежных соединений.

Снижение эффективности грохочения

Одна из наиболее распространенных проблем - постепенное снижение эффективности разделения фракций при сохранении номинальной производительности. Основные причины: забивание отверстий сита мелкими частицами или липким материалом, износ сита с увеличением размера ячеек, изменение амплитуды или траектории колебаний из-за износа подшипников. Для диагностики необходимо провести ситовой анализ продуктов грохочения и сравнить с проектными показателями.

Устранение: очистка сит с применением резиновых шариков (для вспомогательного просеивания), замена изношенных сит, регулировка режима работы вибропривода, применение антислеживающих добавок к продукту. При работе с нитроаммофоской рекомендуется использование двухдечных грохотов со вспомогательным просеиванием.

Повышенная вибрация и шум

Появление нехарактерного шума, повышенной вибрации корпуса, биение подшипниковых узлов указывает на разбалансировку системы или износ вращающихся элементов. Причины: износ подшипников вибровозбудителя, ослабление крепления дебалансов, деформация рамы грохота, неравномерное распределение материала по ширине сита.

Устранение: проверка состояния и замена изношенных подшипников, балансировка вибровозбудителей, проверка и подтяжка всех болтовых соединений, регулировка питателя для равномерной подачи материала. Подшипники качения вибровозбудителей работают в условиях знакопеременных нагрузок и требуют замены каждые 8000-12000 часов работы.

Повреждение сит

Механическое повреждение ситовой поверхности (разрывы, деформация каркаса) возникает при попадании крупных посторонних предметов, неправильной натяжке сита или превышении допустимой нагрузки. Локальные повреждения снижают эффективность грохочения и могут привести к попаданию крупной фракции в товарный продукт.

Устранение: замена поврежденного сита. Сита крепятся к раме грохота с помощью прижимных планок или быстросъемных зажимов. Время замены одного сита составляет 2-4 часа. Рекомендуется иметь комплект запасных сит на складе для минимизации времени простоя.

Техническое обслуживание и эксплуатация грохотов

Регламентные работы

Система планово-предупредительного ремонта грохотов включает ежедневное обслуживание, периодические осмотры и плановые ремонты. Ежедневное обслуживание выполняется оператором и включает визуальный осмотр грохота перед пуском, проверку отсутствия посторонних предметов, контроль нагрева подшипников во время работы, наблюдение за качеством разделения фракций.

Еженедельное техническое обслуживание включает проверку затяжки всех болтовых соединений, осмотр состояния сит на предмет износа и повреждений, контроль уровня смазки в подшипниковых узлах, измерение зазоров в местах крепления пружин. Особое внимание уделяется креплению вибровозбудителей к коробу грохота - ослабление болтов в этом узле приводит к быстрому развитию дефектов.

Смазка подшипников

Подшипники качения вибровозбудителей работают при повышенных нагрузках и требуют качественной смазки. Применяются пластичные смазки типа Литол-24, Солидол, специальные высокотемпературные смазки для подшипников. Периодичность смазки зависит от интенсивности эксплуатации: при двухсменной работе смазка добавляется каждые 250-300 часов, при односменной - каждые 400-500 часов.

Количество смазки определяется размером подшипника. Избыточная смазка так же вредна, как и недостаток - она вызывает перегрев подшипника из-за повышенного сопротивления вращению. Рекомендуется заполнять подшипниковый узел смазкой на 60-70% свободного объема.

Замена сит

Срок службы сит зависит от абразивности материала, режима работы грохота и качества изготовления. Проволочные стальные сита служат 3000-5000 часов при грохочении аммиачной селитры, 2000-3000 часов при грохочении абразивных продуктов типа аммофоса. Полиуретановые сита имеют срок службы 5000-8000 часов благодаря высокой износостойкости и упругости материала.

Замена сита выполняется при снижении эффективности грохочения, увеличении размера ячеек более чем на 10% от номинального, механических повреждениях поверхности. Новое сито должно быть правильно натянуто и закреплено - слабая натяжка приводит к провисанию и снижению производительности, избыточная - к преждевременному износу.

Балансировка вибровозбудителей

Разбалансировка вибровозбудителей происходит при неравномерном износе дебалансов, ослаблении их крепления на валу, деформации вала. Признаки разбалансировки: повышенная вибрация корпуса грохота, неравномерное движение материала по ситу, ускоренный износ подшипников. Балансировка выполняется в специализированной мастерской на балансировочном стенде или непосредственно на месте установки с помощью переносных приборов виброконтроля.

При балансировке на месте используется метод добавления или удаления балансировочных грузов на дебалансах. Контроль качества балансировки производится измерением виброскорости в подшипниковых узлах. Допустимая виброскорость для грохотов составляет 4-8 мм/с в зависимости от типа и размера оборудования.

Заключение

Грохоты для классификации гранул минеральных удобрений являются критически важным звеном технологической цепи, обеспечивающим качество конечной продукции и эффективность производственного процесса. Правильный выбор типа грохота, расчет требуемой площади просеивающей поверхности и подбор размеров ячеек сит в соответствии с требованиями ГОСТ позволяют достичь выхода товарной фракции 90-95% и минимизировать возврат на повторную переработку.

Инерционные вибрационные грохоты остаются наиболее распространенным типом оборудования благодаря высокой производительности, эффективности разделения и надежности конструкции. Для специфических условий, таких как грохочение липких материалов с повышенной влажностью, целесообразно применение гирационных грохотов или двухдечных схем со вспомогательным просеиванием. Барабанные грохоты используются на вспомогательных операциях, где не требуется высокая точность разделения.

Регулярное техническое обслуживание грохотов, включающее смазку подшипников, контроль состояния сит, проверку затяжки крепежных соединений и своевременную замену изношенных элементов, обеспечивает межремонтный пробег оборудования 12000-15000 часов. Применение современных материалов для сит, таких как износостойкий полиуретан и нержавеющая сталь, позволяет увеличить срок службы просеивающих поверхностей в 1,5-2 раза по сравнению с традиционными проволочными ситами.

Непрерывное совершенствование конструкций грохотов направлено на повышение эффективности классификации, снижение энергопотребления и упрощение обслуживания. Внедрение систем мониторинга вибрации и автоматического контроля качества разделения фракций позволяет оперативно выявлять отклонения от нормального режима работы и предотвращать аварийные ситуации, обеспечивая стабильное качество минеральных удобрений.