РЕФЕРАТ. В статье приведены результаты работ по применению поверхностноктивных веществ (ПАВ) и аппаратного устройства «ЭКОФОР» для повышения эффективности работы цементных мельниц. Показано, что при производительности мельниц менее 50-60 т/ч целесообразно использовать устройство «ЭКОФОР», окупаемое не более чем за три месяца, исключив введение ПАВ, что обеспечивает такую же, как и при помоле с ПАВ, эффективность. При эксплуатации мельниц производительностью более 50-60 т/ч, вплоть до 320 т/ч, целесообразно применять ПАВ и устройство «ЭКОФОР» совместно. Выводы статьи подтверждены результатами эксплуатации цементных мельниц на зарубежных заводах.
Ключевые слова: поверхностно-активные вещества; свободная поверхностная энергия; электрические заряды; помол цемента; «дебри- слой».
Key words: surfactants; free surface energy; electric charges; cement grinding; debris layer.
Свободная поверхностная энергия является существенной характеристикой высокодисперсных систем, в том числе таких, как цемент. При его помоле велика роль электрических зарядов на поверхности измельчаемых частиц материала как формы проявления этой энергии. Причиной возникновения зарядов является двойной электрический слой, образующийся в результате взаимодействия соприкасающихся фаз при помоле. При этом, в соответствии с положениями классической термодинамики, имеет место стремление к уменьшению свободной поверхностной энергии, происходит ориентация полярных молекул и ионов в поверхностном слое. Соприкасающиеся фазы приобретают заряды противоположного знака, но равной величины. Возникающая таким образом электризация материала в мельнице снижает эффективность его помола, а нейтрализация активированных электрических носителей ее улучшает. Первые публикации о нейтрализации электрических зарядов при помоле аппаратным методом с целью получения технологических преимуществ [1, 2] были сделаны после патентования этой технологии в России и за рубежом.
Процессы электризации и нейтрализации измельчаемых материалов протекают внутри мельницы одновременно, так как в свободном виде электрические заряды не могут оставаться надолго. Электризация происходит в результате ударов, раздавливания и истирания материала. Она может достигать значения 30-50 кВ по аналогии с измеренным электрическим потенциалом в зоне фрикционного контакта.
Нейтрализация частиц по экспоненциальному закону происходит за счет смыкания части образовавшихся при ударах трещин, коронного разряда, агломерации противоположно заряженных частиц и действия заземления. При этом смыкание трещин, агломерация и ухудшение заземления – это факторы, уменьшающие производительность мельницы. Определенным препятствием для заземления служит материал, налипший на мелющие тела. Налипание за счет демпфирования силовых воздействий снижает эффективность помола, в том числе ухудшает нейтрализацию, нарушая электрическую связь материала с системой заземления.
Наши утверждения об электризации материала в ходе помола, которые не воспринимались некоторыми специалистами цементных производств, были подтверждены исследованием, проведенным цементной ассоциацией США (Portland Cement Association) [3].. После испытания устройства «ЭКОФОР» в США в 1998 году она инициировала проведение измерений электростатических зарядов на выходе из цементной мельницы. При измерении электрического потенциала свежего цемента мельница работала без использования поверхностно-активных веществ (ПАВ) и устройства «ЭКОФОР». Характерным оказалось наличие избыточного положительного электрического потенциала цемента величиной около 5 кВ на выходе его из мельницы. Наличие избыточного положительного электрического потенциала свидетельствовало о том, что нейтрализация зарядов в мельнице не была завершена.
Мы объясняли [4] причину появления избыточного положительного потенциала свежего цемента и налипания на мелющие тела образованием на поверхности мелющих тел, подвергающейся ударной деформации в мельнице, так называемого «дебри-слоя». Этот слой толщиной 5-30 мкм имеет повышенную плотность дислокаций – нарушений кристаллической структуры металла. Изучением свойств «дебри-слоя» и электрополированием в среде электролита поверхности металла с целью повышения его прочности занимались в Институте машиноведения РАН [5]. На границе металла с воздухом часть электронов переходит в газовую фазу, а металл заряжается положительно. Эта незначительная, естественная, положительная заряженность металлической поверхности многократно увеличивается при ее деформации за счет движения дислокаций к поверхности нагруженного металла. Эти дислокации несут на себе положительные заряды, соответствующие зарядам ядер атомов кристаллической решетки металла. Во время деформации они являются электрическими носителями дислокационных токов.
На положительно заряженной рабочей поверхности мелющих тел возникает электродвижущая сила, направленная против вектора электрического поля положительных зарядов измельчаемого материала. Она уменьшает эффективность заземления этих зарядов с негативными последствиями для производительности мельницы. На рисунке а схематично изображен положительно заряженный приповерхностный слой мелющего тела с искаженной кристаллической решеткой «дебри-слоя». При производстве бездобавочного цемента происходит налипание на мелющую поверхность отрицательно заряженных мелких частиц материала, а положительно заряженные в избытке появляются на выходе мельницы.
При использовании ПАВ в цементных мельницах мелющие тела полностью или частично очищаются от налипшей оболочки. В соответствии с эффектом Ребиндера происходит адсорбционное понижение прочности твердых тел. Молекулы ПАВ, используемые для облегчения диспергирования и состоящие из углеводородных радикалов и полярной группы, приобретают анионоактивность в водном растворе. Попадая на поверхность всего измельчаемого твердого материала, они значительно снижают его свободную поверхностную энергию и нейтрализуют ориентированные к поверхности положительные заряды поляризованных частиц этого материала. При этом облегчается разрушение из
мельчаемого материала. То есть механизм действия ПАВ является антистатическим, что было подтверждено [3] отсутствием положительной заряженности свежего цемента при помоле с использованием ПАВ, который без них, как это было отмечено выше, имел положительный потенциал.
Устройство «ЭКОФОР» также предназначено для нейтрализации электрических зарядов при помоле цемента. При этом оно активно использует поверхность мелющих тел. Если способ интенсификации помола с использованием ПАВ предусматривает непосредственное воздействие на измельчаемый материал в его объеме, то технология «ЭКОФОР» преобразует процессы, протекающие на границе измельчаемого материала и приповерхностного слоя мелющих тел, и обеспечивает воздействие на обе взаимодействующие фазы.
Поверхность металла принципиально доступна для различного рода воздействий, что позволяет управлять происходящими на ней процессами. Устройством «ЭКОФОР» производится, как это показано на рисунке, б, нейтрализацию положительно заряженных дислокаций, выходящих при деформации на поверхность металлических мелющих тел. Противоэлектродвижущая сила дислокаций исключается из цепи стекания положительных зарядов измельчаемого материала, эффективность заземления повышается, а негативные проявления электризации уменьшаются.
Под воздействием устройства постепенно, послойно происходит упорядочивание – полигонизация структуры приповерхностного слоя мелющих тел. При этом избыточная положительная заряженность поверхности металла уменьшается. Она медленно очищается от налипшей оболочки и упрочняется. Эффективность механических воздействий и размалываемость материала улучшаются, возникают предпочтительные условия для заземления положительных зарядов. По мере очистки мелющих тел начинает проявляться электрокинетический эффект в псевдо-ожиженной среде. При этом на поверхности мелющих тел, являющихся в этом случае как бы электродами внешнего электрического потенциала, происходит не только измельчение, но и разряжение частичек цемента. Тем самым создаются условия для увеличения производительности мельницы. Если ПАВ использовались, применение совместно с ними устройства «ЭКОФОР» позволяет повысить производительность на 8-12%. Если ПАВ не использовались, ее рост благодаря «ЭКОФОР» может составить 12-25%. Удельный расход электроэнергии на помол тонны выпускаемого цемента при этом снижается на 3-7 кВт*ч.
Работа на мельнице с устройством «ЭКОФОР» имеет несколько особенностей:
- медленная, продолжительностью в несколько часов, реакция мельницы на включение устройства по сравнению с применением ПАВ связана с необходимостью постепенной аннигиляции дислокаций «дебри-слоя» мелющих тел и его полигонизации. Их рабочая поверхность становится более гладкой, приобретает большую твердость. Переходный процесс после включения устройства вплоть до полной или частичной очистки рабочей поверхности происходит в течение 3-7 дней. При этом появляется дополнительный источник экономии средств, за счет снижения износа мелющих тел в 2-3 раза;
- необычное для ПАВ последействие устройства «ЭКОФОР» связано с продолжительным износом бездефектного, упорядоченного слоя поверхности в случае пробного отключения устройства. Последействие устройства составляет от двух дней до трех недель. Его эффективность нельзя проверять кратковременным выключением;
- повышается текучесть измельчаемого нейтрализованного материала. Если своевременно не отреагировать на улучшение качества помола, то значительная часть материала может покинуть мельницу открытого цикла и она опустошится, а показатели тонкости помола, определенные по остатку на сите 80 мкм. могут ухудшиться;
- мельница под воздействием устройства повышает свою пропускную способность, требует содержать внутри большее на 10-30% количество материала. Это достигается увеличением питания мельницы и, если это возможно по условиям ее охлаждения, снижением уровня аспирации – разрежения на ее выходе;
- проявляется оптимальность зависимости качества помола от количества измельчаемого материала внутри мельницы. Оптимальная характеристика сдвигается в сторону большего заполнения мельницы этим материалом. Появляется ложная возможность работы с прежней производительностью в неоптимальном режиме.
Устройство «ЭКОФОР» является аппаратным средством, которое, так же как антистатическое, реагентное средство – ПАВ, подавляет свободную поверхностную энергию, проявляющуюся при помоле в виде электризации цемента. При предпродажных испытаниях мы очень часто работаем на фоне используемых ПАВ, получая дополнительный прирост производительности мельниц, ЗАО «ЭКОФОР» никогда не проявляло инициативу по снятию ПАВ. Однако, из 160 имевших место испытаний, это имело место в 11 случаях по просьбе заказчиков. Полученные при этом результаты представлены в таблице.
Первый пример, когда мы были вынуждены снять ПАВ по предложению заводских специалистов, был на Raysut Cement, где необходимое повышение производительности мельницы после включения нашего устройства ограничил находящийся на пределе весовой дозатор гипса. После ступенчатого уменьшения, шагами по 25%, до полного снятия ПАВ производительность мельницы не уменьшилась. В 1998-1999 гг. таких результатов мы достигали пять раз.
Практика показала, что для мельниц производительностью более 50-60 т/ч, вплоть до 320 т/ч, целесообразно применять ПАВ и устройство «ЭКОФОР» совместно, обеспечивая, таким образом, синергетическое действие. Предельный радиус действия этого устройства составляет 7 м от точки подключения к мельнице, что позволяет эффективно использовать его на последних рабочих метрах шаровых мельниц, где эффективность действия ПАВ падает, а условия помола усложняются.
В случае использования роллер-прессов для предварительного дробления применение для них устройств «ЭКОФОР» безальтернативно, так как равномерное распределение ПАВ в измельчаемом продукте в этих аппаратах невозможно. Этим объясняется необычно высокий прирост производительности систем помола на заводах Hanil Cement и Sungshin Cement (таблица). А повышенная эффективность на Akcansa Cimento объясняется воздействием устройства на местную добавку к цементу марки РКСb в виде вулканического пепла – трасса.
Так же как при использовании ПАВ, цемент, произведенный при воздействии устройства, имеет несколько повышенные прочностные характеристики. Так, по данным ОАО «Красносельскстройматериалы», прочность цементов в возрасте 28 суток на изгиб увеличилась на 5,7-10,0%, а на сжатие на 5.2 – 6.2%.
В результате нейтрализации дислокаций «дебри-слоя» и полигонизации приповерхностного слоя мелющих тел происходит снижение их износа. По данным кипрской компании Vassiliko Cement Works, которая уже двенадцать лет эксплуатирует пять устройств «ЭКОФОР» на трех своих помольных системах, износ мелющих тел марки «HARDALLOY» снизился с 25-40 г/т до 9-13 г/т.
Таким образом, при помоле цемента для шаровых мельниц производительностью более 50-60 т/ч дополнительно к использованию ПАВ имеется возможность применять устройство «ЭКОФОР» с целью получения прироста производительности еще на 8-12% и снижения удельного расхода электроэнергии. А при производительностях мельниц менее 50-60 т/ч целесообразно использовать только это аппаратное устройство, окупаемое не более чем за три месяца, сохранив такую же эффективность, как при помоле с ПАВ.
ЛИТЕРАТУРА
- Glukharev N. The death knell for grinding aids? // European Cement Magazine. September. 1999. с. 26, 29.
- Глухарев Н.Ф. Повышение производительности цементных мельниц с использованием устройств “ЭКОФОР” II Цемент и его применение. 2000. № 1. С 20-22.
- Medgar L. Marceau. Ann М. Data Analysis of Electrostatic Charge in a Finish Ball Mill’ Portland Cement Association, Research S Developoment Information, Serial No 2855. 20056 Ap. A, p. 7-8.
- Глухарев Н.Ф Электростатические процессы при помоле цемента// Цемент и его применение. 2009. № 1.
- Баранов Ю.В. Эффект А.Ф. Иоффе на металлах М., 2005 С.