Глава 5
Замкнутые системы помола с шаровыми мельницами
5.1. Современные мельницы замкнутого цикла помола
Преимущества замкнутых систем помола цемента в настоящее время неоспоримы. Примерно 30% энергии, потребляемой при помоле в открытом цикле, экономятся введением сепаратора. Кроме этого таким системам доступны высокие марки цементов, которые невозможно получить системами помола открытого цикла.
На рисунке 5.1. представлена современная мельница замкнутого цикла производительностью 320 т/час, которая является чемпионом среди шаровых мельниц мира. Она произведена датской компанией FLSmidth и работает на заводе Nuh Cimento в Турции. Мельница имеет электродвигатель мощностью 10000 кВт, боковой редукторный привод и опоры на башмаки подшипников скольжения гидродинамического типа.
Рисунок 5.1. – Шаровая мельница производительностью 320 т/час
Эта рекордная мельница в 2009 году отреагировала на подключение двух устройств ЭКОФОР также рекордным на 41 т/час увеличением производительности при производстве цемента марки PKCb.
а) 
б) 
Рисунок 5.2. – Места подключения устройства к шаровой мельнице с опорами на башмаки подшипников скольжения
Подключение устройства ЭКОФОР в соответствии с рисунком 5.2. к современным шаровым мельницам с опорами на башмаки подшипников скольжения производится: а) – для центрального привода через щеточный, подпружиненный, изолированный от земли контакт, или б) – при боковом редукторном приводе к корпусу этого редуктора.
Подключение к мельницам замкнутого цикла с цапфовыми подшипниками производится в соответствии с рисунком 4.3., также как и для мельниц открытого цикла помола.
Используемый в системе замкнутого цикла сепаратор дает возможность контролировать верхний размер частиц, выводимых из помольной цепи как готовый продукт, а частицы больше требуемого размера, называемые крупкой, отправляются, как это показано на рисунке 5.3., на повторный помол и составляют вместе со свежим питанием циркулирующую нагрузку мельницы. Поскольку измельчение происходит только в мельнице, то, выводя из оборота мелкую фракцию, сепаратор облегчает ей работу, предотвращает переизмельчение тонких частиц и расширяет возможности совместного помола материалов с различной размалываемостью.
Рисунок 5.3. – Структура системы помола замкнутого цикла
5.2. Динамические сепараторы
Опыт работы с устройством ЭКОФОР за рубежом с 1996 года на более чем ста двадцати замкнутых системах помола дал возможность оценить в работе все существующие поколения воздушных сепараторов и выявить возможности их оперативного управления. Улучшение их конструкций заняло у известных западных производителей достаточно длительное время, в настоящий момент ожидается появление сепаратора уже четвертого поколения.
Первые конструкции динамических сепараторов были недостаточно эффективны, значительное количество готового продукта возвращалось вместе с крупкой на повторный помол. Для оценки уровня этой части возврата использовалось понятие байпаса сепаратора, структура которого, как обводного сепаратор пути, представлена на рисунке 5.4.
Рисунок 5.4. – Структура сепаратора с байпасом «а»
С развитием конструкции сепаратора в части повышения его эффективности и уменьшением байпаса, а особенно с развитием гранулометрического способа оценки качества измельчения с помощью лазерного гранулометра, оказалось, что проще и более детально эффективность сепаратора оценивается при помощи кривой Тромпа. То, что выше этой кривой, уходит из сепаратора, как готовый продукт, а то, что ниже отправляется обратно в мельницу. Кривая строится в соответствии с пропорцией веса отдельных фракций крупности частиц в цементе и крупке. Для каждой фракции крупности определяется величина пропорции между содержанием этой фракции в цементе и крупке, так называемое число разделения или селективность, и откладывается по оси ординат. Размер зерен каждой фракции в логарифмическом масштабе откладывается по оси абсцисс. Часть мельчайшего порошка поступает в сепаратор в виде агрегатов, частично уходит из него вместе с крупкой, но выявляется при гранулометрии. Его наличие в крупке представляет резерв дальнейшего повышения эффективности сепаратора за счет разрушения этих агрегатов устройством ЭКОФОР в процессе сепарации.
На рисунке 5.5. приведены кривые Тромпа для трех поколений воздушных цементных сепараторов.
Рисунок 5.5. – Сравнение кривых Тромпа для различных поколений сепараторов
Сравнение эффективности сепараторов показывает направленность разработки их конструкции с целью уменьшения байпаса. Если для первого поколения доля частиц размером 10 мкм в возврате составляла 57%, то для второго поколения она была уже 38 %, а для третьего поколения составляет всего 3%. Но полной дезагрегации мелких частиц, размером менее 10 мкм, добиться пока не удалось.
Во время испытаний устройства ЭКОФОР были выявлены их возможности в части электронейтрализации измельченного продукта.
Рисунок 5.6. – Сепаратор первого поколения, где
1 – редуктор, 2 – двигатель, 3 – рабочее колесо вентилятора, 4 – вал, 5 – ввод питания, 6 – направляющие лопатки, 7 – распределительная тарелка, 8 – воздушные лопатки, 9 – хвостовой конус, 10 – выход воздуха, 11 – выход крупки, 12 – выход готового продукта.
Первое поколение динамических сепараторов, представленное на рисунке 5.6., имело установленные внутри направляющие лопатки и рабочее колесо вентилятора. Питание вводилось в сепаратор сверху по течке на поверхность распределительной тарелки. Распределительная тарелка и рабочее колесо вентилятора приводились во вращение извне. Воздух вводился сбоку и поднимал частицы с распределительной тарелки сквозь направляющие лопатки. Центробежные силы отбрасывали грубые частицы к стенкам, и они попадали во внешний конус возврата. Воздух вместе с тонкими частицами попадал через вентилятор в камеру тонкого продукта. Инерция и гравитация собирали тонкомолотые частицы в конусе для готового продукта. Тонкость помола таким образом могла поддерживаться в пределах 2500-6000 см2/г. Она настраивалась направляющими лопатками и положением лопаток рабочего колеса вентилятора, а также задвижкой в контуре внутреннего вентилятора. Увеличенное количество направляющих лопаток обеспечивало более тонкий продукт и увеличение объема возвращаемой крупки. Открытие заслонки внутреннего вентилятора также приводило к укрупнению частиц продукта, соответственно, при закрытии продукт становился тоньше. Сепараторы первого поколения имели фиксированную скорость вращения распределительной тарелки. Это не обеспечивало дистанционности и гибкости их управления. Такого сепаратора следует избегать при модернизации системы помола открытого типа.
Второе поколение динамических сепараторов, представленное на рисунке 5.7., имеет направляющие лопатки и внешний вентилятор. Питание подается в сепаратор сверху через течку на распределительную тарелку. Распределительная тарелка и направляющие лопатки приводятся во вращение сверху извне. Воздух циркулирует с помощью вентилятора.
Частицы отбрасываются с распределительной тарелки и поднимаются воздухом сквозь направляющие лопатки. Центробежные силы прижимают крупные частицы к стенкам, и они падают в конус возврата. Тонкие частицы проходят сквозь направляющие лопатки и выводятся вместе с циркулирующим воздухом во внешние циклоны, где они оседают и выводятся в качестве готового продукта. Выходящий воздух очищается с помощью фильтров системы обеспыливания.
Предварительная настройка тонкости происходит посредством изменения количества и позиции направляющих лопаток и скорости воздушного
Рисунок 5.7. – Сепаратор второго поколения, где
1 – двигатель, 2 – редуктор, 3 – ввод питания, 4 – циклоны, 5 – направляющие лопатки, 6 – распределительная тарелка, 7 – воздушные лопатки, 8 – вентилятор, 9 – выход готового продукта, 10 – конус возврата, 11 – выход крупки.
потока, который может регулироваться за счет изменяемой скорости вращения рабочего колеса вентилятора или положения заслонки. Основным является изменение скорости вращения распределительной тарелки. Увеличение скорости вращения тарелки до определенного предела приводит к получению более тонкого продукта и увеличению возврата.
Сепараторы второго поколения предоставили ряд преимуществ по сравнению с сепараторами первого поколения. Отдельная настройка скорости вращения распределительной тарелки и потока воздуха дает большие возможности для дистанционной работы и лучшую эффективность по отделению тонких частиц. Небольшие циклоны обеспечивают эффективный сбор порошка, меньший возврат тонких частиц и, соответственно, большую эффективность. Тонкость настраивается дистанционно во время работы.
Третье поколение динамических сепараторов, представленное на рисунке 5.8., имеет корзину, внешние привод и вентилятор. Материал вводится в сепаратор сверху через две или четыре течки, расположенные вокруг по верху корпуса сепаратора.
Рисунок 5.8. – Сепаратор третьего поколения
Первичный и вторичный воздух вдувается в сепаратор в зону сепарации по касательной через направляющие неподвижные лопасти. Первичным воздухом могут быть отходящие газы от мельницы или окружающий воздух. Классификация тонких частиц происходит через пластины вращающейся корзины и дальше через верх сепаратора они собираются в циклонах или фильтре обеспыливания. Крупка, не прошедшая через пластины вращающейся корзины, отводится в конус сепаратора. Третичный воздух вводится в его нижнюю часть для борьбы с агрегацией и уменьшает байпас сепаратора.
Сепаратор третьего поколения разработан и подготовлен к серийному выпуску также и ОАО «Волгоцеммаш». За рубежом почти каждая фирма, поставляющая оборудование для производства цемента имеет свой сепаратор третьего поколения:
- O’Sepa и Sepax производства FLSmidth, Дания,
- Sepol производства ThyssenKrupp Polysius, Германия, США,
- Sepmaster производства КHD Humboldt Wedag. Германия,
- QDK производства Сhristian Pfeiffer, Германия,
- TSV производства FCB, Франция,
- PRESEP VTP производства PSP Engineering, Чехия.
5.3. Статический V – сепаратор
По опубликованным материалам всегда казалось, что V – сепаратор простейшим образом подлежит электронейтрализации, поскольку не имеет вращающихся частей и полностью изготавливается из металла.
Рисунок 5.9. – V сепаратор
V – сепараторы не только выделяют тонкую фракцию из загружаемого в виде спрессованных пластинок измельченного материала, но производят для этого его дезагломерацию, необходимую после обработки на роллер–прессе. Требуемая тонкость помола обеспечивается регулированием скорости воздушного потока в сепарирующих каналах. Граница разделения находится в интервале от 80 мкм до 1,5 мм.Материал подается на встроенную, ступенчатую, каскадную решетку V – сепаратора как это показано на рисунке 5.9. Тонкие фракции через сепарирующие каналы выносятся воздушным потоком вверх, а более крупные по ступенчатой каскадной решетке падают вниз и выгружаются в нижней части корпуса.
В феврале 2010 года оказалось возможным провести локальное испытание по электронейтрализации на V – сепараторе завода Akchan Cimento в Турции, который был там установлен после роллер–пресса. Возвратная фракция крупнее, чем требовалось для мельницы, из нижней части сепаратора поступала на отдельный транспортер и далее элеватором повторно на роллер–пресс. Пробы для лазерной гранулометрии возвратной фракции отбирались с этого транспортера до и после включения устройства ЭКОФОР.
Рисунок 5.10. – Ток электродвигателя транспортера возврата материала из V – сепаратора
Устройство ЭКОФОР было подключено к фланцу горловины подачи материала в сепаратор и включено в 17:10. Нагрузка электродвигателя транспортера возвратной фракции была под контролем компьютера системы управления. На рисунке 5.10. представлена запись изменения тока электродвигателя во времени. Видно, что нагрузка транспортера уменьшилась на
0,5 А. Расчет показал, что такое уменьшение нагрузки является следствием уменьшения доли возвращаемого на повторное дробление материала на 20%.
Сравнительный анализ гранулометрии возвратной фракции – рисунок 5.11. показывает, что электронейтрализация при сепарации привела к уменьшению в возврате вклада частиц размером от 1 до 100 мкм. Соответственно вклад частиц размером от 100 до 500 мкм увеличился. Частицы размером от 1 до 100 мкм, за счет выполняемой устройством их дополнительной дезагрегации,пневмотранспортом были доставлены в бункер, питающий мельницу. Общее количество возвращаемого в роллер–пресс материала уменьшилось, что и сказалось на падении нагрузки электродвигателя транспортера.
Рисунок 5.11. – Гранулометрический состав возвратной фракции
Таким образом, селективность V – сепаратора с подключением устройства ЭКОФОР улучшается. Такие сепараторы очень широко используются их разработчиками из KHD Humboldt Wedag. Теперь их эффективность может быть повышена, причем не только при новых поставках, но и на работающих системах.
5.4. Современный контроль качества измельчения
Системе помола более высокого уровня должна соответствовать система измерения тонкости помола, являющейся косвенным признаком главного показателя – прочности цемента.
Целью измельчения в цементной мельнице является освобождение поверхностей, необходимых для реакции гидратации. Она идет за счет диффузии от поверхности частицы к её внутренней части. Скорость её по данным [83] невелика: так алит гидратирует за сутки на глубину 0.5 мкм, за трое суток на 2 мкм, за 7 суток на 3 – 4 мкм, за 28 суток на 6 – 7 мкм. Белит гидратирует ещё медленнее: за 30 суток на 1 мкм, за 60 суток на 2 мкм, за 80 суток на 3 мкм. В цементе, богатом алитом, зерна размером 30 мкм гидратируют за 28 суток на 87%.
Гидратация цемента, определяющая его прочность, имеет оптимальную зависимость от размеров частиц. Мельчайшие частицы – до 3 мкм дают повышенную удельную поверхность и необходимы для начальной прочности, но не участвуют в обеспечении её конечного значения. Зерна от 3 до 30 мкм составляют наибольшую ценность для прочности [59, 84]. Частицы 40 – 60 мкм и более гидратируют только с поверхности, в основном играют роль дорогого инертного наполнителя. Такие частицы не полностью используют вяжущие свойства клинкера [60]. Поэтому странным выглядит контроль тонкости помола по остатку на сите 80 мкм.
В межгосударственном стандарте [85], действовавшем в России до 2001 года, тонкость помола определялась по остатку на сите N 008, а определение удельной поверхности цемента было факультативным, и поэтому редко где проводилось. Такой контроль тонкости помола по остатку на сите 80 мкм, с учетом того, что граница эффективности проходит на уровне 30 мкм, мог характеризовать только невозможность систем помола открытого цикла производить цемент высоких марок.
Когда в 1996 году в дальнем зарубежье началось внедрение технологии управляемой нейтрализации, мы нигде не встретили определение тонкости помола по остатку на сите 80 мкм, только по удельной поверхности и по остатку на сите 45 мкм. Впоследствии, с ужесточением требований, распространилась практика проведения определения двух параметров, характеризующих тонкость помола: удельной поверхности и остатка на сите преимущественно 32 мкм. Эти остатки по сравнению с 80 мкм действительно характеризуют ход помола и косвенно в большей степени будущую прочность.
В 1998 году в России был введен межгосударственный стандарт на общие технические условия для цемента [86], в котором тонкость помола определялась как характеристика дисперсности, которая может быть выражена массовой долей остатка (прохода) на одном или нескольких контрольных ситах или величиной удельной поверхности. Конкретного указание на применение сита 80 мкм не содержалось. А в 2001 году был введен стандарт на методы испытаний цемента [87]. В нем предусматривается определение тонкости помола по остатку на сите N 009, допускалось сито N 008, а также предусматривалось измерение удельной поверхности методом воздухонепроницаемости. В части определения тонкости помола этот стандарт нельзя признать опережающим. Наши заводы получили право продолжать вести помол по грубому показателю, не имеющему отношения к современному цементу.
Тем временем за рубежом продолжалось развитие техники измерения тонкости помола, позволяющее устранить недостатки существующих методов и соответствовать более высоким требованиям к качеству измельчения. Так заслуженно и широко используемый метод измерения удельной поверхности, принятый повсеместно по Блейну и практикуемый уже семьдесят лет, тем не менее, является в основном ручным и имеет низкую воспроизводимость. Он своей инерционностью не дает возможность оперативно управлять помольным агрегатом. Внося усреднение для всех размеров частиц, он не представляет информации для корректировки содержания отдельных фракций в цементе, а это сейчас уже требуется.
Рисунок 5.12. – Гранулометр Mastersizer 2000
Новым методом измерения, который устранил указанные выше недостатки измерения удельной поверхности, явилась лазерная гранулометрия. Английская компания Malvern Insruments Ltd начала поставлять, в том числе на цементные заводы, лабораторные гранулометры Mastersizer 2000, представленный на рисунке 5.12. и устанавливаемый в потоке цемента Insitec Dry [88, 89].
Эти гранулометры используют метод лазерной дифракции для измерения размеров частиц. Лазерный луч при облучении частиц рассеивается. Углы рассеивания зависят от размеров частиц. При увеличении размеров эти углы также увеличиваются. Рассеивание улавливается светочувствительным детектором, затем автоматически производятся расчеты распределения частиц по размерам. Результаты расчетов выводятся на дисплей и при желании на принтер. Диапазон размеров измеряемых частиц от 0,01 до 2500 мкм, погрешность измерения 1%.
Для примера на рисунке 5.13. приведена содержательная часть данных, получаемых с лазерного гранулометра при анализе цемента CEM1 42,5 на заводе Akcimento Buyukcekmece Factory, Турция в феврале 2010 года.
Рисунок 5.13. – Кривая и таблица распределения частиц по размерам, полученная с лазерного гранулометра Mastersizer 2000 для СEM1 42,5
Как видно из таблицы, остаток на сите 80 мкм был бы для этого цемента равным 0, для 45 мкм – 6,16%, а 32 мкм – 19,5%. Получение кривой распределения частиц по размерам служит также 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 Dv(50) – размере частиц на уровне 50% их распределения. Так для цемента, данные о котором были приведены выше, это 16,1 мкм. Лаборатория корректирует уставку по Dv(50) по данным текущих измерений прочности.
Для оперативного, текущего управления помольным агрегатом, не дожидаясь данных из лаборатории, которые приходят не чаще, чем один раз в час, используется лазерный гранулометр, устанавливаемый в потоке цемента в соответствии с рисунком 5.14.
Диапазон размеров измеряемых частиц от 0,1 до 10000 мкм. Там, где удалось увидеть его в работе, сигнал о Dv(50) подавался на современную автоматическую систему каждые 5 секунд, что позволяло ей вести непрерывное управление ходом помола.
Рисунок 5.14. – Лазерный гранулометр Insitec Dry и его установка в потоке
Такие системы могут появиться и на новых цементных заводах в России, во всяком случае, предложение уже последовало [90].
5.5. Особенности работы системы помола замкнутого цикла
В системе помола замкнутого цикла силовым элементом является мельница, а за качество помола отвечает сепаратор. Эти два агрегата работают совместно, потоками материала влияя друг на друга. Поэтому мельница и сепаратор должны соответствовать друг другу не только в статическом, но и в динамическом режимах. В статике, ради перспективы улучшения гранулометрии цемента и дальнейшей интенсификации системы помола, целесообразно заложить возможность работы с кратностью циркуляции, то есть отношением суммы свежего питания и крупки к свежему питанию, не менее 2,5. А в динамике системы замкнутого цикла значительно более склонны к потере устойчивости, выраженной в стремлении к переполнению мельницы, выходу из допусков по тонине помола и являются в этом смысле более чувствительными к возмущающим воздействиям, чем системы открытого цикла.
Системы помола замкнутого цикла не привычны для российских цементников. Даже при модернизации систем открытого цикла с закупкой сепаратора из-за рубежа, от приобретения систем автоматического управления нередко отказываются по причине их дороговизны, в том числе от записанных в памяти контроллеров конфиденциальных алгоритмов управления, учитывающих тонкости функционирования этой более сложной технологии помола. Специалисты иностранных фирм, запускающие в России новые мельницы замкнутого цикла, также не раскрывают информацию. Она является конфиденциальной и известна только консалтинговым компаниям, крупным поставщикам оборудования и цементным корпорациям, таким как Lafarge и Holcim, имеющим собственную науку в технических центрах и проводящим ежегодные семинары по обучению своих специалистов. При испытаниях устройств управляемой нейтрализации за рубежом на мельницах замкнутого цикла нам пришлось эти вопросы решать по ходу внедрения на базе представлений о работе систем автоматического управления с обратной связью.
Первое успешное испытание устройства ЭКОФОР на мельнице замкнутого цикла производительностью 50 т/час проходило на Alexandria Cement в Египте. Эта мельнице только три месяца назад была оборудована сепаратором третьего поколения производства FLSmidth. При этом мелющая система получила возможность производить высококачественный цемент, но началось налипание на мелющие шары, и производительность её снизилась.
Подключение устройств ЭКОФОР к шаровой мельнице производится как и для мельницы открытого цикла. Место подключения к редуктору ротора сепаратора [91] показано на рисунке 5.15. Результаты испытания представлены в таблице 5.1.
Рисунок 5.15. – Подключение к сепаратору
Через двадцать часов после включения устройства свежее питание мельницы осталось без изменения, но глухой звук мелющих тел сменился на звонкий, металлический. Всвязи с этим была предпринята попытка увеличить свежее питание мельницы. В течение часа дополнительное увеличение свежего питания на 1 т/час привело к увеличению возврата из сепаратора с 61 до 135 т/час. Весь час мельница шла на переполнение, что является признаком потери системой устойчивости.
Таблица 5.1. – Результаты испытания на Alexandria Cement, Египет
| Время | Свежее питание, т/час | Возврат с сепаратора, т/час | Скорость ротора сепаратора, % | Удельная поверхность 3350±100, см2/г |
| 12.1996 | До включения ЭКОФОР | |||
| 50 | 58 | 61 | 3442 | |
| ЭКОФОР включен на мельницу, чистка шаров | ||||
| 50 | 61 | 61 | 3330 | |
| Потеря устойчивости при увеличении свежего питания | ||||
| 51 | До 135 за один час | 61 | 3295 | |
| Связанное управление мельницей и сепаратором | ||||
| 55 | 30 | 58 | 3397 | |
| ЭКОФОР включен на мельницу и сепаратор | ||||
| 56,25 | 22 | 58 | 3448 | |
Структурно мельница замкнутого цикла, как это показано на рисунке 5.3. или конкретно для данной системы на рисунке 5.16., охвачена положительной обратной связью через один из выходов сепаратора. Из теории и практики систем управления известно, что для повышения качества их работы и стабилизации используются отрицательные обратные связи, а положительные применяются как корректирующие и снижают запас устойчивости системы. В замкнутом цикле помола нет возможности выбора типа связи. То, что есть – технологически необходимо. Так называемый передаточный коэффициент данной системы равен произведению передаточных коэффициентов мельницы и сепаратора. Для сохранения устойчивости системы помола
Рисунок 5.16. – Система помола цемента на Alexandria Cement, Египет
передаточный коэффициент разомкнутой системы управления должен в соответствии с критерием Найквиста [92] остаться на уровне, предшествующем потери устойчивости. При включении устройства ЭКОФОР на мельницу
она постепенно усиливается, её передаточный коэффициент увеличивается. Для сохранения устойчивости системы необходимо снизить вторую составляющую передаточного коэффициента разомкнутой системы управления – передаточный коэффициент сепаратора. Это достигается снижением скорости вращения распределительной тарелки или корзины сепаратора. То есть в системе помола замкнутого цикла любое изменение свежего питания при отклонении от рабочей точки должно сопровождаться обратным изменением скорости вращения ротора сепаратора. Если увеличиваешь свежее питание, то скорость вращения ротора должна быть снижена, а, если уменьшаешь, то увеличена. Основное для системы помола замкнутого цикла – это взаимосвязанное, совместное управление мельницей и сепаратором. Нельзя их изменять раздельно. На Alexandria Cement, это было не известно, как и на многих других заводах.
Эти соображения привели к решению о снижении скорости вращения ротора сепаратора на 5% и увеличению свежего питания на10%. После подключения устройства ЭКОФОР параллельно и к сепаратору свежее питание было окончательно увеличено на 12,5%.
Этот подход был неоднократно отработан при испытании технологии управляемой нейтрализации и выявлена единая пропорция этих изменений.
5.6. Рекомендации по работе с системой помола замкнутого цикла
При производительности мельниц до 50 т/час можно использовать одно устройство ЭКОФОР для параллельного подключения мельницы и сепаратора к клемме «Е» устройства, более 50 т/час – два устройства, одно для мельницы, второе для сепаратора [93].
Включать устройство целесообразно, если мельница работает стабильно в течение 3 – 4 часов и предполагается продолжение выпуска той же марки цемента.
Если мелющие тела покрыты твердой оболочкой, то мельница должна поработать с устройством не менее 12 часов без изменения свежего питания, чтобы дать возможность мелющим телам начать очищаться. Например, включить устройство после монтажа под конец дня и оставить его на ночь. К утру звук второй камеры мельницы должен усилиться. Очистка мелющих тел полностью или иногда только до рябой поверхности происходит медленно. Проверить это можно не ранее чем через три – пять дней работы мельницы.
Если твердая оболочка на мелющих телах до включения устройства отсутствует, то целесообразно включить устройство утром и ежечасно анализировать ситуацию на помольном агрегате.
После включения устройств(а) при стабильном режиме свежего питания происходит улучшение работы мельницы и сепаратора. Первое, на что воздействует устройство – это агрегаты. В период первых 10 – 30 минут после включения устройства они распадаются и выносятся из мельницы. Нагрузка элеватора, поднимающего материал из мельницы в сепаратор, претерпевает скачок на протяжении нескольких минут. Если используются пневмокамерные насосы, то время заполнения их емкости материалом временно сокращается. Начинает улучшаться размалываемость материала, мелкие частицы цемента в меньшей степени прилипают к большим, и не возвращаются с ними на повторный помол. Возврат из сепаратора немного уменьшается, в системе начинает циркулировать меньшее количество материала. Шум мельницы увеличивается из-за её частичного опустошения.
Необходимо измерять тонкость помола каждый час. Сначала качество помола временно повышается. Однако, если своевременно не увеличить свежее питание мельницы, то, вследствие повышения текучести электрически разряженного материала и скорости его прохождения через мельницу, количество находящегося в мельнице материала может слишком уменьшится, что приведет к снижению результативности измельчения его частиц. Тогда возврат возрастет почти до прежнего уровня, а первоначально улучшенное качество помола упадет. Необходимо сразу же после получения информации о повышении качества помола увеличить свежее питание и в тоже время несколько уменьшить скорость вращения ротора сепаратора. При этом пропорция изменения должна быть примерно равна:
| % изменения свежего питания | = – 2 |
| % изменения скорости ротора сепаратора |
Проценты увеличения и снижения высчитываются от достигнутых уровней этих параметров. Например, каждые дополнительно полученные
100 см2/г удельной поверхности соответствуют необходимости увеличения подачи на 4% и снижению скорости вращения ротора сепаратора на 2% от старого уровня. Например, если дополнительно получено 250 см2/г, то свежее питание следует увеличить на 10%, а скорость ротора уменьшить на 5%.
После увеличения свежего питания возврат из сепаратора и циркулирующая нагрузка естественно увеличиваются. Если возврат в течение следующего часа стабилизируется на новом уровне – значит всё в порядке. При следующем, повышенном значении качества помола необходимо продолжить увеличение свежего питания и уменьшение скорости вращения ротора сепаратора в той же пропорции маленьким шагами ежечасно. Если возврат не стабилизировался и продолжает нарастать, следует резко разгрузить мельницу прекращением питания от 5 до 15 минут и потом поднимать уровень свежего питания опять, но до несколько меньшего уровня.
Мельница, усиленная действием устройства, может и должна содержать внутри на 10-30% материала больше, чем раньше, без всякой опасности переполнения. Разрежение на её выходе, если температура цемента, исключающая его ложное схватывание из-за дегидратации гипса, не превышает допустимой, должно быть снижено на 20-40%, что приводит, как это показано на рисунке 5.17., к лучшему истиранию материала в последней её камере.
Звук первой камеры при этом должен стать глуше, чем раньше, а в последней камере остаться четким, металлическим. Таким образом, обеспечивается нахождение новой рабочей точки для мельницы на правой части переместившейся оптимальной зависимости качества помола от уровня в ней материала.
Это помогает также справиться с нарушением балансировки работы камер мельницы, когда материал уходит в большей степени, чем необходимо из первой камеры во вторую. Такой режим возможен при работе устройств ЭКОФОР, и его необходимо исключить снижением разрежения. Тем более, что современные мельницы оснащены системам впрыска воды во вторую камеру и вопрос о превышении температуры цемента уже не стоит. Обе камеры должны вносить равный вклад в процесс измельчения материала.
Рисунок 5.17. – Изменение распределения частиц цемента по размерам при снижении разрежения на выходе мельницы
5.7. Динамика интенсификации помола при включении устройства
В условиях реального производства при включении устройств ЭКОФОР не всегда удается организовать процесс повышения производительности мельницы непрерывно. Имеют место случайные остановки, переход на другую марку цемента, перерывы в работе, связанные с вечерним максимумом электропотребления. Ниже представлены примеры динамики улучшения качества помола, где это представилось возможным сделать с помощью устройства ЭКОФОР без перерывов.
В Китае на заводе «Дианнан» испытание проходило на мельнице производительностью 30 т/час с сепаратором первого поколения. Выпускался цемент 525 с содержанием шлака 28%. Допуск на удельную поверхность был 3200±150 см2/г. На рисунке 5.18. представлена динамика испытания. Сначала устройство было подключено к мельнице. Первые три часа наблюдалось ухудшение тонины помола. Уже в течение первого часа под воздействием устройства мельница опустошилась и перешла в левую часть оптимальной зависимости удельной поверхности от содержания в ней материала. Необходимое же увеличение свежего питания выглядело необычным для оператора.
Рисунок 5.18. – Результаты испытания на заводе «Дианнан», КНР
После увеличения питания двумя шагами на 10% удельная поверхность начала расти, и мельница перешла на привычную правую рабочую ветвь характеристики. При параллельном подключении к устройству сепаратора произошло значительное улучшение его работы, связанное с уменьшением возврата на помол мелких частиц, ранее налипавших на крупку, что дало возможность довести увеличение свежего питания до 20% с 30 до 36 т/час.
Удельное потребление электроэнергии снизилось на 6 кВт час/т. При испытании выявилось неудобство регулирования сепаратора первого поколения по месту расположения шибера его вентилятора.
На Chalkis Cement в Греции испытания проводились на мельнице с производительностью 85 т/час и сепараторе второго поколения. При помоле цемента использовались жидкие интенсификаторы помола и два устройства ЭКОФОР – одно для мельницы, второе – для сепаратора. После снижения остатка на сите 45 мкм с 14 до 11%, свежее питание мельницы в два приема было увеличено почти на 12% до 95 т/час. Скорость вращения ротора сепаратора была снижена на 6%. Удельное потребление электроэнергии снизилось на 3,6 кВт час/т.
Динамика процесса увеличения производительности представлена на рисунке 5.19.
Рисунок 5.19. – Результаты испытания на Chalkis Cement, Греция
В октябре 1998 года проводились испытания на Vassiliko Cement Works, Кипр, на мельнице замкнутого цикла производительностью 82 т/час, использующей жидкие интенсификаторы помола. Свежее питание мельницы было увеличено двумя устройствами ЭКОФОР на 10%. Скорость ротора сепаратора снижена на 5,8%, а разрежение на выходе мельницы на 30%. Удельное потребление электроэнергии снизилось на 3,6 кВт час/т. Устройства ЭКОФОР были испытаны ещё на двух мельницах с результатами, представленными в таблице 5.2., и пять устройств эксплуатировались на заводе в течение 12 лет.
Таблица 5.2. – Результаты эксплуатации устройств ЭКОФОР на Vassiliko Cement Works, Кипр
| Свежее питание
т/час |
Удельное потребление энергии
кВт·час/т |
Скорость ротора сепаратора
Об/мин |
Разрежение на выходе мельницы
мм. в. с. |
Прирост свежего питания
% |
Количество
устройств шт |
| Без ЭКОФОР / С ЭКОФОР | |||||
| 22 / 26 | 34,1 / 28,9 | 1800/ 1725 | 110 / 90 | 18,18 | 1 |
| 82 / 90 | 40,2 / 36,7 | 1300/1225 | 120 / 85 | 9,76 | 2 |
| 67 / 73 | 38,8 / 35,6 | 1600/ 1525 | 120 / 80 | 8,96 | 2 |
Рисунок 5.20. – Результаты испытания на HDB Siggenthal, Швейцария
На заводе HDB Siggenthal (Holcim) в Швейцарии испытания проводились на мельнице замкнутого цикла, производительностью 34 т/час, с жидкими интенсификаторами помола и одним устройством ЭКОФОР, параллельно подключенным к мельнице и сепаратору. Динамика изменения параметров представлена на рисунке 5.20. После одновременного включения устройства на мельницу и сепаратор, удельная поверхность в течение двух часов увеличилась на 250 см2/г. Свежее питание было увеличено на 11,5 % со снижением скорости вращения сепаратора на 5% и разрежения на 25%.
На заводе Askale Cimento в Эрзуруме, Турция испытания проводились на современной системе помола замкнутого цикла производительностью 74 т/час, использующей жидкие интенсификаторы помола. Динамика изменения параметров при испытании представлена на рисунке 5.21.
Рисунок 5.21. – Результаты испытания на Askale Cimento, Турция
При испытании использовались два устройства ЭКОФОР – одно для мельницы, второе – для сепаратора. Уже через час после их одновременного включения удельная поверхность цемента увеличилась на 350 см2/г, а остаток на сите 45 мкм уменьшился с 4,5 до 3,1 %. Свежее питание мельницы было увеличено четырьмя шагами до уровня 87 т/час, то есть на 17,5%. Скорость вращения ротора сепаратора была уменьшена на 7,5 %. Удельное потребление электроэнергии в новом режиме работы снизилось на 4,5 кВт час/т.
Анализ результатов многочисленных испытаний на системах помола замкнутого цикла [79], приведенных в приложении 2, подтвердил необходимость связанного регулирования свежего питания мельницы и скорости вращения ротора сепаратора с пропорцией процентов их изменения, равной – 2.
Если шары в мельнице не имели налипшей на них оболочки, и была обеспечена непрерывность производства цемента одной и той же марки, то при включении устройств повышенная производительность устанавливалась в течение 7 часов, а первая реакция мельницы наступала в первый час её работы в новых условиях. Однако, полная стабилизация режимов, связанная с преобразованием приповерхностного слоя мелющих тел занимает до пяти дней. При отключении устройства наблюдается продолжительное последействие, которое естественно не является негативным явлением, но своей необычностью удивляет специалистов.
При управлении системой помола замкнутого цикла необходимо следить за большим, чем у открытого цикла, количеством параметров. Это значительно усложняет работу оператора и приводит к недоиспользованию возможностей при помоле. Поэтому всегда принимались попытки автоматизировать функционирование системы, например заданием уровня циркулирующей нагрузки мельницы. Так организована, например, работа на мельнице FLSmidth на заводе Nuh Cimento в Турции. Использование двух устройств ЭКОФОР позволило увеличить циркулирующую нагрузку мельницы на 50 т/час, что дало возможность повысить производительность мельницы при выпуске цемента PKCb на 41 т/час.
Уровень автоматизации работы мельниц постоянно возрастает. Этому способствует использование компьютерных систем управления, в которых их усложнение производится на программном уровне.
5.8. Экспертная система управления
Современным цементным заводом управляет, как правило, один оператор, в обязанности которого входит реагировать на сигналы тревоги автоматических систем управления. Всё остальное отрабатывают экспертные системы управления. Впервые такие универсальные автоматические системы, учитывающие как научные представления о ходе технологических процессов производства цемента, так и опыт лучших специалистов и операторов, в том числе и для систем помола цемента были разработаны французской компанией Lafarge SA, крупнейшим производителем строительных материалов.
В апреле 2000 года на одной из подобных систем представилась возможность провести испытание устройств ЭКОФОР на заводе VICAT Montalieu во Франции. Блок-схема цифровой экспертной системы представлена на рисунке 5.22.
Сигнал главной обратной связи поступал в режиме реального времени с лазерного гранулометра Insitec о размере частиц на уровне их 50% распре-деления – Dv(50). Этот сигнал сравнивался в блоке выработки команд с уставкой на Dv(50), поступающей из лаборатории на данную марку цемента. Сигнал рассогласования и производная сигнала с гранулометра после преобразования поступали в логическое вычислительное устройство, которое выдавало две команды – одну на изменение подачи свежего питания в мельницу, вторую – на изменение скорости вращения ротора сепаратора.
В системе использовались корректирующие обратные связи: по каналам звука первой камеры мельницы, нагрузки элеватора и циркулирующей нагрузки. Все эти параметры по-своему свидетельствовали о состоянии помола в данный момент и давали возможность предвидеть тенденцию изменения этого состояния. С датчиков звука первой камеры, нагрузки элеватора и циркулирующей нагрузки сигналы поступали на свои блоки выработки команд, где сравнивались с уставками для каждого из этих параметров, заводимыми в эти блоки для каждой марки цемента.
Рисунок 5.22. – Блок-схема экспертной системы управления мельницей
Эти сигналы, за исключением нагрузки элеватора, дифференцировались и суммировались каждый со своим сигналом рассогласования, преобразовывались и поступали в блок выбора каналов. То есть управление по этим параметрам производилось по отклонению и её производной.
В блоках выработки команд сигнал каждого канала проходил преобразование, включающее зону нечувствительности и масштабирование с необходимым коэффициентом и полярностью.
Зоны нечувствительности обеспечивали приоритет работы каналов. Например, известно, что возврат реагирует на изменение ситуации в мельнице быстрее звука первой камеры. Поэтому, если звук был больше нормы, то приоритет отдавался каналу звука. Если звук был ниже нормы, то работали оба канала – звука и циркулирующей нагрузки.
На мельнице выпускались три марки цемента:
A52,5pm c допуском для Dv(50) = 13,5 – 14,0 мкм (3600-3800 см2/г),
J42,5R c допуском для Dv(50) = 14,5 – 15,0 мкм (3500-3700 см2/г),
J32,5R с допуском для Dv(50) = 16,0 – 17,0 мкм (3400-3600 см2/г).
Зоной нечувствительности для главной обратной связи было принято для Dv(50) ±0,2 мкм. До таких значений рассогласования изменение подачи свежего питания и скорости вращения ротора сепаратора не производилось. За пределами этой зоны системой управления было предусмотрено:
– что улучшение помола с отклонением Dv(50) на – 0,25 мкм приводило к увеличению свежего питания на 4%. Коэффициент пропорции для скорости ротора сепаратора составлял 1,7, то есть в этом случае производилось её уменьшение на 2,4%;
– что ухудшение помола с отклонением Dv(50) на + 0,25 мкм приводило к уменьшению свежего питания на 6,0%. Коэффициент пропорции для скорости ротора сепаратора составлял 3,0, то есть в этом случае проводилось её увеличение на 2,0%.
– для каждого конкретного, текущего отклонения Dv(50) большего, чем ± 0,2 мкм автоматически определялись свои процентные текущие изменения свежего питания и скорости ротора сепаратора с учетом приведенных выше коэффициентов пропорций.
– таким образом, было предусмотрено, что отступать по свежему питанию система должна быстрее, чем наступать, а увеличивать скорость сепаратора несколько осторожнее, чем уменьшать.
Через пятнадцать минут после одновременного включения двух устройств ЭКОФОР на мельнице и сепараторе при выпуске цемента A52,5pm произошло частичное опустошение мельницы. В связи с этим канал звука мельницы выработал импульс повышения свежего питания, который скомпенсировал это опустошение, после чего свежее питание вернулось на прежний уровень. То есть воздействие устройства «ЭКОФОР» было воспринято системой как возмущающее и было ею отработано.
В состав структуры экспертной системы дополнительно для работы с включенными устройствами ЭКОФОР был введен блок управления разрежением на выходе мельницы. Оно первоначально было снижено на 18 %. Таким образом были использованы новые возможности мельницы содержать внутри её большее количество материала без ущерба для качества помола. Уставка циркулирующей нагрузки была увеличена на 17 т/час, а уставка допустимого, более глухого звука первой камеры, была снижена на 15%. В результате автоматического пересчета экспертная система повысила свежее питание мельницы на 10% и снизила скорость сепаратора на 5,8 %.
На рисунке 5.23. представлен для сравнения массив рабочих точек мельницы, которые автоматически фиксировались каждые пять минут её работы.
Из рисунка 5.23. видно, что достигнуто не только повышение уровня свежего питания мельницы, но и получено уменьшение разброса данных по тонине помола, что свидетельствует о более стабильной работе системы замкнутого цикла.
Впоследствии была проведена корректировка уровня сниженного разрежения на выходе мельницы для совпадения кривых интегрального и
Рисунок 5.23. – Помол цемента A52,5pm на VICAT Montelieu, Франция
Таблица 5.3. – Распределение частиц по размерам для цемента A52,5pm
| Размер частиц, мкм | Распределение, % | |||
| Интегральное | Дифференциальное | |||
| Без ЭКОФОР | С ЭКОФОР | Без ЭКОФОР | С ЭКОФОР | |
| 3,06 | 17,23 | 17,81 | 1,36 | 1,39 |
| 5,76 | 24,43 | 25,15 | 1,58 | 1,60 |
| 9,56 | 33,27 | 34,03 | 2,69 | 2,69 |
| 15,87 | 47,64 | 48,28 | 4,18 | 4,14 |
| 20,45 | 57,23 | 57,83 | 4,96 | 4,97 |
| 29,91 | 73,02 | 73,77 | 5,17 | 5,25 |
| 38,53 | 82,1 | 82,95 | 4,31 | 4,35 |
| 49,64 | 89,1 | 89,88 | 3,21 | 3,16 |
| 63,96 | 93,74 | 94,32 | 1,98 | 1,86 |
| 82,4 | 96,62 | 96,97 | 1,28 | 1,17 |
| 120,49 | 99,04 | 99,14 | 0,60 | 0,53 |
| 176,2 | 100 | 100 | 0,17 | 0,15 |
дифференциального распределения частиц по размерам до и после включения устройств ЭКОФОР. В таблице 5.3. представлены для сравнения данные по распределению частиц цемента по размерам. Видно, что имеющие место расхождения незначительны.
Проведенное испытание показало возможность работы устройств ЭКОФОР в условиях функционирования автоматической экспертной системы управления. Для повышения производительности мельницы при этом необходимо ввести в состав экспертной системы дополнительный канал управления разрежением на выходе мельницы, изменить уставки корректирующих каналов, допустив работу мельницы с большей циркулирующей нагрузкой и более глухим звуком первой камеры.
5.9. Шаровая мельница сырьевой муки
Заводы сухого способа производства цемента, построенные до внедрения вертикальных валковых сырьевых мельниц, оснащены шаровыми мельницами замкнутого цикла, производящими сырьевую муку для печей обжига клинкера. С течением времени прогресс в технологии обжига приводил к необходимости повысить объемы по выпуску сырьевой муки и производящие её шаровые мельницы иногда становились узким местом производства. В этом случае ставился вопрос о повышении их производительности не только с целью экономии энергии, а для того чтобы соответствовать запросам печи и увеличить выпуск цемента заводом в целом.
На рисунке 5.24. представлена схема помола с использованием шаровой мельницы с центральной выгрузкой. Исходное сырье – известняк, глина, железный огарок и кварцевый песок в жестких пропорциях поступают в камеру сушки мельницы вместе с горячими газами, отходящими от печи. Сырьевые шаровые мельницы сухого помола работают в замкнутом цикле с сепараторами аэродинамического или динамического типа.
Качество помола контролируется по остаткам на сите: 200 мкм (1–2%) и 72, 80, или 90 мкм (14–18%). Переизмельчение муки нецелесообразно, это отрицательно влияет на работу печи. После помола мука поступает в силос, где происходит её гомогенизация – перемешивание её составляющих с помощью организованных воздушных потоков. Текучесть порошка при этом очень важна.
Рисунок 5.24. – Схема помола сырьевой муки на базе шаровой мельницы
Трудностью помола сырьевой муки является адгезия – налипание порошка на металлические поверхности мелющих тел и транспортных систем, которая снижает производительность мельниц.
В случае двухдвигательного привода мельницы устройство ЭКОФОР подключатся к рым-болту подшипника валопровода одной из ведущих шестерен мельницы, как это показано на рисунке 5.24. Если мельница имеет периферийную выгрузку, то устройство подключается к верхней части цапфы выходного подшипника в соответствии с рисунком 4.3.
Второе устройство ЭКОФОР, как это показано на рисунке 5.25., подключается к металлическому кольцу исполнительного механизма поворотных лопаток в случае использования аэродинамического сепаратора или к редуктору вала распределительной тарелки (корзины) ротора динамического сепаратора, как это показано на рисунке 5.15.
При включении устройств в результате нейтрализации электростатической составляющей силы адгезии происходит очистка рабочих металлических поверхностей от налипшей на них оболочки, пропускная способность мельницы и сепаратора увеличивается.
Рисунок 5.25. – Подключение устройства ЭКОФОР к аэродинамическому сепаратору
После получения данных о снижении остатка на сите необходимо ступенчато увеличивать подачу материала в мельницу и одновременно открывать выход готового материала из сепаратора путем изменения угла поворота направляющего аппарата или уменьшением скорости вращения ротора сепаратора.
Возврат из сепаратора на вход мельницы несколько увеличится и стабилизируется. Циркулирующая нагрузка и уровень материала в мельнице также увеличиваются на 10 – 30%, но без опасности её заработки.
В таблице 5.4. приведены сравнительные данные испытания шаровых мельниц сухого помола при подключении двух устройств ЭКОФОР.
Таблица 5.4. – Результаты испытаний устройства на шаровых сырьевых мельницах
| Завод, страна | Время | Производительность, т/час | Прирост производительности | Экономия энергии, кВт·час/т | ||
| Без ЭКОФОР | С ЭКОФОР | т/час | % | |||
| Новоийский цементный завод,
Узбекистан |
10.1996 | 80 | 96 | 16 | 20 | 3,5 |
| Ameriyah Cement, Египет | 12.1996 | 180 | 194 | 14 | 7,8 | 1,3 |
| Raysut Cement, Султамат Оман | 02.1998 | 69,5 | 77,8 | 8,3 | 12 | 2,2 |
| Titan Kamari, Греция | 03.1999 | 226 | 238 | 12 | 5,3 | 0,7 |
| Yambu Cement,
Саудовская Аравия |
02.2000 | 288 | 303 | 15 | 5,2 | 0,8 |
Как указывалось выше, необходимость увеличения выработки сырьевой муки возникает по запросам печи обжига клинкера, но иногда и при вводе нового завода. Так это было, например, при сдаче под ключ немецкой компанией KHD Humboldt Wedag AG цементного завода Yambu в Саудовской Аравии. Там две сырьевые мельницы не смогли показать требуемую по контракту производительность 300 т/час. Установка на каждой мельнице по два устройства ЭКОФОР позволила довести их производительность до требуемого уровня.
Экономия электроэнергии за счет снижения её удельного расхода на тонну сырьевой муки составила по данным таблицы 5.4, от 170 до 340 кВт·час за каждый час работы сырьевой мельницы.