РЕФЕРАТ. В статье показано, как технология интенсификации помола с использованием антистатических ПАВ была дополнена разработкой устройства, осуществляющего аппаратную электронейтрализацию при сухом измельчении. Устройство уменьшает потери энергии упругой деформации на электризацию измельчаемого материала, что приводит к повышению эффективности использования энергии при образовании новых поверхностей. Проанализированы негативные проявления электризации при помоле и роль при этом приповерхностного, дислокационного «дебри-слоя» мелющих тел. Приведены обобщающие данные по интенсификации помола цемента в России и за рубежом с использованием устройств «ЭКОФОР».
Ключевые слова: ПАВ, электризация при помоле, дислокационный «дебри-слой», устройство «ЭКОФОР», интенсификация помола
Keywords: grinding aids, electrization under grinding, dislocation «debris- layer», device «ECOFOR», intensification of grinding.
В 1928 году на 6-м съезде русских физиков будущий академик П.А. Ребиндер сделал доклад [1] об открытом им явлении адсорбционного снижения прочности твердых тел. Он обнаружил, что при адсорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) на измельчаемом материале, действие энергии упругой деформации, накопленной в нем за счет предшествовавшей деформации, приводит к интенсификации образования новых поверхностей. При этом выравниваются полярности фаз — тем сильнее, чем больше первоначальное различие между ними. Несмотря на фактически электростатическое объяснение этого явления, длительное время при трактовке процессов, происходящих в ходе помола цемента, бытовала модель расклинивающего действия ПАВ при их проникновении в трещины измельчаемого материала. Однако эта модель нереальна для условий высокой скорости приложения нагрузки к твердому телу. На самом деле при адсорбции электрический потенциал отрицательно заряженных частей гидратированных молекул ПАВ достигает значений от десятков до нескольких сотен милливольт. В результате эти части ориентируются перпендикулярно поверхности измельчаемого материала, имеющей положительный заряд, и нейтрализуют его (рис. 1).
Патентом США № 1904523 «Способ тонкого измельчения цементного материала» в 1933 году была также защищена идея нейтрализации негативных проявлений электростатики при помоле цемента за счет подачи углеродистой добавки. И хотя использование угля при помоле цемента в настоящее время запрещено, тем не менее оно тоже было способом электронейтрализации, поскольку частицы угля несут на себе отрицательный потенциал около 400 мВ.
Добавка антистатических ПАВ интенсифицирует помол. Единственный недостаток при этом – их расходование по мере проведения процесса. Данная технология была в 1995 году дополнена российской разработкой способа и устройства «ЭКОФОР» (далее устройство), осуществляющих аппаратную электронейтрализацию материала при сухом измельчении [2]. Технология запатентована в России, Европе, США и Китае. С 1995 года проведено около 200 испытаний в 43 странах мира, более 240 устройств поставлено заказчикам. При этом работы проводились и на современном оборудовании: помольных системах с роллер- прессами (в том числе с V-сепараторами), вертикальных валковых мельницах и шаровых мельницах с гидростатическими подшипниками производительностью до 320 т/ч, оснащенных эффективными динамическими сепараторами.
На фоне использования ПАВ устройства дополнительно повышают производительность мельницы на 8—12 %, а если ПАВ не используются — на 12-25 %, причем без увеличения потребляемой мощности. Удельный расход электроэнергии на помол тонны цемента с их применением снижается на 3—7 кВт*ч/т цемента. Устройство потребляет лишь 90 ВА, но при этом в энергетическом балансе мельницы изменяется распределение потока энергии. Уменьшаются потери энергии упругой деформации при преобразовании ее в электрическую энергию, которые были ранее причиной «заживления» части микротрещин, агрегации мелких частиц и их налипания на мелющие тела. Энергия деформации в случае применения устройства более эффективно используется для образования новых поверхностей.
Устройство представляет собой оригинальный активный индукционный нейтрализатор. Оно выпускается серийно, имеет сертификат соответствия требованиям безопасности и электромагнитной совместимости технических средств. Напряжение питающей сети устройства – 230 В, частота тока – 50- 60 Гц, требуемый ток — не более 0,5 А. Второе поколение устройства предусматривает его универсальное электропитание: от сети и с заземленной, и с изолированной нейтралью. Устройство работает в режиме длительной эксплуатации, его исполнение по степени защиты — IP65. Оно рассчитано на работу при температуре окружающего воздуха от -40 до 50 °С. Срок службы устройства – 10 лет, а срок его окупаемости – не более полугода. Устройство конструктивно выполнено в виде стального навесного шкафа. Главным элементом устройства является электронный конвертер – «черный ящик», который не подлежит расстыковке. Конвертер предотвращает электризацию цемента.
До настоящего времени процессы электризации в диспергирующих средах теоретически не описаны. В Институте физической химии АН СССР процессы разупрочнения при измельчении были изучены экспериментально и обоснованы с использованием физико-химической механики, понятия двойного электрического слоя и теории дислокаций. Однако внешне механизм электризации при помоле проявляется достаточно слабо и был малопонятен, поэтому, когда в 1995 году группа изобретателей предложила аппаратный электронейтрализатор для интенсификации помола, это вызвало у специалистов не только интерес, но сомнение и скептицизм.
Тем не менее при спекании в клинкере, являющимся твердым коллоидным раствором, развиваются многочисленные контакты между фазами и образуются неоднородные соединения. Такая дисперсная диэлектрическая система, имеющая множество двойных электрических слоев на границах раздела твердых фаз, подвергается значительной структурной электризации при внешнем механическом воздействии. При этом на выходе из мельницы сохраняется только часть электрического заряда, а большая часть его нейтрализуется внутри мельницы ввиду стремления свободной поверхностной энергии к минимуму. Поскольку возникновение разнополярных зарядов и их нейтрализация происходят одновременно, в свободном виде они не могут оставаться надолго. Заряд накапливается и остается на поверхности материала, если время разрушения химических связей в материале меньше времени его релаксации. Чем быстрее разделяются поверхности, тем больший заряд на них остается. Электризация происходит в результате ударов, раздавливания и истирания частиц материала. Возникающая электрическая энергия уменьшает эффективность механического воздействия, при этом:
- часть зародившихся микротрещин в материале смыкаются после ударов под действием разнополярных зарядов, а возможная размалываемость материала при этом не достигается;
- мелющие тела в результате действия электростатической составляющей силы адгезии [3] покрываются твердой оболочкой из измельченного материала. Удары демпфируются, их эффективность снижается. Налипший на мелющие тела материал представляет собой сопротивление в цепи заземления, нарушая стекание заряда с материала;
- частично агрегируют противоположно заряженные мельчайшие частицы. Образовавшиеся агрегаты мешают выходу материала из мельницы, а вышедшие частично возвращаются в мельницу, если используется сепаратор.
Эти проявления электризации необходимо предотвратить или уменьшить, а наличие заряда на цементе, выходящем из мельницы, является признаком «неблагополучия» ее работы. Исследования, проведенные в России и США, покарали, что если дополнительная электронейтрализация в ходе помола не производится, то потенциал избыточного положительного заряда на выходе из мельницы достигает 5 кВ, хотя в дальнейшем и происходит его стекание на землю. При избытке ПАВ возможна незначительная отрицательная заряженность свежего цемента.
Причиной положительной заряженности свежего цемента является действие очень тонкого, толщиной 5—30 мкм, так называемого хаотического «дебри-слоя» дислокаций кристаллов приповерхностного слоя нагруженного металла, которые изучались в Институте машиноведения АН СССР [4]. Электрическая заряженность дислокаций была выявлена в Институте твердого тела АН СССР [5]. Положительно заряженные дислокации кристаллической структуры металла при приложении нагрузки к мелющим телам выходят на поверхность и создают на ней заряженный барьер, предотвращающий стекание положительного заряда с измельчаемого материала. В то же самое время этот «дебри-слой» принимает на свою поверхность часть отрицательно заряженных частиц, образуя на мелющих телах оболочку (рис. 2, а), а положительно заряженные частицы появляются на выходе мельницы.
Устройство постепенно по распределенной электрической цепи производит электронейтрализацию положительно заряженных дислокаций приповерхностного «дебри-слоя» (рис. 2, б). Структура приповерхностного кристаллического слоя упорядочивается. Постепенно улучшается даже внешний вид поверхности мелющих тел, она выглядит как полированная. Исчезает барьер для стекания положительных зарядов с измельчаемого материала на землю. Негативные проявления электризации вследствие этого уменьшаются. Когда избыточный положительный заряд металлической поверхности нейтрализуется, она медленно очищается от налипшей оболочки и упрочняется. Эффективность механических воздействий в мельнице и размалываемость материала улучшаются. На поверхности мелющих тел, являющихся в этом случае как бы электродами, передающими внешний электрический потенциал устройства, происходит не только измельчение, но и разряжение частичек цемента, а также снижение заряженности устьев трещин, вследствие которого устья в большей степени открываются. Агрегация мельчайших частиц начинается при более высоких значениях удельной поверхности готового продукта.
Технологии с использованием ПАВ схожи с технологией «ЭКОФОР» нейтрализующим действием. ПАВ действуют в объеме измельчаемого материала с постоянной времени не более 1 ч, а устройство действует на материал посредством преобразования поверхности мелющих тел, но на это требуется большее время.
Одновременно устройство упрочняет поверхность мелющих тел, их износ уменьшается в 2-3 раза. С этим связано и не наблюдающееся для ПАВ последействие устройства. Оно составляет от двух дней до трех недель, в зависимости от используемых схем помола, и связано с продолжительным износом бездефектного упорядоченного слоя поверхности мелющих тел в случае пробного выключения устройства.
Как правило, устройства поставляются после предпродажных испытаний, но нередко заказчик покупал устройства, не проводя предварительную проверку. В любом случае необходимо обучение персонала не только по вопросам, связанным с подключением устройства к оборудованию, но и с изменением режима его работы, с непривычным для операторов способом нахождения новой рабочей точки функционирования мельницы.
Первые поставки устройств были выполнены на пять египетских цементных заводов в 1997 году и один цементный завод на Кипре (Vassiliko Cement Works) в 1998 году. На кипрском заводе пять устройств проработали 12 лет до его остановки. На фоне использования ПАВ они повысили производительность трех систем помола в замкнутом цикле в среднем на 12 % со снижением удельного потребления электроэнергии на 4 кВт • ч/т цемента и износа мелющих тел Hardalloy в 2,5 раза.
На рис. 3 приведены для примера результаты испытания устройства на мельнице открытой системы помола ОАО «Жигулевские стройматериалы» при производстве цемента ПЦ 500-Д0. После включения устройства питание мельницы увеличено с 35 до 46 т/ч. Три устройства эксплуатируются на этом заводе с 2006 года.
На рис. 4 приведен пример испытания устройства на замкнутой системе помола цемента на заводе Askale Cimento в Эрзуруме (Турция). Устройство повысило производительность мельницы с 74 до 87 т/ч.
В настоящее время для предварительного измельчения перед финишным помолом применяются роллер-прессы, которые иначе называют валками высокого давления. Они значительно снижают удельный расход электроэнергии. С 2000 года устройства «ЭКОФОР» стали применяться и для помола с использованием роллер-прессов и V-сепараторов, некоторые результаты их использования приведены в таблице. В частности, в России в 2014 году на заводе ООО «Азия Цемент» нами совместно с заводскими специалистами повышена производительность двух таких замкнутых систем помола с предварительным измельчением.
При использовании устройств на сырьевых шаровых мельницах и их производительность была повышена на 10-15 т/ч на заводах компаний Yambu Cement (в Саудовской Аравии), «Араратцемент» (в Армении), Akcansa Cimento (в Турции), MASS Cement (в Ираке и Судане).
За рубежом мы, как правило, устанавливаем устройства на мельницах при одновременном использовании ПАВ для интенсификации помола. На последних метрах участка измельчения в цементной мельнице ПАВ не столь эффективны, так как не успевают адсорбироваться на быстро увеличивающейся поверхности измельчаемого материала. Устройство же наиболее эффективно работает именно в конечном участке мельницы. Вот почему эффекты действия ПАВ и устройства должны складываться, а производитель цемента получает при этом наибольший эффект. Это не имеет отношения к мельницам производительностью до 50 т/ч, где устройство полностью заменяет ПАВ.
За прошедшие годы внедрения устройств максимальные результаты были достигнуты в 2006 году в Республике Корея на заводе Sungshin Cement (рост производительности на 35 т/ч) и в 2009 году в Турции на заводе Nuh Cimento (ее рост – на 41 т/ч).
С 1995 года технология «ЭКОФОР», являющаяся российским изобретением, не имеет аналогов в мире. Однако темпы ее внедрения недостаточно высоки. Она применяется там, где при производстве цемента остро стоит вопрос энергосбережения, что пока не относится к России. Однако в связи с необходимостью импортозамещения отношение к отечественным изобретениям и разработкам должно измениться, и мы готовы совместно с российскими заводскими специалистами интенсифицировать у них процессы помола при производстве цемента.
ЛИТЕРАТУРА
- Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. Избранные труды. М.: Наука, 1978.
- Глухарев Н.Ф. Сухое измельчение в условиях электронейтрализации. СПб: Изд-во Политехн, ун-та, 2014.
- Дерягин Б.В., Кротова A., Смилга В.П. Адгезия твердых тел. М.: Наука, 1973.
- Баранов Ю.В. Эффект А.Ф. Иоффе на металлах. М.: МГИУ, 2005.
- Осипьян Ю.А. Электронные свойства дислокаций в полупроводниках. М.: УРСС, 2000.