Universitatea Politehnica Bucureşti Facultatea de Chimie Aplicată şi Ştiinţa Materialelor
Proiectarea unei instalaţii de măcinare
Student, Duca Mădălina Georgiana
Anul 2011
2
Cuprins: Tema protect Memorii justificative 2.1 Generalitaţi 2.2 Legi de mărunţire 2.3 Factori care influenţează operaţia de măcinare 2.4 Randamentele măcinării 2.5 Clasificarea utilajelor de măcinare 2.6 Moara cu bile 2.7 Amestecul brut pentru obtinerea cimentului portland (faina bruta de ciment) Capitolul 3. Dimensiunea tehnologică a morii: 3.1. Caracterizarea granulometrică a materialelor prime. Stabilirea lui D80 şi d80. 3.2. Stabilirea diametrului lungimii turaţiei şi puterii de antrenare al morii cu bile. Alegerea blindajelor. Calculul dimensiunii copurilor de măcinare. Capitolul 4. Alegerea şi dimensiunea utilajelor anexe din secţia de măcinare. Cpitolul 5. Automatizarea morii şi norme de protecţia muncii. Capitolul 6. Schema secţiei de macinare. Capitolul 1. Capitolul 2.
3
Capitolul 1 Tema proiectului:
Se va procesa o instalaţie de măcinare pentru obţinerea făinii brute. Se cunosc urmatoarele : Productivitatea : P= 57 [t/h] Reziduu pe sită de 90 [µm] : R 90= 4.3 [%] Randament de separare: η = 82.5 [%] Raportul calcar/ argilă: 3:1 Granulometria pentru calcar şi argilă (calcar 2 şi argila 1) ; acestea sunt date în tabelul următor:
calcar argilă
clasa granulometrică % grav. clasa granulometrică % grav.
<2
2÷ 4
3 < 0,2 7
6÷ 9
9 ÷ 12
12÷ 16
> 16
10 20 0,2÷ 0, 5 0,5÷ 1
29 1÷ 3
23 3÷ 5
12 5 ÷ 10
3 > 10
13
23
21
14
5
4÷ 6
17
2.690 2.230
4
Capitolul 2 Memoriu justificativ 2.1.Generalitati Prin măcinare se urmăreşte modificarea dimensiunilor şi granulozităţii materialelor, astfel ca operaţiile urmatoare ale procesului tehnologic (clasare, sortare,amestecare, omogenizare, uscare) precum şi transformările fizice şi chimice să se producă în condiţii optime. Operaţia de măcinare are un rol esenţial în fabricarea ipsosurilor, a cimenturilor (aluminoase şi portland) ,precum şi a lianţilor micşti, atât în prepararea reactanţilor cat şi în vederea operaţiilor termice sau în prepararea produselor de fabricaţie pentru livrare. Macinarea fină reprezintă treapta de mărunţire principală consumatoare de energie, pentru care optimizarea factorilor de influenţă a randamentului tehnic al operaţiei are o importanţă fundamentală, superioară treptei de măcinare-concasare. Principala maşină de măcinare fină este moara tubulară cu corpuri de macinare(bile, corpuri tronconice,biconice). În lucrare se va prezenta moara cu bile. Aceasta are capacităţi în limite largi asigurând producţii mari, pot funcţiona în cicuit deschis- discontinuu sau continuu , sau in cicuit inchis. Productivitatea morilor cu bile creste cu dimensiunea lor. Prin măcinare se urmareşte funcţionarea corectă a proceselor fizico-chimice pe care le induce formarea produsului.
2.2.Legi de mărunţire
Pentru determinarea energiei tehnice necesare mărunţirii, s-au enunţat diferite ipoteze denumite legi de mărunţire. Prima exprimare matematică a unei ipoteze pentru determinarea energiei consummate în operaţiile de mărunţire, a fost comunicată de Rittinger, în anul 1867. Potrivit acestei ipoteze, energia necesară este proporţională cu suprafaţa creată prin mărunţire ER = σ* ΔS = CR * D2 În anul 1874, V.L.Kirpiciev şi în anul 1885 F.Kick au emis ipoteza că energia de mărunţire corespunde valorii necesare pentru deformarea corpului până la limita de rupere sub acţiunea forţelor exterioare: EK = CK *D3 În anul 1952 F.C. Bond a publicat aşa numita teorie a treia de marunţire care se situează între ipoteza suprafeţelor şi cea a volumelor. Din punct de vedere fizic, această teorie presupune că energia transmisă corpului de mărunţit printrun efort de compresiune şi /sau de forfecare, se repartizează la început în masa sa şi este, în consecinţă, proporţionala cu D3;odată cu apariaţia de fisuri în suprafaţă, energia transmisă corpului se concentrează pe suprafeţele fisurilor, devenind atunci proporţionala cu D2. Teoria a treia a lui Bond se exprimă prin relaţia : EB = CB* D2.5 sau raportată la o tonă de material mărunţit de la D 80 iniţial al materialului granular la d 80 la ieşirea din maşina de mărunţire cu relaţia:
5
10 10 − d 80 D80 [kWh/t.s]. EB = K B Prin d80 respectiv D80 se exprimă dimensiunile în microni ale ochiurilor sitei la care corespund trecerii de 80% ale materialului. K B - indice energetic de mărunţire – reprezintă energia necesară pentru marunţirea unei tone scurte dintr-un material de la dimensiunea infinit de mare la 80% trecere prin sita cu ochiuri de 100µm.
2.3.Factorii care influenţează operaţia de măcinare
Pentru alegerea sau proiectarea unei maşini de mărunţit, este necesar să se analizeze principalii factori care influenţeză procesul de măcinare. Sunt factori ce depind de caracteristicile materialului iniţial, factori care depind de caracteristicile produsului ce trebuie obţinut, factori referitori la maşina de mărunţit, factori ce ţin seama de instalaţia de mărunţire şi factori referitori la întreaga operaţie de mărunţire.
2.4.Randamentele Măcinării relaţiei :
Rezistenţa la rupere a corpurilor omogene şi izotrope poate fi evaluată cu ajutorul
σ × E s
σt=
r 0
, unde:
σt - rezistenţa teoretică de rupere la întindere a corpurilor omogene si izotrope σs- energia specifică superficială E- modului de elasticitate r 0- raza de acţiune a rezultantei forţelor moleculare
În funcţie de cantitatea de energie luată in considerare şi raportată la consumul efectiv de energie, care a fost necesar pentru efectuarea operaţiei de măcinare se definesc urmatoare randamente: Randamentul teoretic de măcinare Pentru stabilirea acestui randament se poate folosi relaţia: σ s ∆S η
= E , unde: σs – energia superficială specifică
∆s – creşterea suprafeţei materialului granular produsă prin operaţia de macinare E – energia produsă de maşina de marunţire
Randamentul fizic al macinării În acest caz se ia în considerare energia specifică preluată de granulă până la producerea rupturii. Randamentul fizic al macinării se deduce din relaţia:
6
σ f η
f
∆S
= E
Căldura produsă în timpul deformării corpului poate prezenta, in unele cazuri, inconveniente tehnologice. Randamentul tehnic al măcinării Valoarea acestui randament este data de relaţia : σ r × ∆S η
= E Rezistenţa la rupere reala este de la 100 pana la 1000 ori mai mică decat rezistenţa teoretică de rupere la întindere a corpurilor omogene si izotrope, deoarece materialele granulare tehnice eterogene şi de multe ori anizotrope. r
2.5.Clasificarea utilajelor de măcinare Maşinile de măcinare se deosebesc dupa mai multe criterii şi anume: Domeniul de macinare Principiul de funcţionare Natura procedeului tehnologic În funcţie de domeniul de mărunţire, maşinile de mărunţire se împart in general în 4 grupe: • Concasoare • Granulatoare şi mori intermediare • Mori fine • Mori foarte fine Maşinile de mărunţire se împart în maşini cu acţiunea principală de acţiune şi maşini cu acţiunea principală de lovire. În funcţie de pricipiile constuctive ale maşinii avem 1) A. concasoare cu falci concasoare cu con sau giratoare concasoare cu melc concasoare şi morile cu cilindri(valţuri) B.- granulatoare şi mori cu corpuri rostogolitoare si anume: mori chiliene mori centrifuge cu bile mori pendulare mori cu inel vertical si valţuri mori cu disc orizontal si valţuri mori cu inel orizontal şi bile C.- mori cu pietre 2) A. concasoare cu mori cu ciocane concasoare şi mori cu impact dezintegratoare mori cu jet
7
B.
morile cu tambur rotativ şi cu corpuri de măcinare libere(bile, cuburi,vergele,etc.) morile vibratoare cu corpuri de măcinare libere(bile, cuburi, vergele,etc.)
Dupa modul de solicitare principală al bucaţii de material, maşinile de mărunţire pot fi împărţite în :
maşini care realizează sfărmarea prin compresie şi frecare(concasoare cu fălci, concasoare conice, concasoare cu cilindrii, mori cu corpuri de rostogolire, moară cu inel şi valţuri). maşini care realizează sfărmârea prin şoc(concasoare şi mori cu ciocane, mori cu tambur rotativ cu corpuri libere, dezmembratoare si dezintegratoare, mori cu jet).
2.6.Moara cu bile
Morile cu bile cunoscute si sub denumirea generală de mori cu tambur rotativ sunt destinate măcinarii în domeniul fin şi ultrafin a materialelor moi cu duritate medie, dure şi casante.Se compun în esenţă dintr-un tambur cilindric sau uneori clindro-conic, care se roteşte în jurul axului său orizontal. Corpurile de măcinare împreună cu materialul de mărunţit ocupă între 20 şi 40% din volumul util al morilor cu tambur. Avantajele morii cu bile: - posibilitatea de a măcina fin materiale având aptitudini la măcinare foarte diferite; - obţinerea unor productivităţi ridicate, depăşind 200t/h, la fineţe înaintată de mărunţire, caracterizate de exemplu printr-un reziduu de 10% pe sita de 0.090 mm; - reglarea usoară a fineţei de măcinare a produsului; - menţinerea productivităţii la un nivel aproape constant prin completarea şi reclasarea periodică a corpurilor de măcinare; -siguranţa în expluatare (fiabilitate) ridicată –grad de funcţionare extensive 7500-7800 ore/an. Dezavantajele morii cu bile sunt urmatoarele : -consumuri specifice de energie şi de metal importante, în general între 10 şi 70kWh/t respective între 0.5 şi 1.5 kg metal/t, în funcţie de aptitudinea materialului la măcinare şi gradului de fineţe cerut şi de calitatea metalelor corpurilor de măcinare întrebuinţate; -gabarit şi masă constructivă specifică mari – cost ridicat al investiţiei; -zgomot puternic în timpul funcţionarii.
2.7 Amestecul brut pentru obtinerea cimentului portland (faina bruta de ciment) Faina bruta poate fi reprezentata de amestecul omogen de materii prime: calcar, argilă, folosit pentru obţinerea clincherului de ciment portland. Pentru obţinerea unui clincher de bună calitate, amestecul brut trebuie să fie foarte omogen ceea ce duce la nevoia unei măcinari fine corespunzătoare. Fineţea de măcinare se poate exprima prin reziduu în procente ramas în urma cernerii materialului pe site cu diferite mărimi.
8
Capitolul 3 Dimensiunea tehnologică a morii cu bile 3.1. Caracterizarea granulometrică a materialelor prime. Stabilirea lui D80 şi d80.
Distribuţia granulometrică a dispersiilor grosiere (caracterizate de dimensiuni ale particulelor peste 1 µ m) se determină în funcţie de diametrul particulelor prin clasare volumetrică sau gravimetrică (simptotică). Clasarea poate avea ca scop: • separarea granulelor care depăşesc o limită superioară sau care nu ating o mărime limită (superioară sau inferioară); • separarea în mai multe fracţii granulometrice pentru determinarea suprafeţei specifice a materialului granular. Distribuţia granulometrică a dispersiilor granulare se determină, în funcţie de mărimea particulelor, cu ajutorul următoarelor metode de analiză: ♦ cernerea uscată sau umedă; ♦ separarea pneumatică în câmp gravitaţional şi în câmp centrifugal; ♦ levigarea; ♦ sedimentarea în câmp gravitaţional şi câmp centrifugal; ♦ determinarea la microscopul optic a ponderii diferitelor particule, după dimensiuni; ♦ dispersia unui fascicol laser. Din efectuarea multor analize granulometrice a rezultat că distribuţia mărimii particulelor urmează destul de exact o lege simplă, denumită legea distribuţiei granulometrice. Formularea cea mai comodă a acestei legi se obţine, dacă se foloseşte modul cumulativ sau integral pentru exprimarea granulometriei grosiere. În acest caz se indică totalitatea particulelor mai mici sau mai mari decât ochiul sitei, spre deosebire de exprimarea diferenţială care dă numai mărimea unei fracţiuni granulometrice dintre două site consecutive. Una din relaţiile matematice cele mai mult folosite pentru determinarea distribuţiei granulometrice cumulative a dispersiilor grosiere este legea Rosin-Rammler-Sperling (cunoscută ca legea R.R.S.): n
R x
= 10 0⋅ e
-
x x
[%]
'
(3.1)
unde R x = procentul granulelor mai mari decât x (reziduu cumulativ); x = dimensiunea granulelor (mărimea ochiului sitei), prin normare nu contează dacă se exprimă în mm sau µ m; n = parametru granulometric (indice de uniformitate); x’ = dimensiunea (diametrul) caracteristică a particulelor (indică gradul de fineţe a dispersiei). Când x = x’ ⇒ R x ia valori constante. R x'
100 =
e
=
[%]
36,8
(3.2)
Legea RRS poate fi reprezentată grafic în diagrama Bennet. Prin logaritmare dublă a ecuaţiei (1) se obţine relaţia liniară: 100 ln ln (3.3) R = n ⋅ ln x − n ⋅ ln x '
x
9
În figura 1 se prezintă grafic, în coordonate adecvate, dependenta R x - x, în cazul ideal (diagrama RRS). Suprafaţa specifică a unei dispersii se poate calcula cu relaţia: S s
=
6 100 ⋅ ρ
R =100
∑ R = 0
∆ Ri
[m2/Kg]
x m
(3.4)
i
unde ρ = densitatea materialului [Kg/m3]; ∆ R i = cantitatea de particule între două site consecutive, [%]; xmi = dimensiunea medie a particulelor unei clase granulometrice, [m] (xmi = (xi + xi+1)/2)
Stabilirea curbei de distribuţie granulometrică Tabelul 3.1. Distribuţiile granulometrice ale materiilor prime
Nr. crt
1.
2.
Tip de material
Calcar 2
Argila 1
Distribuţie granulometrică
clasa granulometrică % grav. Rx xi clasa granulometrică % grav. Rx xi
<2
2÷ 4
4÷ 6
6÷ 9
9 ÷ 12
12÷ 16 > 16
3
10
20
29
23
12
97 2 < 0,2
87 3 0,2÷ 0, 5
67 5 0,5÷ 1
38 7.5 1÷ 3
15 10.5 3÷ 5
3 0 14 16 5 ÷ 10 > 10
7
13
17
23
21
14
93 0.2
80 0.35
63 0.75
40 2
19 4
5 7.5
3
5 0 10
Metoda analitică
După cum s-a arătat, ecuaţia (3) arată o dependenţă liniară între ln(ln 100/R x) şi ln x, deci ecuaţia (3) se poate scrie : Y = a ⋅ X + b unde s-a notat Y = între ln(ln 100/R x); X = ln x, a = n şi b = - n.ln x’ . Metoda regresiei liniare simple (cu o singură variabilă) permite determinarea constantelor a şi b pe baza datelor experimentale (măsurătorilor de distribuţie). Relaţiile de calcul ale regresiei liniare simple, pentru determinarea constantelor a şi b, sunt :
10
N
a⋅
∑
N
X i
+ b ⋅ N
i =1
i =1
N
a⋅
= ∑ Y i
N
∑ X
2
i
(6)
N
+ b ⋅ ∑ X i = ∑Y i ⋅ X i
i =1
i =1
i =1
în care N reprezintă numărul de date (măsurători) experimentale. Sumele corespunzătoare calculului constantelor a si b pentru calcar
Nr. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. ∑
xi 2 3 5 7.5 10.5 14 16 /
Xi = ln xi 0.6931 1.0986 1.6094 2.0149 2.3513 2.6390 2.7725 13.1788
X2i 0.4803 1.2069 2.5901 4.0598 5.5286 6.9643 7.6867 28.5167
R xi 97 87 67 38 15 3 0 /
Yi=lnln100/R xi -3.4913 -1.9713 -0.9150 -0.0329 0.6403 1.2546 -4.5156
Yi.Xi -2.4198 -2.1656 -1.4726 -0.0662 1.5055 3.3108 -1.3079
Tabel 3.2.1 Obtinerea sistemului
13.1788a + 7b = -4.5156 28.5167a + 13.1788b = -1,3079, din care obţinem : a = -3.3327 ; n= -3.3327 b = 5.6294 ; x’ = 5.4149 D80 = 4.6940
Sumele corespunz ătoare calculului constantelor a şi b pentru argilă
Nr. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. ∑
xi 0.2 0.35 0.75 2 4 7.5 10 /
Xi = ln xi -1.6094 -1.0498 -0.2876 0.6931 1.3862 2.0149 2.3025 3.4499
X2i -2.5901 -1.1020 -0.0827 0.4803 1.9215 4.0598 5.3015 7.9883
R xi 93 80 63 40 19 5 0 /
Yi=lnln100/R xi -2.6231 -1.4999 -0.7721 -0.0874 0.5072 1.0971 -3.3782
Yi.Xi 4.2216 1.5742 0.2220 -0.0605 -0.7030 2.2105 7.4648
Tabel 3.2.2
11
Obţinerea sistemului
3.4499a + 7b = -3.3782 7.9883a + 3.4499b = 7.4648, din care obţinem : a = 1.4519 ; n= 1.4519 b = -1.1981 ; x’ = 2.2821 D80 = 0.3158 Metoda grafică
Datele experimentale se reprezintă grafic (sub formă de puncte), în diagrama Bennet determinanduse astfel din diagrama n si x’; unde n reprezintă panta dreptei Y = a.X + b. Calculul parametrului n: -cazul calcarului: n= -cazul argilei: n= Tabel 3.3.Valorile parametrilor obţinute prin ambele metode de calcul:
Parametru Metoda analitica grafica
Calcar Argila Calcar Argila
x’ [mm]
D80 [mm]
5.4149 1.4519
4.6940 0.3158
12
