Правильное распределение (классификация) по длине камеры + размер шаров = эффективный помол:

• Уровень материала в камере – нет четкого индикатора, «значительное» переполнение и недогруз камеры должны быть исключены;
• Выходная перегородка – должна обеспечить беспрепятственный выход материала из мельницы;
• Ширина щелей выходной перегородки должна быть на 2 мм больше, чем средней;
• Классификационные плиты – высота порога должна регулярно замеряться.

Вентиляция мельницы должна обеспечивать:

• Достаточной вынос мелких частиц из зоны помола;
• Охлаждение мельницы – оптимальным считается скорость воздуха 1,0 – 1,2 м.с^-1 в пространстве над шарами.

Размер и % самого мелкого шара является компромиссом следующих величин:

• Эффективности работы сепаратора;
• Вентиляции мельницы;
• Свойства материала;
• Длины мельницы (камер);
• Размера щелей выходной перегородки.

В случае плохо вентилируемой мельницы, сепаратора первого поколения – 20 – 25 мм. В случае хорошо вентилируемой мельницы и сепаратора второго/третьего поколения размер мелкого шара может достигать до 17 мм.

В случае неэффективной работы 1-ой камеры размер крупного шара достигает 60 мм, в остальных случаях равен 50 мм.  

Хорошая классификация загрузки шаров во 2-ой камере позволяет снизить на 5 – 10 % удельное потребление электроэнергии двигателем мельницы. Поэтому необходимо периодически контролировать состояние бронефутеровочных плит.

Идеальный объем шаров во 2-ой камере около 30%, что обеспечивает оптимальный баланс потребления электрической энергии и тонкости помола.

При ревизии работы 2-ой камеры дополнительно нужно проверять:

• Гранулометрический состав вдоль камеры по остаткам на ситах (диаграмма помола);
• Правильность подачи интенсификатора помола;
• Температуру в мельнице (идеально температура материала на выходе из мельницы 90 – 110 °C), чтобы не допускать ложного схватывания и высокого водоотделения;
• Правильность впрыска воды для охлаждения камеры (по мокрому пятну, внимательно наблюдать за работой форсунок, исключить гидратацию цемента).

Функции 2-ой камеры:

• Тонкий помол;
• Обеспечение поступление материала к выходной перегородке;
• В случае необходимости, компенсировать неэффективность работы 1-ой камеры.

Схема работы второй камеры приведена на рисунке:

Во второй камере мелющие тела работают при водопадном режиме работы.

Неэффективная работа второй камеры означает:

• Агрегация материала на поверхности мелющих тел и бронефутеровки является первым признаком неэффективного помола, мелкие частицы не выносятся, частицы перемалываются и налипают на металлические поверхности (перемол);
• Недостаточная вентиляция мельницы;
• Пропускная способность выходной перегородки снижена;
• Неправильная классификация мелющих тел;
• Наличие крупных кусков материала;
• Должно быть исключено попадание частиц размером >5 мм во вторую камеру;
• Плохо работает 1-я камера;
• Износ щелей выходной перегородки – щели +2 мм больше, чем средний размер.

В теории, для каждого размера частицы имеется соответствующий размер шара.

Щелевые бронеплиты межкамерной перегородки удерживают крупный материал в 1-ой камере и обеспечивают вентиляцию мельницы. Для эффективной работы ширина щелей в межкамерной перегородке при помоле цемента рекомендуется 6 – 7 мм, минимальная суммарная площадь щелей должна быть 15 см²/т производительности мельницы.

Основной проблемой работы 1-ой камеры считается снижение производительности, которое возможно по разным причинам. Причины снижения производительности 1-ой камеры и мероприятия для их устранения приведены в таблице.

Функции 1-ой камеры:

• Дробление
• Измельчение до степени, которая позволит эффективно работать 2-ой камере.

В первой камере шаровой мельницы осуществляется грубый помол.

В первой камере крупные частицы дробятся мелющими шарами диаметром 75-90 мм. Поэтому в этой камере преобладает ударное воздействие, а шары поднимаясь на определенную высоту, падая разбивают частицы.

При этом уровень материала в первой камере относительно мелющих тел должен быть определенной высоты.

Идеальным считается, когда материал находится равномерно по всей площади 1-ой камеры на уровне шаров (шары должны быть только с тонким покрытием материала – слой не более 50 мм).

Неэффективная работа 1 –й камеры будет наблюдаться при неравномерности распределения материала:

• шары не видны под материалом;
• материал не видно под шарами.

Возможные причины отклонения:

• Износ бронеплит;
• Изношенные шары, изначально загрузка мелкими шарами;
• Объем шаровой загрузки низкий;
• Неправильно выбрано соотношение диаметров шаров.

Наименьший размер шара должен быть, как минимум, по крайней мере в два раза больше, чем ширина прорезей в выгрузочной решетке. Например, диаметр шара ≥ 16 мм при ширине прорези ≤8 мм. по этой причине, как правило, рекомендуется использовать шары диаметром ¾ дюйма (19 мм) как наименьший размер в конце мельницы. 5/8 дюйма можно использовать при установке новых перегородок, но часто это проблематично при эксплуатации при износе решеток.

Самые низкие энергозатраты достигаются при степени заполнения 24-26%, поэтому существует возможность снизить энергопотребление, если не нужна высокая производительность мельницы.

На практике наиболее эффективным считается такое заполнение барабана, при котором уровень мелющих тел и измельчаемого материала не доходит до его осевой линии. В промышленном производстве, например, коэффициент заполнения мелющими телами обычно не превышает 0.35-0.4.Перегрузка и недогрузка мельницы шарами нерациональны: перегрузка ведет к повышенным расходам энергии и шаров, а недогрузка снижает производительность.

Производительность барабанных мельниц зависит от диаметра, рабочего объема, скорости вращения, конструктивных особенностей, размера и формы мелющих тел, твердости и крупности кусков руды (исходных и измельченных), плотности пульпы и выхода конечного продукта. Производительность мельниц подсчитывают по удельной затрате энергии.

Мощность, потребляемая шаровой мельницей, зависит только от физических параметров мельницы: диаметра, длины барабана, скорости вращения, коэффициента мощности А и размера шаров.

Вращающаяся шаровая мельница может рассматриваться как несбалансированный маховик. Она приближается в наибольшей степени дебаланса, когда происходит простое вращение сухой дробящей среды и не производится никакая полезная работа. В этих условиях для поддержания вращения мельницы требуется максимальная мощность.

Модель Слегтена расчета шаровой загрузки:

1 камера дробления

• Равное количество шаров (n) в каждом диапазоне размеров 80; 70 и 60 мм, к ним добавить шары 90 мм, чтобы измельчать крупные частицы клинкера.

2 переходная зона (начало второй камеры)

• Заполнить самыми большими шарами этой зоны (иногда совпадает с наименьшим размеров шара в первой камере). Конструктивно для этой зоны используют шары 50 и 40 мм.

Вторая камера (тонкий помол)

• Распределение шаров менее 40 мм следует из формулы: D=3.3e^-0,1x
• Где D– диаметр шаров, мм; х – расстояние от конца переходной зоны, м
• Шары диаметром 30 мм начинают загружать по окончанию переходной зоны и далее по формуле.

Факторы, определяющие эффективность работы помольного агрегата:

• Степень заполнения объема мельницы мелющими телами;
• Качество и ассортимент мелющих тел;
• Интенсивность аспирации рабочего пространства мельницы;
• Величина и равномерность питания мельниц материалом, автоматизация мельницы.

Скорость вращения

Зная принцип работы барабанной мельницы, очевидно, что скорость вращения барабана имеет очень большое значение. Скорость задает траекторию движения мелющих тел, а, следовательно, и характер воздействия на измельчаемый материал.

Скорость, при которой все содержимое барабана прижимается к его стенкам и начинает вращаться вместе с ним, называется критической скоростью n_кр(об\мин) и рассчитывается по формуле:

Скорость вращения мельниц обычно равна 0,70-0,85 от критической. В процессе измельчения шары при указанных условиях поднимаются в мельнице на достаточную высоту и эффективно дробят материал. При частоте вращения менее 0,75-0,85 от критической, создается водопадный режим измельчения – основная масса мелющих тел поднимается вместе с внутренней поверхностью на некоторую высоту, а затем, отрываясь, свободно падает под действием сил тяжести по траекториям, близким к параболическим. Измельчение клинкерных зерен в данных условиях происходит преимущественно ударом. Водопадный режим применяется при измельчении более крупного материала (в первой стадии). При смешанном режиме измельчения одна часть мелющих тел участвует в свободном полете, а другая – перекатывается внутри барабана по замкнутым траекториям, измельчая руду ударом и истиранием. Каскадный режим наиболее тихоходный, скорость вращения составляет 0,5-0,6 от критической, при этом свободный полет мелющих тел исключен, т.к. они непрерывно циркулируют внутри барабана, поднимаясь по круговым траекториям на некоторую высоту, затем скатываясь под углом, близким к углу естественного откоса. В воде нормальный угол откоса шаров составляет около 30°. При каскадном режиме материал измельчается преимущественно истиранием, он является наиболее эффективным для второй камеры мельниц.

Самым высокопроизводительным считается смешанный режим, который возникает при скорости около 0,7-0,75 от критической.

Система автоматической смазки мельниц состоит из двух станций жидкой смазки: производительностью 200 л/мин, обслуживающей редуктор, и производительностью 50 л/мин, обслуживающей подшипники мельницы.

При работе мельницы в составе помольного агрегата для периодической подачи к поверхностям трения воздушных сепараторов дозированных порций смазки устанавливают отдельную систему автоматической густой смазки.

Станции жидкой смазки снабжены контрольно-измерительными приборами: реле давления, электроконтактными термометрами, температурными и поплавковыми реле и термометрами сопротивления.

Поплавковое реле контролирует уровень масла на сливе от подшипников мельницы и уровень масла в отстойниках. Реле давления подает сигналы при понижении давления масла в нагнетательных трубопроводах до 1 кгс/см² и при повышении до 4 кгс/см².

При помощи медных термометров сопротивления лагометрическая установка контролирует температуру масла в нагнетательных трубопроводах станции и температуру охлаждающей воды при входе в холодильник и при выходе из него. Двумя температурными реле, установленными в отстойниках, температура масла поддерживается в пределах 35—45 °С. Электроконтактными термометрами осуществляется дистанционная передача данных о температуре масла в отстойниках.

Для главного привода мельницы установлен синхронный электродвигатель трехфазного тока в защищенном исполнении, для всех вспомогательных механизмов — асинхронные электродвигатели трехфазного тока с короткозамкнутыми роторами в закрытом обдуваемом исполнении.

Мощность установленного электродвигателя шаровой мельницы 3,2 х 15 м — 2000 кВт (при фактически потребляемой 1800 кВт) и мельницы 4 х 13,5 м — 3200 кВт.

Для управления силовым электрооборудованием служат автоматические выключатели и релейно-контакторная аппаратура, поставляемые смонтированными в щиты станций управления.

Установленное на агрегате электрооборудование снабжено необходимыми зажимами для заземления. Пусковая аппаратура в конечных положениях фиксируется во избежание самопроизвольного выключения.

Агрегат снабжен электрической блокировкой, а также системой управления и автоматики. Благодаря этому пуск агрегата или остановка его обязательно сопровождаются подачей звукового сигнала, а запуск механизмов осуществляется в строгой последовательности от конца рабочего потока до электродвигателя главного привода сепараторной мельницы.

Технологические параметры и производительность мельницы, состояние отдельных механизмов мельницы и ее системы смазки контролируются дистанционно.

На рисунках представлены продольный разрез двухкамерной трубной шаровой мельницы, а также внутреннее устройство эффективной шаровой мельницы.

Загрузочная часть мельницы состоит из воронки с тумбой, трубошнека и днища, футерованного с внутренней стороны бронеплитами из износоустойчивой стали.

Разгрузочная часть состоит из радиально расположенных секторов, соединенных болтами с днищем, диафрагмы, трубошнека, разгрузочного патрубка, футеровки патрубка, приемной камеры, сита и секторов. Секторы перегородки имеют щелевидные отверстия для прохода размолотого материала; одновременно они предотвращают унос мелющих тел из второй камеры. Диафрагма имеет десять перегружающих лопастей, отлитых заодно с разгрузочным конусом. Приемная камера мельницы — сварной конструкции, с уплотнением из войлочной набивки в местах сопряжения с разгрузочным патрубком.

Сито представляет собой цилиндрическую сетку, отштампованную из стального листа толщиной 2 мм. Размер ячейки 5 х 25 мм.

Подшипник состоит из рамы, основания вкладыша с баббитовой заливкой, корпуса вкладыша и крышки. Рама подшипника сварная и при монтаже заделывается в бетонный фундамент мельницы. Основание подшипника и корпус вкладыша сопрягаются по сферическим поверхностям, что обеспечивает самоустанавливание подшипника при работе мельницы. Вкладыш с баббитовой заливкой имеет водяное охлаждение и выполнен с углом охвата цапфы 120°. Крышка подшипника сварной конструкции.

Корпус трубной шаровой мельницы представляет собой полый сварной цилиндр, закрытый днищами (крышками), отлитыми заодно с полыми цапфами, которыми мельница опирается на два подшипника. Через одну из цапф подается клинкер, гипс и другие добавки, а через другую выходит измельченный материал. Внутреннее пространство мельницы разделено специальной решетчатой межкамерной перегородкой на две камеры, сообщающиеся через отверстия в перегородке. В первой (по ходу движения материала) камере для измельчения применяют шары (стальные или из отбеленного чугуна), а во второй — цильпебсы (цилиндры) или более мелкие шары (диаметром 15-18 мм). Материал входит в загрузочную цапфу и проходит первую камеру с шарами, затем он поступает во вторую камеру с цильпебсами и выдается в качестве готового продукта через выходную цапфу. Такой цикл работы называется открытым, а сама мельница называется проходной.

Внутренняя полость барабана футерована броневыми плитами. Мельницы имеют центральный привод, ведущий вал которого присоединен к выходной цапфе. Электродвигатель и редуктор вынесены в отдельное помещение, чтобы свести к минимуму попадание в них пыли.

При вращении мельницы мелющие тела, прижимаемые центробежной силой инерции к стенкам барабана, поднимаются на некоторую высоту. Под действием силы тяжести, преодолевающей вертикальную составляющую силы инерции, и вызываемой ею силы трения мелющие тела падают на слой материала, дробят его и частично истирают. Цильпебсы продолжают измельчение мелкораздробленного материала истиранием.

На сегодняшний день в мировой цементной промышленности существует 3 типа помольных агрегатов:

• Шаровая мельница;
• Вертикальная мельница;
• Роллер пресс.

Шаровая мельница

Принцип действия шаровых мельниц основан на том, что материал, находящийся во вращающемся барабане мельницы, подвергается воздей­ствию свободно падающих мелющих тел. При вращении барабана мелющие тела (в подавляющем большинстве металлические шары) поднимаются на определенную высоту, а затем, отрываясь от стенки барабана при свободном падении, измельчают материал. Материал в мельнице измельчается ударом и частично истиранием благодаря перекатыванию шаров и их скольжению.

Все существующие типы шаровых и трубных мельниц, применяемых в цементной промышленности.  могут быть клас­сифицированы по следующим основным признакам:

• по конструкции и форме барабана — на цилиндрические однокамерные и многокамерные;
• по конструкции привода — с периферийным (шестеренчатым) приводом и с центральным приводом;
• по схеме работы — с открытым или замкнутым циклом.

В шаровых мельницах отношение длины барабана L к его диаметру D не превышает 1—2, в то время как в трубных это отношение равно 3—6. От того, по какой из схем работает помольная установка, во многом зависят ее производительность, удельный расход энергии, однородность готового продукта по величине частиц, а также стоимость эксплуатации по­мольной установки.

При работе мельницы по открытому циклу весь измельчае­мый материал пропускается через барабан один раз. У этих мельниц отсут­ствуют дополнительные устройства, обеспечивающие промежуточный отбор готового продукта. Это снижает эффективность помола, поскольку готовый продукт, не удаленный своевременно из мельницы, затрудняет измельчение частиц неразмолотого материала. Все это снижает производительность мель­ницы и увеличивает удельный расход энергии на помол. Одновременно имеет место относительно повышенная неоднородность готового продукта, в ко­тором часть материала переизмельчается, а другая недоразмалывается, бу­дучи окружена тонкой пылью.

Необходимо, однако, отметить, что установки, работающие по открытому циклу, просты по конструкции и менее сложны в эксплуатации в сравнении с мельницами, работающими по замкнутому циклу.

При замкнутом цикле помола материал выходит из мельницы частично недоизмельченным и затем при помощи сепараторов разделяется на гото­вый продукт и крупку, которая вновь направляется в мельницу на домол.