Влияние диаметра валка и длины его рабочей части на процесс измельчения

30.10.2014

Наряду с другими геометрическими параметрами важное значение имеют диаметр цилиндра валка и его длина. В зависимости от производительности мельницы, количества продукта, поступающего на отдельные системы, и технологических задач необходимо устанавливать определенные размеры валков. На практике этому вопросу не всегда уделяется должное внимание. Например, при проектировании мельниц длину вальцевой линии определяют с учетом нагрузок на все системы суммарно, а не по каждой системе в отдельности. Такой метод расчета длины вальцевой линии объясняется отсутствием научно обоснованных данных о производительности вальцевого станка при измельчении различных продуктов. Это приводит в одних случаях к недогрузке ряда станков, а в других — к их перегрузке, в связи с чем создаются так называемые «узкие места» в ведении процесса измельчения, и в итоге снижается производительность мельниц.
Eщe хуже обстоит с выбором оптимального диаметра валков для измельчения и обработки продуктов на различных системах. Установлено, что применение на вымольных системах валков с большим диаметром улучшает технологические показатели. Однако при проектировании мельниц не всегда придерживаются этого и устанавливают валки одинакового диаметра без учета физических свойств измельчаемого продукта и технологических задач, выполняемых на отдельных системах, В литературе отсутствуют данные об оптимальных размерах мельничных валков. Характерно, что на мельницах Главмуки до Великой Отечественной войны насчитывалось 1.2 типов вальцевых станков с валками длиной от 600 до 1500 мм и диаметром от 250 до 350 мм. Это усложняло изготовление и поставку мельницам запасных деталей, а также ремонт вальцевых станков. И в настоящее время вопрос о выборе оптимальных размеров валков остается нерешенным. В 1949 г. при рассмотрении проекта автоматического вальцевого станка во ВНИИЗ оспаривалась целесообразность применения валков диаметром, 300 мм. Некоторые видные специалисты даже доказывали невозможность получения крупных крупок на валках с таким диаметром. Конструкторы, наоборот, в целях повышения жесткости станка отстаивали необходимость установки валков диаметром 300 мм. Автор решил исследовать указанный вопрос. Результаты исследования приводятся ниже.

Теоретические предпосылки и методика исследования. Проф. П.А. Афанасьев утверждал, что диаметр валков должен быть тем больше, чем больше размер частиц, поступающих в зону измельчения, и чем меньше размер их после выхода из зоны.
Для определения наименьшего диаметра валка Афанасьев предложил следующее выражение:

где R — радиус валка;
а0 — размер частиц при вступлении в зону измельчения;
ак — размер частиц при выходе из зоны измельчения;
fт — коэффициент трения.
Эта формула позволяет вычислить лишь минимальный диаметр валка в зависимости от условий захвата измельчаемого продукта валками с шероховатой поверхностью, но не отражает физической сущности процесса измельчения в связи с изменением величины диаметра валков. При использовании рифленых валков коэффициент трения, как указывалось, уже не играет такой важной роли, как в случае применения «гладких» валков. Формула не учитывает профиля поперечного сечения и количества рифлей на единицу окружности валка, являющихся главными факторами процесса измельчения зерна. Следовательно, отдельные специалисты (49), рекомендующие пользоваться указанной формулой Для выбора оптимального диаметра валка, допускают неточность.
В самом деле, длину пути обработки продукта можно выразить так:

где R — радиус валка;
а0 — размер частиц, поступающих в зону измельчения;
ак — рабочий зазор между валками;
α0 — угол захвата продукта валками.
Выражения (3—13) и (3—14) показывают, что при одинаковых а0,ак и α0 с увеличением R длина пути обработки частиц L увеличивается.
Учитывая выражения (3—13) и (3—14), получаем:

Следовательно, при постоянных а0 и ак и большем значении R, α0 уменьшается, a L увеличивается.
В связи с меньшим значением α0 улучшаются условия захвата продукта, а с большим значением L (при постоянном числе рифлей n, а0 и ак) число воздействий рифлей быстровращающегося валка Rt на продукт возрастает. Из этого следует, что валки с небольшим диаметром целесообразно применять там, где в соответствии с технологическими задачами необходимо, чтобы путь обработки частиц и степень их измельчения были минимальны. Таким требованиям могут отвечать первые драные, шлифовочные и первые сходовые системы. Там же, где требуются относительно длинный путь обработки продукта и более высокая степень измельчения или обработки, выгодно применять валки с большим диаметром. Этим условиям могут отвечать последние драные и размольные системы. Для повышения эффекта измельчения обогащенных крупок первого качества желательно применять также валки с большим диаметром.
Приведенные положения нуждались в экспериментальном обосновании. Сначала необходимо было установить влияние величины диаметра на выход и качество крупок. Учитывая, что длина пути обработки зависит и от рабочего зазора, вернее, от а0—ак, можно, пользуясь этими параметрами, создать такие условия, при которых длина пути обработки будет одинаковой независимо от величины диаметра D.
Из выражения (3—13) следует, что L = φ [D(а0—ак)].
Для установления влияния величины диаметра валка на процесс измельчения были проведены две серии опытов:
1. Исследовалось влияние D при различных ак. Как известно, составление партии зерна с частицами одинаковых размеров а0 представляет значительные трудности. Поэтому решено было подобрать величину рабочего зазора ак таким образом, чтобы получить примерно одинаковую степень измельчения частиц.
2. Изучалось влияние D = 150, 225, 250 и 300 мм при постоянной величине рабочего зазора ак.

В табл. 49 приведены данные, полученные при измельчении на I драной системе пшеницы IV типа Запорожской области со стекловидностью 35%, зольностью 1,67% и влажностью 14,8%. Окружная скорость быстровращающегося валка была равна 5,1—5,3 м/сек; отношение окружных скоростей валков составляло —2,5. Число рифлей на 1 см длины окружности валка было равно 4,8; грани рифлей валков располагались «острие по острию». Нагрузки на валки составляли 850 —900 кг/см*сутки.

Приведенные данные показывают, что можно получить одинаковые показатели выхода и качества продуктов при различных D, изменяя величины рабочего зазора. Следует отметить, что выход крупной крупки и муки, а также показатели их качества изменяются в небольших пределах. Таким образом, доказана возможность получения продуктов одинаковых выхода и качества на валках с различными диаметрами. Рассмотрим, как изменяются выход и качество продуктов при различных диаметрах и постоянных рабочих зазорах (табл. 50). Измельчалась пшеница Украинка IV типа со стекловидностью 52% и влажностью 16%. Диаметр, число рифлей и нагрузки были такие же, как и в предыдущем опыте. Рабочий зазор между валками был равен 0,8 мм.

Приведенные данные свидетельствуют, что при постоянных величинах рабочего зазора и больших диаметрах валков общее извлечение продуктов возрастает. Такую же закономерность устанавливаем и при зазоре, равном 1 м,м, что видно из табл. 51.

В табл. 51 приведены результаты измельчения смеси пшеницы IV типа Сумской и Херсонской областей со стекловидностыо 46% и влажностью 15,5%. Остальные параметры такие же, как и в предыдущей серии опытов (см. табл. 50). С применением валков большего диаметра зольность крупной, средней и мелкой крупок несколько снизилась, а расход энергии на единицу вновь образованной поверхности существенно не изменился.
Весьма важное значение имеет диаметр валков в вымольном процессе — при обработке продуктов на последних драных и размольных системах. Практика мукомольного производства подтверждает, что наилучшие результаты, как указывалось, достигаются в вымольном процессе при D= 300 —350 мм. Однако данных, устанавливающих эффективность применения валков с большими диаметрами в вымольном процессе, насколько нам известно, в литературе нет.
В 1953 г. во ВНИИЗ были проведены опыты на последних драных системах с целью установления влияния величины диаметра валков на выход и качество продуктов, получаемых на указанных системах Процесс изучался при обработке сходов с IV, V и VI драных систем на валках с D = 150 , 225 и 300 мм. Продукты для проведения опытов отбирали с соответствующих систем на экспериментальной мельнице ВНИИЗ. Углы рифлей валков были равны: β=20°, γ=70°. Грани рифлей располагались «спинка по спинке». На 1 см длины окружности валка приходилось 8,5 рифлей с уклоном 8%: Окружная скорость быстровращающегося валка составляла 5,6—5,9 м/сек, а отношение окружных скоростей валков — 2,5.
Рассмотрим полученные результаты обработки второго схода с IV драной системы (табл. 52).

Из таблицы следует, что с увеличением диаметра валков количество извлеченной муки возрастает, а качество ее не ухудшается. Вместе с тем отмечается пропорциональность между количеством извлеченной муки, длиной пути обработки продукта и числом воздействий рифлей быстровращающегося валка.
Проведенные исследования влияния величины диаметра валков на результаты процесса измельчения показали:
1. На валках с большим диаметром (300—350 мм) можно добиться такого же выхода и качества крупок и дунстов, как и на валках диаметром 150—250 мм. Для этого необходимо устанавливать соответствующий рабочий зазор между валками и число воздействий рифлей быстровращающегося валка.
2. При постоянном зазоре и числе рифлей на 1 см длины окружности валков с увеличением диаметра валков степень измельчения продукта возрастает пропорционально длине пути обработки зерна или числу воздействий рифлей быстровращающегося валка.
3. Величина расхода энергии при применении валков с большим диаметром почти не изменяется.
Валки с большим диаметром (300—350 мм) целесообразно применять на мельницах при недостаточно развитом процессе измельчения, на вымольных системах, а также при измельчении обогащенных крупок первого качества.

Длина рабочей части валка также служит одним из основных параметров процесса измельчения. Подлине вальцевой линии и на основе установленных в промышленности технических норм определяют производительность мельниц. Допустим, на мельнице установлено 10 вальцевых станков с длиной рабочей части парноработающих валков 100 см. Мельница производит муку сортового помола, при котором техническая норма на 1 см длины парноработающих валков составляет 90 кг/сутки. Тогда суточная производительность мельницы Q = 10*2*100*90 = 180 т.
Всю длину вальцевой линии распределяют по отдельным системам. Для этого применяют соответствующие коэффициенты; при разработке их учитывали вид помола, качество измельчаемого зерна, сложность технологической схемы и т. п. Для правильного распределения вальцевой линии требуются валки соответствующих размеров и научнообоснованные данные о производительности их при измельчении различных продуктов. Так, например, при нагрузке 1250 кг/см*сутки на I драную систему на мельницах с суточной производительностью 50 т необходимо устанавливать станки с длиной рабочей части валков 40 см; на мельнице производительностью 100 т — соответственно 80 см; 150 т — 120 см и т. д. Если для мельницы с суточной производительностью 50 т устанавливать валки с длиной рабочей части 80 см, эта система будет загружена всего лишь на 50%. Если же на мельнице производительностью 150 т устанавливать валки длиной 80 см, то эта система будет перегружена на 50 %. Аналогичное положение имеет место и по другим драным и размольным системам.
К сожалению, машиностроительные организации не всегда учитывают требования, предъявляемые к вальцевым станкам. Отсутствие необходимых типов станков во избежание перегрузки вынуждает устанавливать их с размерами рабочей части валков, превышающими предусмотренные расчетом, что приводит к неполному использованию оборудования и вызывает повышенный расход энергии.
Еще сравнительно недавно Главпродмаш поставлял вальцевые станки с одним размером валков — 1000 мм. С 1950 по 1952 г. выпускали два типа станков с валками длиной 1000 и 800 мм. С 1952 г. поставляют три типа станков с валками длиной 500, 800 и 1000 мм. Какое минимальное количество типов станков надо иметь и какие именно размеры валков являются наиболее оптимальными — неизвестно, так как в литературе до последнего времени эти вопросы не освещались. Лишь в 1953 г. в книге главного крупчатника Главмуки С. И. Щербакова признается целесообразным ка мельницах небольшой производительности устанавливать вальцевые станки с валками длиной 800, 600 и 500 мм. Aвтоp не расшифровывает понятия «небольшая производительность», не указывает, какие станки устанавливать на мельницах большой производительности и почему целесообразно выпускать два типа станков с валками почти одинаковой длины (500 и 600 мм).
Для решения вопроса об оптимальных размерах рабочих поверхностей валков необходимо знать величины нагрузок на отдельные драные и размольные системы. Однако, как уже указывалось, такие научно обоснованные данные отсутствовали. Работники мукомольной промышленности применяли эмпирические коэффициенты, пользуясь которыми всю вальцевую линию распределяли по отдельным системам, но эти коэффициенты не учитывали физических, свойств измельчаемого продукта, режимов помола и количества продуктов, поступающих на системы.
Для иллюстрации приводим данные о распределении вальцевой линии на отдельных сортовых мельницах Главмуки (табл. 53).
Сравнивая данные о распределении вальцевой линии в драном процессе на мельницах, приходится констатировать, что в этой области допускается большой разнобой. Так, отношение длины вальцевой линии на II и III системах к длине вальцевой линии на I драной системе колеблется от I до 3. Это значит, что на одних мельницах длина вальцевой линии на II и III драных системах в 3 раза больше, чем на других. На IV системе рассматриваемые отношения колеблются от 0,67 до 2,5; на V — от 0,5 до 2,5; на VI — от 0,455 до 2; на VII — от 0,25 до 1.
Нагрузки на I драную систему составляют от 600 до 1730 кг/см*сутки, т. е. на одних мельницах нагрузки на эту систему в 2,8 раза меньше, чем на других.
Все это приводит к снижению производительности всей вальцевой линии, участвующей в драном процессе.
Учитывая, что нагрузки на все драные системы находятся в пределах 115—200 кг/см*сутки, можно утверждать, что имеются мельницы, у которых нагрузки на эти системы выше на 70% по сравнению с другими мельницами.
Об отсутствии ясности и научного подхода к вопросу о распределении вальцевой линии в драном процессе на зарубежных мельницах дает представление табл. 54.

Таким образом, существующая практика распределения вальцевой линии без учета режимов измельчения, количества и качества продукта, поступающего на системы, приводит к неполному использованию сырья, оборудования и энергии, а также создает диспропорции в процессе измельчения.
Для устранения этих недостатков и выявления оптимальных размеров валков были проведены специальные исследования, которые позволили установить скорость движения зерна в зоне измельчения и определить теоретическую производительность валков при измельчении различных продуктов.
Основываясь на результатах этих исследований и изучая опыт передовых предприятий, а также учитывая конструктивные недостатки вальцевых станков (наличие ременной передачи, подшипников скольжения и отсутствие измерительных приборов для настройки и определения их производительности), мы разработали нормы нагрузок на валки для каждой драной и размольной системы; Нормы вошли в ГОСТ на мельничные вальцевые станки. Пользуясь этими нормами, можно определять оптимальные параметры рабочей длины валков для мельниц различной производительности.
Практика показала, что, при проектировании .крупных мельниц с суточной производительностью до 1000 т зерна целесообразно предусматривать отдельные секции производительностью 200—250 т.
Рассмотрим, какие типы станков необходимо иметь для мельниц производительностью 200 т/сутки при различных режимах измельчения (табл. 55).

Длина вальцевой линии на отдельных системах исчислялась на основе нагрузок на 1 см рабочей длины валка в сутки: I драная — 1500—1600; II — 600—800; III — 400—500; IV — 300—400; V — 200—250; VI и VII — 100—125 кг/см*сутки.
Как подтверждают показатели, приведенные в таблице, длина вальцевой линии каждой системы в отдельности и всех систем, участвующих в драном процессе, зависит от режима измельчения и количества продуктов, поступающих на данную систему.
При небольшой степени измельчения на I системе оборот продуктов возрастает; следовательно, на последующие системы поступает относительно большое количество продуктов. Поэтому длина вальцевой линии на последних драных системах увеличивается (см. режим № 3). С повышением степени измельчения на первых системах уменьшается количество продукта, поступающего на последние системы; поэтому длина вальцевой линии сокращается (см. режим № 4), Чем более развит процесс измельчения, тем больше оборот продукта, тем длиннее вальцевая линия. При одинаковой длине вальцевой линии с уменьшением оборота продуктов представляется возможным увеличить нагрузки на валки, а стало быть, и производительность мельницы.
Рассмотрим, какое минимальное количество типов станков необходимо иметь для мельниц с суточной производительностью 200, 150, 100 и 50 т, с учетом упомянутых четырех режимов измельчения и нагрузок.

В табл. 56 приведены данные о длине вальцевой линии для каждой драной системы при различных режимах и производительности мельниц.
При составлении этой таблицы учитывали:
1. Необходимость применения минимального количества типов станков.
2. Целесообразность применения станков с валками длиной не более 100 см. Практика работы мельниц показала, что при высоких нагрузках и большой длине валков станки на многих системах не загружаются. Для полной загрузки их требуются большая мощность и тяжелые приводные ремня. Кроме того, при высоких нагрузках и большой длине увеличивается прогиб валков, в связи с чем эффективность процесса измельчения резко снижается. Применение станков с валками меньшей длины позволяет эффективнее использовать оборудование, повышать нагрузки на валки и более рационально организовать процесс измельчения.
3. Типы станков должны отличаться один от другого длиной валков не менее чем на 20 см.
Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что при наличии четырех типов станков с валками длиной 40,60, 80 и 100 см вальцевая линия драных систем будет загружена (по сравнению с исчисленными нормами нагрузок на валки): на мельницах с суточной производительностью 200 и 150 т на 95—97%; 100 т — на 90—98% и 50 т — на 70—87%. Самый низкий коэффициент использования оборудования при таком распределении вальцевой линии будет на мельнице производительностью 50 т (режим измельчения №4). На такой мельнице режим № 4 допускает возможность применения пяти драных систем вместо шести. Тогда коэффициент использования вальцевой линии повысится до 0,86, что вполне допустимо для мельниц небольшой производительности. Изучение вопроса о влиянии длины рабочей части валков на показатели процесса измельчения позволило выявить, что применяемые в настоящее время методы распределения вальцевой линии по отдельным системам в процентах к 1 драной системе или ко всей вальцевой линии неправильны.
Основой для распределения вальцевой линии должны служить следующие научно обоснованные данные:
— нагрузки на 1 см длины валков в зависимости от физических свойств измельчаемого материала;
— режимы измельчения продуктов на отдельных системах;
— количество продуктов, поступающих на системы (баланс помола).
Для полного удовлетворения нужд мукомольной промышленности необходимо иметь минимальное количество типов станков с валками длиной 40, 60, 80 и 100 см.