Теоретические основы, методология расчета и проектирования машин и агрегатов, технологических комплексов для компактирования полидисперсных материалов с низкой насыпной плотностью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, доктор наук Севостьянов Максим Владимирович

• Севостьянов Максим Владимирович
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Севостьянов Максим Владимирович

Введение

Глава 1. Анализ техники и технологий для комплексной переработки и утилизации полидисперсных материалов

1.1. Экологические проблемы комплексной переработки полидисперсных материалов и защиты окружающей среды от загрязнений

1.2.Существующие способы переработки и утилизации полидисперсных материалов, перспективы их развития для производства импортозамещающей продукции

1.3.Анализ технических средств для компактирования полидисперсных и вязкопластичных материалов

1.3.1.Прессовые агрегаты для брикетирования полидисперсных материалов

1.3.2.Машины и агрегаты для экструдирования вязкопластичных материалов

1.3.3.Агрегаты для агломерации полидисперсных материалов способом окатывания

1.4.Технологические особенности полидисперсных материалов с низкой насыпной плотностью и технические требования к реализации процесса компактирования

Выводы по главе

Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования, разработка методологии расчета и проектирования машин и технологических комплексов для компактирования полидисперсных материалов

2.1. Изучение основных закономерностей процесса уплотнения полидисперсных шихт с низкой насыпной плотностью

2.2. Теоретические исследования условий уплотнения шихты и структурно-деформационного взаимодействия частиц

2.2.1.Уравнение для определения усилия прессования и структурно-деформационного взаимодействия частиц

2.2.2. Расчет работы уплотнения шихты и анализ ее составляющих элементов

2.3. Регрессионный анализ процесса прессования композиционной

шихты

2.4. Исследование условий уплотнения и упруго-пластического деформирования шихты при силовом воздействии

2.5. Механизм коагуляционно-адсорбционного взаимодействия полидисперсных частиц в процессе их агломерации

2.6. Методология расчета и проектирования машин и технологических комплексов для компактирования полидисперсных материалов

2.6.1. Классификационный анализ техногенных материалов с различными физико-механическими характеристиками и физико-химическими свойствами

2.6.2. Общие и специфические особенности исследуемых полидисперсных материалов, обоснование способов и технических средств для их компактирования

2.6.3. Разработка и анализ реологических моделей процессов компактирования полидисперсных материалов для расширения технологических возможностей машин

2.6.4. Разработка методологии расчета и проектирования машин и технологических комплексов

Выводы по главе

Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования, расчет кинематических, конструктивно-технологических и энергосиловых параметров пресс-валковых агрегатов для брикетирования

порошкообразных шихт с низкой насыпной плотностью

3.1. Анализ условий уплотнения и деформации шихты в формующих

элементах вальцевого пресса

3.2. Расчет усилия прессования брикетов в вальцевом прессе

3.3.Теоретические исследования напряженно-деформационного воздействия на брикеты в формующих элементах

3.4. Разработка патентозащищенных конструкций пресс-валковых агрегатов для брикетирования полидисперсных отходов

3.5. Расчет пресс-валковых агрегатов для брикетирования порошкообразных шихт

3.5.1. Исследование условий питания и уплотнения шихты в

валковом предуплотнителе

3.5.2. Расчет кинематических, конструктивно-технологических

и энерго-силовых параметров щекового предуплотнителя

3.5.3. Определение мощности привода агрегата с устройствами

для предварительного уплотнения шихты

3.6.Исследование условий брикетирования порошкообразных шихт с низкой насыпной плотностью в вальцевом прессе с протяженной зоной уплотнения

3.6.1.Расчет конструктивно-технологических параметров вальцевого

пресса

3.6.2.Расчет потребляемой мощности привода вальцевого пресса

3.7.Экспериментальные исследования процессов брикетирования

порошкообразных шихт с их предварительным уплотнением

Выводы по главе

Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования, расчет пресс - валковых экструдеров для формования вязко-пластичных материалов с низкой насыпной плотностью

4.1. Конструктивно-технологические предпосылки совершенствования пресс-валковых экструдеров

4.2.Теоретические исследования и расчет пресс-валковых экструдеров с плоской матрицей

4.2.1. Разработка и исследование устройства для предварительного

уплотнения шихты

4.2.2. Исследование кинематических параметров пресс-валкового экструдера

4.2.3. Исследование условий уплотнения и деформирования шихты

4.2.4. Расчет давления экструдирования деформируемой шихты

4.2.5.Определение производительности и мощности привода

экструдера

4.3. Теоретические исследования и расчет пресс-валковых экструдеров с

цилиндрической матрицей

4.3.1. Разработка патентозащищенных конструкций пресс-валковых экструдеров с цилиндрической матрицей

4.3.2. Расчет кинематических и конструктивно-технологических параметров пресс-валкового экструдера

4.3.3.Определение усилия уплотнения и деформирования слоя шихты

4.3.4. Расчет производительности и мощности привода

экструдера

4.4.Экспериментальные исследования процессов экструдирования вязкопластичных материалов в пресс-валковых экструдерах с плоской и

цилиндрической матрицами

Выводы по главе

Глава 5. Теоретические, экспериментальные исследования и разработка агрегатов для вибро-центробежной агломерации полидисперсных материалов

5.1.Производственно-технологические обоснования создания специального оборудования и модулей для агломерации полидисперсных материалов

5.2. Разработка и исследования вибрационно-центробежных агрегатов для агломерации полидисперсных материалов

5.2.1.Разработка конструкции и принципа действия вибрационно-центробежного агрегата для агломерации полидисперсных

материалов

5.2.2.Разработка вибрационно-центробежного агрегата для дезагломерации волокнистых материалов и получения гранулированных фибронаполнителей

5.2.3.Кинематический расчет вибрационно-центробежного агрегата

5.2.4.Исследование процесса агломерации материалов при различных режимах работы агрегата

5.2.5.Расчет мощности привода вибрационно-центробежного агрегата

5.2.6.Экспериментальные исследования вибрационно-центробежных

агрегатов

Выводы по главе

Глава 6. Моделирование процессов компактирования полидисперсных материалов, их физико-механические характеристики и методики экспериментальных исследований

6.1.Разработка стендовых экспериментальных установок и моделирование технологических процессов

6.2. Анализ размерностей при моделировании процесса прессования

в пресс-валковом агрегате

6.3.Критериальный анализ математической модели процесса

прессования шихты

6.4.Физико-механические характеристики исследуемых материалов

6.5.Методики экспериментальных исследований

6.6.Регрессионный анализ процессов компактирования и обработка результатов исследований

Выводы по главе

Глава 7. Разработка и создание ресурсосберегающих технологических комплексов для компактирования полидисперсных материалов с низкой

насыпной плотностью

7.1.Технологический комплекс и пресс-валковый агрегат для брикетирования древесных порошкообразных отходов с нефтешламовым связующим

7.2. Технологический комплекс и пресс-валковые экструдеры для формования

органо-минеральных отходов

7.2.1.Технологический комплекс для производства гранулированных стабилизирующих добавок щебеночно-мастичного асфальтобетона

7.2.2. Технологический комплекс для производства пеллет из древесно-полимерных композиционных смесей

7.3. Технологические комплексы и модули для вибро-центробежной агломерации полидисперсных и волокнистых материалов

7.3.1. Технологический комплекс для агломерации теплоизоляционных

композиционных смесей

Выводы по главе

Глава 8. Опытно-промышленные испытания и внедрение научно-технических разработок в производство

8.1.Промышленные испытания пресс-валковых агрегатов для брикетирования порошкообразных материалов с низкой насыпной плотностью

8.2.Промышленные испытания пресс-валковых экструдеров с плоской и цилиндрической матрицами

8.3.Опытно-промышленные испытания вибрационно-центробежного

гранулятора для агломерации полидисперсных материалов

8.4.Технико-экономическая эффективность научно-технических и конструкторско-технологических разработок

Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Том

Приложение 1. Патенты на изобретения и полезные модели

Приложение 2. Результаты многофакторного планирования эксперимента

Приложение 3. Акты опытно-промышленных испытаний

Приложение 4. Результаты лабораторных испытаний

Приложение 5. Расчет технико-экономической эффективности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические основы, методология расчета и проектирования машин и агрегатов, технологических комплексов для компактирования полидисперсных материалов с низкой насыпной плотностью»

Введение

Актуальность работы. Реализуемая в нашей стране стратегия экологической безопасности направлена на рациональное использование возрастающих объемов промышленных полидисперсных материалов (ПМ), их комплексную переработку и развитие ресурсосберегающих технологий. Одним из эффективных способов интенсификации технологических процессов в химической и смежных отраслях промышленности является компактирование полидисперсных материалов (брикетирование, экструдирование, агломерация, прокатка, прессование и др.).

Особое место среди ПМ занимают полидисперсные материалы с низкой насыпной плотностью - ННП (пылеунос сушильных и обжиговых агрегатов, образующихся при термохимической переработке природного сырья; полимерные отходы химических производств; отходы волокнистой структуры - целлюлозно-бумажные, древесные, базальтовые отходы; поризованные полидисперсные отходы перлитового, вермикулитового, пеностекольного производств и др.), которые обладают специфическими особенностями: высокой дисперсностью и влагоемкостью, низкой сыпучестью и пластичностью, повышенной уплотняемостью и адгезионной способностью и др.

Все это вызывает технологические и технические сложности в реализации процессов компактирования данных ПМ, необходимость создания теоретических основ, методологии расчета и проектирования машин и технологических комплексов (ТК) для инновационных технологий с использованием вторичных материальных ресурсов.

Широкий диапазон физико-механических характеристик и физико-химических свойств указанных ПМ образуется при реализации термохимических или химических процессов. Это вызывает необходимость изучения общих и специфических закономерностей при компактировании химических отходов различными способами, разработки специального патентозащищенного оборудования. К последним относятся пресс-валковые агрегаты (ПВА), пресс-валковые экструдеры (ПВЭ) и вибро-центробежные агрегаты (ВЦА) для реализации, соответственно, процессов брикетирования, экструдирования и

агломерации (окатывания) полидисперсных отходов с низкой насыпной плотностью.

Активное развитие в химической промышленности инновационных технологий также сдерживается отсутствием современной техники компактирования и новых образцов оборудования, решения проблемы импортозамещения.

В связи с вышеуказанным проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований по созданию высокоэффективных агрегатов для компактирования ПМ ННП различными способами, разработка на их основе технологических комплексов является весьма актуальной задачей для дальнейшего развития химических производств страны, ресурсосбережения и решения проблемных задач экологии.

Диссертация выполнена в рамках государственного задания №9.11523.2018/11.12; гранта РФФИ № 14-41 08054, 2014 г.; программы «СТАРТ» по проекту № 20505, 2013 г.; г/б НИР (ЕЗН) проекта № 3-13/12, 2012-2014 гг.; НИР при реализации Программы стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 гг., договор № А-72 от 2012 г.; реализуемого проекта НОЦ «Инновационные решения в АПК» № 10089447 (2020-2022 гг.) научно-производственной платформы «Рациональное природопользование». Автор являлся руководителем НИР и соисполнителем по данным работам.

Объект исследования -машины, агрегаты и процессы, реализующие компактирование ПМННП.

Предмет исследования - методы, алгоритмы, модели и технологические процессы, характеризующие компактирование ПМ ННП способами брикетирования, экструдирования и агломерации, а также специальное оборудование, реализующее выпуск сформованной продукции.

Цель работы. Разработка теоретических основ, методологии расчета и проектирования ресурсосберегающих машин и технологических комплексов для производства компактированных материалов из полидисперсных материалов с низкой насыпной плотностью и различными физико-механическими характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.Провести теоретические и экспериментальные исследования по установлению закономерностей процессов уплотнения полидисперсных материалов с ННП, получить аналитические выражения для расчета усилий и работы прессования частиц и их структурно-деформационного взаимодействия. Изучить специфические особенности процессов компактирования ПМ ННП при различных способах упруго-пластического деформирования шихты и технических средствах для их реализации.

2.Разработать методологию расчета и проектирования машин и технологических комплексов для компактирования ПМ ННП способами брикетирования, экструдирования и агломерации.

3. Теоретически и экспериментально исследовать процессы подачи, предварительного уплотнения и деформирования компактируемых шихт в разработанных устройствах формующих агрегатов, получить аналитические выражения для описания технологических режимов их работы.

4.Разработать методики расчетов кинематических, конструктивно-технологических и энергосиловых параметров ПВА для брикетирования полидисперсных материалов, ПВЭ с плоской и цилиндрической матрицами и ВЦА для агломерации техногенных шихт.

5. Разработать патентозащищенные конструкции машин, их устройства для переработки и компактирования ПМ с низкой насыпной плотностью и различными физико-механическими характеристиками.

6.Разработать с использованием ПВА, ПВЭ и ВЦА ресурсосберегающие технологические комплексы и модули для переработки, компактирования ПМ ННП и производства инновационной продукции.

7.Провести опытно-промышленную апробацию выполненных научно-технических разработок, определить их технико-экономическую эффективность и перспективы дальнейшего развития в промышленности.

Методология и методы исследования заключаются в использовании комплексного подхода, основу которого составляют системный, критериальный анализ и анализ размерностей; теория подобия, математическое и физическое

моделирование; многофакторное планирование эксперимента, использование математической статистики, электронно-вычислительной техники и САПР; испытания стендовых, опытно-промышленных агрегатов и технологических комплексов.

Научная новизна.

Разработаны методологические основы расчета, принципы построения и проектирования новых конструкций машин пресс-валкового агрегата, пресс-валкового экструдера, вибро-центробежного агрегата и ресурсосберегающих технологических комплексов для компактирования полидисперсных материалов с низкой насыпной плотностью способами брикетирования, экструдирования и агломерации.

Получены новые расчетные зависимости для определения усилия и работы прессования шихт с различными физико-механическими характеристиками и учетом структурно-деформационного взаимодействия частиц.

Разработаны реологические модели упруго-пластического деформирования техногенных шихт, отличающиеся новым подходом к реализации технологических возможностей процессов компактирования материалов: целесообразности и последовательности отдельных стадий компактирования, удаления газообразной фазы формуемых шихт, регулирования пластических свойств полидисперсных материалов, равномерности распределения напряжений в прессуемых телах, создания условий для изменения характера и диапазона силового воздействия.

Получены регрессионные зависимости р,Л =/(Рпр, Сп.св, СВрк0ТХ, <^ср.взв.) для процесса прессования (Рпр=(5-К>5) МПа, Гпсв=(17(Н200)оС) композиционных смесей с древесно-полимерными и вермикулитовыми наполнителями в диапазоне характеристик: р0 = (150-200) кг/м3, Сихи=(25-45)%, СВРКотх=(0-32)%,

-5

¿4р.взв =(0,2^2,2)-10" м, подтверждающие новизну и адекватность разработанных физико-механических моделей, теоретически установленную необходимость постадийного прессования шихт, их предварительного уплотнения, а также релаксации напряжений при упруго-пластическом деформировании частиц.

Выявлены закономерности движения скоростного потока материала по ширине питающих и формующих устройств, теоретически установлен и экспериментально доказан параболический характер его распределения с максимальными значениями скоростей в центральной части.

Впервые получены аналитические зависимости для расчета кинематических, конструктивно-технологических и энергосиловых параметров патентозащищенных агрегатов для компактирования полидисперсных материалов с низкой насыпной плотностью различными способами.

Практическая значимость работы.

Созданы и внедрены основные узлы машин и агрегатов, перерабатывающих полидисперсные материалы с низкой насыпной плотностью, обеспечивающие получение компактированной продукции требуемого качества при высокой производительности и энерго-ресурсосбережении.

Разработаны конструкции пресс-валковых агрегатов (патенты РФ 2204486, 2473421, позволяющих увеличить период предварительного уплотнения шихты, следовательно, исключить запрессовку газообразной фазы в прессуемый материал, способствующей появлению трещин в прессуемых телах), обеспечивающие реализацию рационального способа возврата просыпи (облоя) в прессуемую шихту без использования дополнительных устройств.

Разработана конструкция пресс-валкового экструдера (патенты РФ 2207247, 2681091), обеспечивающая повышение плотности гранул и улучшение их качества, снижение габаритных размеров устройства, упрощение изготовления матрицы, состоящей из съемных элементов. Конструкция обеспечивает возможность термоэкструдирования композиционных смесей с органическим связующим и эксплуатациию агрегата при пониженных температурах за счет подогрева материала.

Разработана конструкция вибро-центробежного агрегата (патент РФ 2412753), обеспечивающая предварительную подготовку исходного материала за счет снабжения гранулятора устройством предподготовки, размещенным после приемного бункера, включающим два пресс-валка с профильной прессующей поверхностью. Конструкция позволяет обеспечить постадийную обработку

материала за счет снабжения гранулятора блоком формования, состоящим из трех цилиндрических барабанов, сообщенных между собой и жестко закрепленных на раме в вертикальной плоскости.

Созданы экспериментальные установки для определения рациональных технологических и конструктивных параметров машин, агрегатов и процесса производства компактированной продукции из порошкообразных материалов.

Разработана технологическая линия и способ экструдирования волокнистых материалов с различными физико-механическими характеристиками (патент РФ 2567519), включающий постадийное высокоскоростное смешение поликомпонентной шихты, предуплотнение и экструдирование с организацией рециклинга тепловых потоков, утилизации просыпи гранул.

Разработанные конструкции машин и агрегатов внедрены на следующих предприятиях: ООО «Газпром трансгаз Сургут» (патент РФ 2473421); ОАО «Белгородстройдеталь», Белгородский инновационный центр «ТРАНСФЕР» (патенты РФ 2473421, 2545252); ООО «ТК «ЭКОТРАНС» (патент РФ 2473421); ООО «Мостстройинвест», ООО «РЕЦИКЛ», ГУ УПРДОРиТ Белгородской области, ОАО «Орелдорстрой» (патенты РФ 135539, 2545252, 2567519); ООО «НПО Биотехнология» (патент РФ 135539).

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Алгоритм, методология расчета и проектирования ресурсосберегающих машин и технологических комплексов для компактирования ПМ, научно-технические решения их конструктивно-технологического совершенствования.

2.Результаты теоретических исследований и уравнения для определения усилия прессования уплотняемых шихт и структурно-деформационного взаимодействия частиц при их компактировании.

3.Аналитические выражения для расчета усилий прессования брикетов в ПВА различных конструкций, давления экструдирования деформируемой шихты в плоскоматричном ПВЭ и агрегате с цилиндрической матрицей, определения влияния кинематических параметров ВЦА на процесс агломерации материалов.

4.Методики расчетов кинематических, конструктивно-технологических и энергосиловых параметров ПВА с формующими элементами различного типа и

протяженной зоной уплотнения, ПВЭ с плоской и цилиндрической матрицами, ВЦА комбинированного действия для агломерации композиционных шихт.

5.Результаты регрессионного анализа и экспериментальных исследований процессов компактирования ПМ, установленных общих закономерностей исследуемых процессов для создания патентозащищенных образцов оборудования.

6.Научно-обоснованные принципы конструктивно-технологического совершенствования специального оборудования для переработки и компактирования ПМ с ННП и создания ресурсосберегающих технологических комплексов.

7.Патентозащищенные конструкции агрегатов и ТК для переработки и компактирования ПМ с различными физико-механическими характеристиками и физико-химическими свойствами.

8.Результаты опытно-промышленной апробации и промышленных испытаний разработанного оборудования и технологических комплексов для компактирования ПМ, их технико-экономическая эффективность.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 44 международных и всероссийских конференциях.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 61 научная статья, в том числе 24 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 17 в цитатно-аналитических базах \Уо8/8сори8; 1 монография, 4 учебных пособия. Получено 14 патентов РФ на изобретения и 4 патента РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из двух томов: введения, восьми глав и заключения, основных результатов и выводов, списка литературы и 5 приложений. Основной том работы включает 434 страницы, в том числе, 14 таблиц, 103 рисунка, список литературы из 345 наименований.

Глава 1. Анализ техники и технологий для комплексной переработки и утилизации полидисперсных материалов

1.1. Экологические проблемы комплексной переработки полидисперсных материалов и защиты окружающей среды от загрязнений

На современном этапе развития нашего общества, новых социально-экономических отношений, на высшем государственном уровне поставлена задача в течение 5-6 лет решить проблему комплексной переработки и утилизации твердых коммунальных отходов (ТКО). Для устранения данной, десятилетиями назревавшей проблемы, необходимо решить комплекс научно-технических и практических задач: обеспечение экологической безопасности и защиты окружающей среды от загрязнений при утилизации ТКО, разработка и принятие новой нормативно-правовой базы, формирование в обществе новых отношений к природообустройству и рациональному взаимоотношению в среде обитания; разработка и реализация на практике инновационных технологий и технологических комплексов по переработке и утилизации ТКО с учетом передового опыта промышленно развитых стран (Швеции, Финляндии, Германии, Италии, Японии и др. стран) [1-4]. В конечном итоге, в России должна быть создана новая отрасль промышленности по комплексной переработке ТКО и промышленных полидисперсных отходов (ПМ), созданию ресурсосберегающих технологий, с соответствующим развитием ее отдельных направлений: науки, образования (подготовки профессиональных кадров), научно-технического предпринимательства в сфере малого и среднего бизнеса, создания около 200 промышленных предприятий по переработке ТКО [1,5].

Эта важная государственная задача имеет самое прямое отношение к комплексной переработке ПМ, в том числе с низкой насыпной плотностью (ННП), созданию инновационных технологий и специального оборудования.

В реализации научно-технических и технологических задач по комплексной переработке ТКО и ПМ различных отраслей промышленности основополагающее значение принадлежит наиболее материалоемким индустриальным направлениям,

определяющим будущее экономического развития нашей страны: нефтехимии, стройиндустрии, теплоэнергетики, горнодобывающей и металлургической промышленности, агропромышленному комплексу и другим.

В настоящее время качественный состав ПМ значительно изменился: появилось много новых материалов и веществ с малоизученными или вовсе неизученными свойствами, что требует дополнительного их изучения. Некоторые материалы, которые легко подвергались переработке в небольших количествах, в процессе роста производства стали накапливаться в огромных объемах без последующей их утилизации. Возрастающая экологическая напряженность также подтверждает обоснованное беспокойство для сохранения безопасности жизнедеятельности человека.

Неудержимый рост индустриального производства коренным образом изменил характер отходов, позволив классифицировать их по отраслям промышленности, возможностям переработки, физико-механическим и физико-химическим характеристикам, агрегатному состоянию, степени токсичности и др.

Комплексная переработка сырьевых и полидисперсных отходов, а также создание безотходных производств - одно из важнейших направлений развития различных отраслей промышленности. Особенно она актуальна и востребована в таких крупномасштабных и материалоемких отраслях, как химическая, металлургическая промышленность, промышленность строительных материалов и др. [6-13].

В настоящее время в нарастающем объеме аккумулируются такие отходы как: целлюлозно-бумажная макулатура, пластмассовые и стеклянные упаковочные средства, резина, строительные отходы, осадки очистных сооружений, щелочи и металлы, нефтепродукты и др. [14-22].

Современный мир из недр Земли ежегодно извлекает до 100 млрд тонн руды, стройматериалов, топлива (4 млрд тонн нефти и газа, 2 млрд тонн угля), рассеивает до 92 млн тонн минеральных удобрений и 2 млн тонн ядохимикатов. В атмосферу выбрасывается более 200 млн тонн оксида углерода, 53 млн тонн оксидов азота, 50 млн тонн углеводородов, 146 млн тонн диоксида серы, 250 млн

тонн пыли. В водоемы сбрасывается ежегодно 32 млрд м неочищенных вод, а в мировой океан - до 10 млн тонн нефти. Порядка 7 млн га почвы каждый год становится непригодными для земледелия. В России до 50 млн га сельскохозяйственных земель засолены, заболочены или подтоплены грунтовыми водами. Многие изменения окружающей среды становятся необратимыми [23].

Особое внимание необходимо уделять скоплению вредных отходов, которые несут опасность для здоровья человека, в первую очередь, инфекционных, токсичных и радиоактивных. Сбор и ликвидация таких веществ регламентирована специальными санитарными правилами [24].

Несмотря на то, что ПМ представляют собой источник загрязнения окружающей среды, способствуя распространению опасных веществ, они содержат в своем составе ценные компоненты, которые можно использовать в качестве вторичных ресурсов.

Так, например использование одной тонны макулатуры позволяет сэкономить до 3,5 кубических метров древесины; вторичного полимерного сырья - до 70% первичного полимера; при изготовлении шин на 30% экономится количество синтетического каучука, а при переработке тонны вторичного текстиля - 0,7 тонны натуральных и синтетических волокон [25-29].

Невосполнимость природного нефтяного сырья диктует необходимость использования вторичных ресурсов с максимальной эффективностью, т.е. вместо гор мусора мы могли бы получить новую для нашего региона отрасль промышленности - коммерческую переработку отходов.

Особенно удобно и практично перерабатывать техногенное сырье, придавая ему компактную форму: прокат, брикеты, гранулы, пеллеты, таблетки, окатыши и др. [30-37].

Как было указано ранее, спектр отходов, нуждающихся в переработке, весьма различен: по форме, агрегатному состоянию, по физико-механическим и физико-химическим характеристикам и др. Для их утилизации должны быть задействованы различные технологические операции: дозирование компонентов, измельчение (диспергирование), аспирация технологических процессов,

смешение (гомогенизация), увлажнение смеси, компактирование продукции, сушка и др. Параллельное или последовательное использование этих операций позволяет решить проблему комплексно, используя при этом специальное оборудование, учитывающее физико-механические характеристики ПМ.

Таким образом, при решении комплексных задач переработки и утилизации ПМ с различными физико-механическими характеристиками и физико-химическими свойствами необходимо использовать специальную технику и технологии, обеспечивающие получение качественной продукции, удовлетворяющей требованиям ее дальнейшей переработки, экологическую безопасность и экономическую целесообразность.

При этом наиболее целесообразно использовать ресурсо-энергосберегающие технологические модули и комплексы [38, 39].

1.2. Существующие способы переработки и утилизации полидисперсных материалов и перспективы их развития для производства импортозамещающей продукции

Утилизация полидисперсных отходов возможна различными способами, в том числе с применением эффективной технологии компактирования, которая реализуется способами прессования, брикетирования, прокатки, продавливания, таблетирования, экструдирования, гранулирования и другими способами формования.

В условиях динамично развивающейся экономики малого и среднего бизнеса активное развитие получили отечественные малотоннажные производства, в том числе связанные с переработкой полидисперсных материалов в сформованные тела заданной геометрической формы и размеров. Для этого разработаны различные инновационные технологии с использованием широкой гаммы компактированных материалов.

Применение технологии компактирования позволяет получать агломераты необходимых размеров и формы с заданными физико-механическими

характеристиками и физико-химическими свойствами, что уменьшает их потери при транспортировке, хранении, распределении при дальнейшем использовании, переработке, а также улучшает технологические, экологические и экономические показатели их применения.

Известны разные объемные конфигурации сформованных тел, которые обладают различными физико-механическими характеристиками [40-42]. Выбор формы и размеров сформованных тел зачастую обусловлен конкретными условиями их применения и целевым назначением, а также техническими средствами для их получения.

Кроме традиционной формы утилизации ПМ с повторным их использованием (рециклингом) в основном производстве, наиболее целесообразна технология получения из ПМ различных видов инновационной продукции, энергии при реализации новых процессов. При этом к сформованным телам предъявляются дополнительные требования: по геометрическим размерам и форме, плотности и прочности, порозности слоя и теплопроводности, сыпучести, истираемости и другим характеристикам.

Анализ отечественных и зарубежных литературных источников свидетельствует о широком спектре инновационных технологий, в которых используются различные компактированные ПМ [43-57]:

— компактированные пылеуносы химических производств;

— гранулированные стабилизирующие добавки для щебеночно-мастичного асфальтобетона;

— компактированные материалы для автономных тепловых установок и теплогенераторов (пеллеты из отходов деревообрабатывающих производств или брикеты с нефтешламовыми или другими органическими связующими);

— компактированные фильтрующие адсорбенты для очистки жидких сред;

— компактированные органо-минеральные удобрения пролонгированного действия для парниковых и тепличных хозяйств;

— поризованные заполнители для производства материалов теплоизоляционно-конструкционного назначения (изготовление теплоизоляционных блоков, декоративных облицовочных изделий и др.) и огнестойких материалов и изделий;

— компактированные биологически-активные добавки (БАД) для производства кормосмесей;

— древесно-пропиленовые пеллеты для ускоренного пиролиза производств (высокоактивированного угля, технического воска, альтернативного газообразного и твердого топлива и др.);

— строительные смеси с микрогранулированными наполнителями (санация фасадов, декоративно-отделочные работы, теплоизоляционные штукатурки и др.); —экструдированные пеллеты из древесно-полимерных композиционных смесей для получения декоративных строительных изделий;

— компактированные отходы агропромышленного и пищевого комплексов (отходы птицеводческих и животноводческих хозяйств, жом сахарных производств и др.);

—термоизоляция высокотемпературного и криогенного оборудования, трубопроводов, дымоходов и др.;

—термоизоляция для засыпки и заливки (основания для засыпки и заливки полов, изоляция кровли и перекрытий, заливка стеновых панелей, заполнители пустот и

ДР-)-

Для выбора рационального способа компактирования промышленных отходов необходимо учитывать физико-механические характеристики и физико-химические свойства исходного сырья, его агрегатное состояние, технологические особенности, условия формования материала и нормативные требования потребителя.

Для ПМ, обладающих выраженными пластическими свойствами, используют способ экструдирования (давление формования Р=1,5-3 МПа) [58, 59]; для полидисперсных пылевидных материалов, обладающих повышенной сыпучестью и адгезионной способностью частиц - способ окатывания или микрогранулирования [60, 61]; для полусухого прессования или

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Севостьянов Максим Владимирович, 2020 год

- /

ГШ у ——

= ПП) -1— ггт

\

У

0 1 ^2 1 24 2 ' "б'б ( 70 72 7 4 ' 7

Рисунок 4.16 - Зависимости прочности (<тсж) и плотности (ргр) экструдируемых гранул от

величины влажности формуемых шихт Материалы -о- ППП, -Д- ПИП

Таким образом, достигаются максимальные значения предела прочности на сжатие сформованных гранул. Различные значения 1¥от объясняются различным водонасыщением исследуемых материалов, зависящего от пористости, дисперсности (гранулометрического состава, удельной поверхности), порозности зерен, а, следовательно, гидрофильностью самих шихт.

Максимальные значения прочности гранул, сформованных при Жош, составляют для 111111 асж =70 Н/гр, для ПИП асж =15 Н/гр и достигнуты после сушки. Прочностные характеристики гранул в свежесформованном состоянии составляют о~СЖ]^> 5-^10 Н/гр и обеспечивают необходимую транспортирующую способность сформованной продукции до ее сушки. После сушки гранулы способны выдерживать динамические нагрузки, которые возникают в период упаковки и транспортировки.

Существенное отличие в прочностных параметрах у полученных гранул 111111 объясняется использованием армирующего фибронаполнителя (тонкоизмельченных базальтовых волокон) и пластифицирующего связующего.

Низкие значения прочности для ПИП объясняются незначительной прочностью самих меловых зерен, разрыхленностью структуры гранул при гидратации СаОсв. Важным фактором также является отсутствие высокоэффективного связующего. Для устранения вышеуказанных условий целесообразно использовать более высокие давления прессования, например, полусухое прессование при Р= 20-К30 МПа. Повышению прочности гранул из ПИП способствует также предварительное гашение СаОсв, находящейся в термообработанном меловом материале.

Положение кривых на графике (рисунок 4.16) для 111111 и ПИП асж = f(W~) имеет явно выраженный параболический характер, а спад прочностных значений параметров при IVот отличается практически в два раза. При отклонении влажности на 5% (абс.) от оптимальных значений прочность <тсж гранул снижается на -10 единиц и составляет 5 Н/гр для ПИП и на 5 единиц для 111111 (65 Н/гр), соответственно.

При низкой и повышенной влажности шихт значения <тсж невелики. В первом случае - не обеспечиваются минимальные значения коэффициента внутреннего трения, а, следовательно, максимальной степени упаковки частиц и сил сцепления между ними. Во втором - повышенное влагосодержание шихты, наоборот, не обеспечивает наиболее плотную упаковку частиц в силу несжимаемости жидкой фазы.

Двукратное отличие в снижении прочностных характеристик гранул в высушенном состоянии объясняется тем, что для перлитсодержащей шихты с ее значительным пределом водонасыщения (до 200%) небольшое отклонение (до 5% абс.) от оптимальной влажности в ту или иную сторону влияет на прочность несущественно. 111111 характеризуется высокоразвитой пористостью и фиброармированной структурой, что обеспечивает более высокие значения прочности гранул.

У ПИП снижение прочности на 10 единиц объясняется большей чувствительностью материала к отсутствию оптимального количества влаги или

наоборот ее избытку, механизм влияния оптимальной влажности на прочность гранул был объяснен ранее.

Графические зависимости ргр = f(W), представленные в виде кривых на рисунке 4.16 для каждого из исследуемых материалов показывают, что увеличение исходной влажности шихты Ж влечет за собой соответствующий рост плотности сформованных гранул. При достижении оптимальной влажности шихты прирост плотности замедляется и кривые имеют более пологий характер. Это объясняется снижением воздушных пор между частицами в материалах и замещением воздушного пространства практически не сжимаемой жидкой фазой.

На качество экструдируемых гранул существенное значение оказывает зазор между рабочими органами ПВЭ: «вращающаяся цилиндрическая пресс-матрица - прессующие валки». Из графика (рисунок 4.17) видно, что при работе

-5

ПВЭ в диапазоне оптимального зазора 5=(0,5-К2)-10~ м полученные гранулы обладают лучшими физико-механическими характеристиками, а именно: максимальной плотностью и прочностью при оптимальной влажности шихты и заданной степени ее предварительного уплотнения. Этот диапазон на графике бтсж = /(5) представлен практически стабильными значениями прочности гранул

-5

для исследуемых шихт. При превышении значений зазора 6 >210" м прочность гранул заметно снижается. Это объясняется нагнетанием материала в коническую часть фильер, а, следовательно, снижением усилия экструдирования.

В разработанной конструкции ПВЭ для изменения зазора между вращающейся пресс-матрицей и валками, а также предотвращения поломки конструкции при перегрузках, прессующие валки установлены на эксцентрично установленных осях.

Рс

(7

<1Щ»

2550-г

2250--1950- -1650--1350- -

750- -600- -450--300- -150 - •

1009080 70605040 30 2010-

1_

.X

/ \

/

/ \ 1>

/ 1

•

_I • ^^

аеа

- • — !

шзор, д, *1(>,

(м)

1 1.5 2

Рисунок 4.17 - Зависимости прочности (<тсж) и плотности (ргр) экструдируемых гранул от конструктивно-технологических параметров ПВЭ и условий формования:

^сж /Т^Х Ргр /Т^упл.кон.) Материалы -о- ППП, -Д- ПИП

При проведении экспериментальных исследований нами использовались материалы с различной (низкой) исходной насыпной плотностью: исходная

3 3

насыпная плотность ПИП рисх=480 кг/м , увлажненного (И/=27%) рувл=420 кг/м ; для 111111 рисх=40^50 кг/м", увлажненного (Ж=70%) рувл=150 кг/м1, соответственно.

Представленные данные низкой насыпной плотности исследуемых материалов свидетельствуют о высоком содержании воздушной фазы в них, которая должна быть максимально удалена посредством предварительного уплотнения шихты в специальных устройствах. Для этого в ПВЭ используются: нагнетатель увлажненной массы в шнековый предуплотнитель в виде кривошипно-шатунного устройства, а также шнековый предуплотнитель с

уменьшающимся шагом шнека в сторону зоны экструдирования и сужающимся каналом экструдирования.

Для материалов ПИП и ППП, соответственно, значения коэффициентов предварительного уплотнения купл составляют купл1=3,19 и купл2=3,2. Повышенные значения купл обусловлены низкой насыпной плотностью шихт, как в высушенном, так и в увлажненном состояниях. В случае с ПИП, как было указано ранее, это обусловлено гидратацией оксида кальция (СаО), который содержится в пылеуносе известковых печей, что влечет увеличение объема нагревающейся массы. У 111111 низкая насыпная плотность перлитсодержащей шихты обусловлена высокой пористостью самих перлитовых зерен и волокнистых фибронаполнителей.

Графическая зависимость ргр —/Х^упл.кон.) на рисунке 4.17 подтверждает

-5

возможность значительного прироста плотности гранул ргр, кг/м при предварительном уплотнении шихт в шнековом предуплотнителе. При достижении коэффициента предварительного уплотнения куплК0Н = \ ,5-Н,75 (^упл — Ршн/Ро) значения плотности сформованных гранул стабилизируются.

Выводы по главе 4

1. Определены наиболее эффективные направления конструктивно-технологического совершенствования пресс-валковых экструдеров с цилиндрической и плоской матрицами.

2. Разработана патентозащищенная конструкция пресс-валкового экструдера с плоской матрицей и устройством для предварительного уплотнения шихты. Проведены расчеты кинематических и геометрических параметров устройства, установлены их взаимосвязи с основным агрегатом.

3. Проведены исследования кинематических параметров пресс-валкового экструдера, установлены основные закономерности процессов движения пресс-

валков по рабочей поверхности матрицы, что позволило разработать патентозащищенные конструкции разборных пресс-матриц (патенты РФ № 170904, 2681091, приложение 1) с повышенной эксплуатационной надежностью и долговечностью.

4.Установлено, что на интенсивность процесса уплотнения и деформации ПМ с низкой насыпной плотностью существенно влияют увеличение значений исходной насыпной массы в период экструдирования, а также скорости уплотнения и деформации материала. Получено аналитическое выражение для расчета максимального значения давления Ра, необходимого при экструдировании полидисперсных материалов через коническую и цилиндрическую части фильеры.

5. Проведен аналитический и численный расчет производительности и мощности привода пресс-валкового экструдера с плоской матрицей, оснащенного устройством для предварительного уплотнения шихты.

6. Разработаны на уровне изобретений многоцелевые грануляторы с цилиндрическими пресс-матрицами и специальный технологический модуль, обеспечивающий смешение малосыпучих ПМ (в т.ч. с фибронаполнителями) и их последующее экструдирование.

7. Получено уравнение для определения усилия уплотнения и деформации ПМ, находящихся в формуемом слое между рабочими поверхностями вращающейся цилиндрической пресс-матрицы и прессующими валками. Установлено, что усилия, воздействующие на пресс-матрицу через слой уплотняемого материала, возрастают при увеличении ширины пресс-валков - Вв, радиуса ЦМ - ДцМ, давления экструдирования слоя шихты - Рэкстр, а также величины деформации материала - Ядеф.

8. Получены аналитические выражения для расчета производительности и мощности привода пресс-валкового экструдера с цилиндрической пресс-матрицей.

9. Проведены экспериментальные исследования пресс-валковых экструдеров с плоской и цилиндрической матрицами:

-установлено, что волокнистые ПМ ННП (например, измельченные ИБО и

-5

композиционные смеси на их основе, р0<30(Н400 кг/м ) целесообразно экструдировать в пресс-валковом экструдере с плоской матрицей, но не с цилиндрической, в которой, в виду малой сыпучести материалов, а также недостаточной центробежной силы, не обеспечивается равномерное распределение шихты по внутренней поверхности вращающейся матрицы; -установлен рациональный состав композиционной смеси (измельченные ИБО с длиной волокон /=(2-КЗ)-10"3м; гофрокартон марки НС-5Б (8(Н85) %; связующее -битумная эмульсия с отработанным автомобильным маслом (15-К20) %, с обеспечением показателя стекания вяжущего - до 0,15%, позволяющей получать в ПВЭ с плоской матрицей гранулы размером £/х/=4,5х(10-^15)-10~3м и плотностью слоя рсл>(400-500) кг/м3 (ГОСТ 31015-2002);

-результаты расхождения экспериментальных данных и расчетов по разработанной методике не превышают 10^-15 %. При исходных данных: ¿/Цф=4,510"3 м, «в=1,8 с"1, ргр = 590 кг/м3, 2ф=700 шт, гъ=Ъ шт. - (}пъэ = 266,4 кг/ч; при А=0,25 м, Въ=0,1 м, Яср=0,15 м, ипр.в=90 мин1, Ьц.ф=4010"3 м, Яжстр.сл.=26,8-Ю5 Н/м2 , Ыпвэ = 12,8 кВт; Установлено, что:

-на значение потребляемой мощности ПВЭ (/V) влияет содержание битумной

-5

эмульсии Сэм~15% (ДМ ,6 кВт), при этом (?гр=6 кг/ч, рсл=400 кг/м . -оптимальное значение частоты вращения валков /7-200 мин"1 (ДМ ,6 кВт). При

-5

ЭТОМ <2гр=6 кг/ч, рсл=600 кг/м .

-максимальные значения исж достигаются при оптимальной влажности 1¥от. ПИП - бтсж=15 Н/гр, Ж0пт=27%; ППП - асж=70 Н/гр, Жош=70%.

-5

-зазор между рабочими органами ПВЭ 5=(0,5-К2)-10~ м позволяет достичь следующих значений физико-механических характеристик гранул (при IVтп и купп-1,7): ПИП - р=2100 кг/м3, бтсж=15 Н/гр; ППП - р=730 кг/м3, бтсж=68 Н/гр.

Глава 5. Теоретические, экспериментальные исследования и разработка агрегатов для вибро-центробежной агломерации полидисперсных

материалов

5.1. Производственно-технологические обоснования создания специального оборудования и модулей для агломерации полидисперсных

материалов

Специфика различных отраслей промышленности (химической, цементной, известковой, стекольной, агропромышленного комплекса и др.), связанных с большим объемом переработки минеральных и органических материалов (измельчением, сушкой, обжигом) предусматривает не только необходимость использования высокоэффективной системы аспирации, но и последующей утилизации уловленных полидисперсных материалов. При этом уловленный в аспирационной системе (циклонах, рукавных и электрических фильтрах) пылеунос может быть утилизирован как в основном производстве способом агломерации (окатывания в тела сферообразной формы) и последующего рициклинга, так и при использовании гранулята в смежных отраслях: в сельскохозяйственном производстве в виде органо-минеральных удобрений; в строительной индустрии при производстве сухих строительных смесей, цементно-песчаных или гипсосодержащих растворов; теплоизоляционных материалов и изделий с использованием поризованного микрогранулята и др.

В настоящее время на высшем государственном уровне остро поставлена проблемная задача комплексной переработки промышленных и коммунальных отходов неорганического и органического происхождения с целью не только обеспечения экологической безопасности в России, но и рационального использования огромных объемов вторичного сырья.

По оценкам специалистов научно-исследовательского центра по проблемам ресурсосбережения и отходам в настоящее время в стране

накопилось свыше 80 млрд. тонн различных отходов. Причем около 3 млрд. тонн прибавляется ежегодно промышленных и 40 млрд. тонн твердых коммунальных отходов, которые сегодня представляют экологическую угрозу для России. Ряд принятых на государственном уровне законодательных и управленческих решений [5, 244, 247, 290] подтверждают актуальность неотложного решения указанной проблемы. Это касается, в первую очередь, как минеральных так и органических техногенных материалов: золы ТЭЦ, фосфогипс - отходы химических производств; кремнеземсодержащие отходы, в т.ч. стеклобой, базальтовые отходы; полимерные отходы с различными физико-механическими характеристиками, отходы пластмасс, перлитового и вермикулитового производств с низкой насыпной плотностью и др.

Многие из указанных промышленных и коммунальных отходов целесообразно использовать после соответствующего измельчения и механоактивации только в агломерированном состоянии. К их числу можно отнести производство поризованного стеклогранулята (пеностекольных гранул) способом агломерации с последующей термообработкой гранул, композиционных смесей с теплоизоляционными заполнителями, например, из отходов перлитового, вермикулитового, базальтового производств и др.

Развитию теории и практики агломерации ПМ различных отраслей промышленности посвящен ряд фундаментальных работ [40, 56, 60, 102, 150, 246, 226]. Однако практика разработки и создания специального оборудования отстает от имеющихся теорий. Особое значение это имеет для указанных ПМ ННП, требующих больших скоростных параметров (в виду незначительных гирационных и центробежных сил при обработке), что затруднительно обеспечить в известных барабанных, тарельчатых, вибрационных и других грануляторах.

5.2. Разработка и исследования вибрационно-центробежных агрегатов для агломерации полидисперсных материалов

Анализ существующих теорий процесса агломерации полидисперсных материалов и механизма адгезионно-аутогезионного взаимодействия частиц [291-294] свидетельствуют о достаточно сложном процессе физико-механического и физико-химического взаимодействия отдельных компонентов композиционной смеси. Не менее сложной задачей является разработка самого технологического процесса агломерации ПМ с различными физико-механическими характеристиками (насыпной плотностью, дисперсностью, влагоемкостью, сыпучестью и др.), а также технических средств для его реализации.

Проведенные нами теоретические и экспериментальные исследования по изучению основных закономерностей процесса уплотнения и деформации порошкообразных систем, реализуемых при брикетировании и экструдировании ПМ [295-298], позволяют использовать разработанные принципы и при организации процесса агломерации полидисперсных смесей. Кроме того, незначительные геометрические размеры и сферическая форма гранулята, сформованного из полидисперсных материалов различной пластичности, также предопределяют ряд дополнительных технологических условий: наличие центров агломерирования, кинетическая постадийность процесса гранулирования с различным характером динамического воздействия и возможностью его варьирования в процессе агломерации, минимизации просыпи и некондиционного микрогранулята, обеспечение упрочненного поверхностного слоя полученных гранул и др.

С учетом вышеуказанных условий, а также проведенных нами теоретических и экспериментальных исследований определены основополагающие принципы процесса агломерации ПМ с различными физико-механическими характеристиками:

— обеспечение гомогенной и равномерно увлажненной композиционной

смеси;

— использование предварительно уплотненного одноразмерного микрогранулята (центров агломерации) или отсева ранее сформованных материалов;

— классификация исходного гранулята и организация его внутреннего рециклинга;

— использование вибро-центробежной агломерации материала с возможностью изменения характера динамического воздействия на каждой стадии;

— постадийное гранулообразование материала с реализацией водопадного, водопадно-каскадного или каскадного воздействия на агломерируемый материал в одном агрегате;

— повышение степени свободы формуемых гранул на последней стадии с целью придания им сферической формы и упрочнения поверхностного слоя;

— обеспечение возможности совмещения различных операций (процессов) в одном агрегате: ввода связующих, дополнительных компонентов, например, фибронаполнителей, в процессе агломерации; смешение композиционной смеси гранулята; термо-парообработка материала в процессе гранулообразования, классификации готового продукта и др.

5.2.1. Разработка конструкции и принципа действия вибрационно-центробежного агрегата для агломерации полидисперсных материалов

Для реализации вышеуказанных технологических операций постадийной агломерации ПМ в одном агрегате нами разработан специальный вибрационно-центробежный агрегат (ВЦА) для комплексной переработки полидисперсных материалов [219] (рисунок 5.1, приложение 1).

Рисунок 5.1 - Схема вибрационно-центробежного агрегата для агломерации

полидисперсных материалов

1-загрузочный бункер; 2-валковые пневмо-упругие формующие элементы микрогранулята (ВП-УФЭ); 3-привод ВП-УФЭ; 4-камера классификации; 5-вибролотковое классифицирующее устройство; 6-соединительные патрубки; 7-верхняя камера агломерации; 8-усеченные конусы; 9-центральный гофрированный патрубок; 10-нижняя камера агломерации; 11-усеченные конусы; 12-торообразные камеры; 13-разгрузочные устройства; 14-подвижная рама; 15-эксцентриковый вал; 16-ползуны; 17-направляющие; 18-противовесы; 19-электродвигатель главного привода; 20-клиноременная передача; 21-промежуточный вал; 22-зубчатые пары.

Разработанный вибрационно-центробежный агрегат работает следующим образом. Исходная гомогенная и увлажненная композиционная смесь поступает в загрузочный бункер 1. Из бункера материал подается в валковое устройство 2 с приводом 3 для предварительного уплотнения шихты. Конструктивное исполнение устройства может быть различным: в виде уплотняющих валков с профилированной металлической поверхностью, установленных как горизонтально, так и под углом к друг другу; в виде валковых упругих или пневмо-упругих формующих элементов (ВП-УФЭ) или

других уплотняющих устройств: виброуплотняющих, вакуумирующих и др. Нами предлагается использовать в устройстве для предварительного уплотнения шихты устройство с пневмо-упругими формующими элементами. Использование валкового устройства с пневмо-упругой формующей поверхностью имеет ряд преимуществ по сравнению с другими указанными: обеспечивает достаточно высокую производительность, равномерное удаление воздушной фазы из материала, необходимую степень уплотнения шихты и размеры микрогранулята; создает условия для выдержки шихты под давлением ( при сближении валков) и предохранения механизма от поломок при попадании в шихту посторонних включений возможность изменения усилия со стороны валков за счет создания различного давления в их внутренней полости и др. В случае когда ВЦА входит в виде отдельного технологического модуля для агломерации отходов производства в основной технологический комплекс, предназначенный для производства компактированных материалов: брикетов, экструдированных гранул, спрессованных пластин и др., то в данном случае предварительное уплотнение в ВП-УФЭ необязательно. В качестве центров агломерации может быть использована отклассифицированная крупка - уплотненные зародыши.

Полученный микрогранулят (зародыши) поступает в верхний корпус 4, осуществляющий возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости. Внутри корпуса 4 установлены вибролотковое классифицирующее устройство 5, обеспечивающее перемещение основного микрогранулята к выгрузочным торцам барабана. Просыпь мелких частиц микрогранулята выводится из барабана для дальнейшего возврата в устройство предуплотнения шихты.

Отклассифицированный микрогранулят через соединительные патрубки поступает в верхнюю камеру агломерации 7, движущуюся по эллиптической траектории и обеспечивающую водопадно-каскадный режим микрогранулирования.

Установленные внутри камеры усеченные конусы 8 расположены большими

основаниями в сторону выгрузки (от периферии к центру), что улучшает условия окатывания гранул и их перемещение вдоль осевой линии.

Через центральный гофрированный патрубок 9 сформованный микрогранулят попадает в нижнюю камеру агломерации 10, осуществляющую движение по круговой траектории. Для обеспечения направленного движения материала от центра к краям в барабане также установлены усеченные конусы 11, расположенные большими основаниями в сторону выгрузки.

Для обеспечения сформованным гранулам сферической формы и упрочнения их поверхностного слоя используются тороидальные камеры 12, которые закреплены по краям барабана 10. В тороидальных камерах микрогранулят осуществляет сложно-пространственное движение.

Выгрузка готового продукта - микрогранулята осуществляется с помощью разгрузочных устройств 13.

Таким образом, в разработанном вибрационно-центробежном агрегате, обеспечиваются последовательно следующие технологические операции: предуплотнение и образование микрозародышей (ВП-УФЭ); классификация микрогранулята; водопадно-каскадное уплотнение и формование микрогранул (верхняя камера агломерации); гранулообразование готовой продукции -окатанных гранул (нижняя камера агломерации) и сферообразование, уплотнение поверхностного слоя гранул (торообразные камеры).

Движение рабочих камер агрегата по заданной траектории: корпуса классификатора - возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости; верхней камеры агломерации - по эллиптической траектории; нижней камеры агломерации с торообразными камерами по краям - по круговой траектории обеспечивается за счет колебательных движений подвижной рамы 14, выполняющей роль шатуна, на которой жестко закреплены камера классификации 4, верхняя и нижняя камеры агломерации 7 и 10. Рама 14 соединена с

-5

эксцентриковым валом 15 (е=(5-К20)х10~; /7=300-500 об/мин) в нижней части. В верхней части, рычажный механизм, выключающий ползун 16, движущийся по вертикальным направляющим 17, обеспечивает возвратно- поступательное

движение рамы в вертикальной плоскости. Для уравновешивания кривошипно-ползунного механизма на эксцентриковом валу установлены противовесы 18.

Вышеуказанные движения рабочих органов- барабанов агрегата осуществляются от привода, включающего электродвигатель 19, клиноременную передачу 20, промежуточный вал 21 для равномерного распределения крутящего момента на эксцентриковый вал 15 через зубчатые пары 22.

Ведомый шкив клиноременной передачи выполняет также роль маховика, стабилизирующего работу кривошипно-ползунного механизма. Уравновешивание рабочей системы осуществляется с помощью противовесов 18-контргрузов.

5.2.2. Разработка вибрационно-центробежного агрегата для дезагломерации волокнистых материалов и получения гранулированных

фибронаполнителей

Одним из перспективных направлений комплексного использования волокнистых материалов (ЦБО, базальтовых отходов, отходов вермикулитового производства и др.) является получение из них фибронаполнителей, в т.ч. в гранулированном состоянии. При этом возникает потребность создания агрегата комбинированного действия, в котором возможно было бы реализовать постадийно различные технологические операции: дезагломерацию волокнистых материалов, их последующее измельчение и окончательно - гранулирование микрофибронаполнителей. Последние используются для получения микрофибрированных композиционных смесей, изготовления из них различных строительных материалов и изделий повышенной прочности и трещиностойкости. Предлагаемый способ направлен на расширение спектра использования волокнистых материалов с различными физико-механическими

характеристиками и структурой, на получение фибронанолнителей или композиционных гетерогенных смесей заданного фракционного и гранулометрического состава в порошкообразном или гранулированном состоянии [261].

Данный способ обладает следующими возможностями и преимуществами:

1. Использование широкого спектра волокнистых материалов с различными физико-механическими характеристиками.

2. Возможность введения в непрерывный технологический процесс диспергирования волокнистых материалов и других компонентов композиционной смеси: кремнезема, вяжущих веществ - цемента, гипса, пластификаторов и др. с целью их механоактивации и повышения реакционной способности.

3. Обеспечение постадийного комплексного вибро-динамического и виброцентробежного воздействия на волокнистые материалы, а так же на компоненты композиционной смеси.

4. Возможность варьирования механо-технологических режимов диспергирования волокнистых материалов в зависимости от их свойств (изменения характера и величины динамического воздействия на материал: ударного, раздавливающего, срезывающего, изгибающего, истирающего; скоростных параметров и др.).

5. Возможность получения фибронаполнителей различных размеров, а

л

также (размеров от /=(5-И0)х1(Г'м до 10-И5 мкм и меньше), высокоразвитой удельной поверхности волокнистых материалов и компонентов композиционной смеси, ее варьирования в широком диапазоне (Я > (3 -г- 6)хЮ см7г).

6. Совмещение различных технологических процессов в одном агрегате на различных стадиях: на первой - дезагломерация волокнистых материалов, на второй - тонкое или сверхтонкое диспергирование с одновременной гомогенизацией (смешением) гетерогенной

композиционной смеси, на третьей (по второй схеме) - компактирование (микрогранулирование) измельченных фибронаполнителей или композиционной смеси с целью получения высококонцентрированных микрофибронаполнителей, микрогранулята) для их использования в различных инновационных технологиях, в т.ч. ЗО-технологиях.

7. Обеспечение возможности реализации на последней стадии (в двух камерах) не только приготовления композиционной смеси, но и температурной (тепловлажностной) обработки материала. Наиболее перспективным направлением использования микрофибронаполнителей является производство архитектурно-строительных изделий с использованием строительных ЗО-технологий.

С учетом вышеуказанного нами разработан способ и устройство для дезагломерации волокнистых материалов и получения гранулированных фибронаполнителей [261], (рисунок 5.2 - 5.4, приложение 1).

волокнистых материалов и их диспергирования:

1 — станина; 2 — направляющие; 3 — ползуны; 4 — опорные стойки; 5 — эксцентриковый вал; 6 — противовесы; 7 — рама; 8 — призматическая камера дезагломерации: 9 — гофрированные патрубки; 10 — цилиндрическая камера диспергирования; 11,12 — загрузочное и выгрузочные

отверстия; 13,14,15 — гирляидиые цепные завесы; 16 — пружинные амортизаторы; 17 — оси; 18 — прорезиненные валики; 19 — виброустройства; 20,21 — цилиндрические камеры помола; 22,23 — перегородки; 24,25 — загрузочные отверстия; 26,27 — спиралевидные устройства; 28,29 — выгрузочные решетки; 30 — ленточный конвейер; 31 — приемный бункер.

Способ позволяет реализовать различные его технологические возможности: постадийную дезагломерацию и диспергирование волокнистых материалов с различными физико-механическими характеристиками (блоки А и В, рисунок 5.2, рисунок 5.4) с получением фибронаполнителей различной гранулометрии и дисперсности, а также - дезагломерацию, диспергирование волокнистых отходов и микрогранулирование измельченных фибронаполнителей (блоки А, В и С, рисунок 5.3 б; рисунок 5.4) с получением высококонцентрированных микрофибронаполнителей (микрогранулята).

а) б)

1

: ; : : : ; ; ; : : : ®

Ш /1 1 ц

у* /V )\ 1 ж \ 1

/ 1

ш

Рисунок 5.3 - Кинематические схемы кривошипно-ползунного механизма в двух

исполнениях:

а - с двумя блоками: дезагломерации и диспергирования ТВМ; б - с тремя блоками: дезагломерации, диспергирования и микрогранулирования

Это достигается за счет реализации в вибро-центробежном агрегате на первой стадии (блок А, рисунок 5.2; рисунок 5.3 а, б; рисунок 5.4) сложно-пространственного воздействия последовательно установленных в вертикальной плоскости призматической камеры 8 отдельных звеньев гирляндной цепной завесы, осуществляющих дезагломерацию волокнистых отходов.

и/

Рисунок 5.4 - Общий вид вибрационно-центробежного агрегата для дезагломерации, диспергирования и микрогранулирования волокнистых материалов:

1 — станина; 2 — направляющие; 3 — ползуны; 4 — опорные стойки; 5 — эксцентриковый вал; 6 — противовесы; 7 — рама; 8 — призматическая камера дезагломерации: 9 — гофрированные патрубки; 10 — цилиндрическая камера диспергирования; 11,12 — загрузочное и выгрузочные отверстия; 13,14,15 — гирляндные цепные завесы; 16 — пружинные амортизаторы; 17 — оси; 18 — прорезиненные валики; 19 — виброустройства; 20,21 — цилиндрические камеры помола; 22,23 — перегородки; 24,25 — загрузочные отверстия; 26,27 — спиралевидные устройства; 28,29 — выгрузочные решетки; 30 — цилиндрическая камера микрогранулирования; 31,32 — загрузочное и выгрузочные отверстия; 33 — прорезиненные вставки (усеченные конуса); 34 — ленточный конвейер; 35 — приемный бункер

На второй и третьей стадии (блок В - рисунок 5.2; рисунок 5.3 а, б; рисунок 5.4) - получение в цилиндрических помольных камерах 10, осуществляющих ударно-истирающее (рисунок 5.4) или интенсивное истирающее (рисунок 5.2) динамическое воздействие на дезагломерированный в верхней камере волокнистых материалов, фибронаполнителей различной гранулометрии и дисперсности. Кроме того, способ предусматривает возможность введения в помольные камеры в сухом состоянии других компонентов (кремнеземистых материалов - наполнителей; вяжущих материалов - цемента, пластифицирующих добавок, красителей и др.) с целью их последующей механоактивации (повышения прочностных характеристик, изготавливаемых с фибронаполнителями в дальнейшем) изделий и обеспечения пластических свойств композиционных смесей.

Предлагаемый способ позволяет также получать

высококонцентрированные микрофибронаполнители, (рисунок 5.3 б; рисунок 5.4). При этом, получение микрофибронаполнителей осуществляется при ударно-истирающем воздействии мелющей загрузки в помольной камере 10, а микрогранулята - в цилиндрической камере 30 при введении в нее в распыленном или парообразном состоянии связующего. При этом камера с центром А осуществляет движение по круговой траектории (показано пунктиром, рисунок 5.3 б) с радиусом II в где е - эксцентриситет эксцентрикового вала, гк - радиус камеры микрогранулирования, вокруг центральной точки Оь При введении в камеру суперпластификаторов полученная композиционная смесь обладает повышенными пластическими свойствами и может быть использована в сыпучем или микрогранулированном состоянии для изготовления архитектурно-строительных изделий в 30-технологиях.

При использовании увлажненных волокнистых материалов (например, базальтовых отходов) для снижения влажности материала и повышения пропускной способности камеры дезагломерации (верхней камеры) в

последнюю через гофрированный кожух загрузочного патрубка подается под давлением теплоноситель.

Устройство для дезагломерации волокнистых материалов и получения фибронаполнителей состоит (рисунок 5.2) из станины 1, содержащей вертикальные цилиндрические направляющие 2 с ползунами 3 и опорные стойки 4, в подшипниках которых установлены эксцентриковый вал 5 с противовесами 6. Эксцентриковый вал соединен по краям посредством шарнирных кронштейнов с жесткой рамой 7, верхняя часть которой также соединена шарнирно с помощью кронштейнов с ползунами. На раме закреплена в верхней части призматическая камера дезагломерации волокнистых отходов 8, соединенная гофрированными патрубками 9 с цилиндрической камерой диспергирования 10, установленной в нижней части рамы (рисунок 5.2).

Указанные элементы: эксцентриковый вал (кривошип), рама (шатун) и ползуны образуют кинематическую схему кривошипно-ползунного механизма, обеспечивающего различные траектории движения технологических блоков А и Б, закрепленных жестко на раме: блок А - призматической камеры 8 дезагломерации волокнистых отходов и блок В - цилиндрической камеры диспергирования (измельчения) дезагломерированного материала.

В призматической камере 8 (рисунок 5.2; рисунок 5.4) дезагломерации (блок А) вдоль ее большей стороны с загрузочным в центре и выгрузочными 12 отверстиями по краям закреплены гирляндные цепные завесы 13, 14, 15. Верхние 13 и средние 14 завесы закреплены по краям с помощью пружинных амортизаторов 16, а нижние - жестко на осях 17. Кроме того, верхние гирляндные завесы в центральной части подпружинены с помощью прорезиненных валиков 18 (рисунок 5.2 а; рисунок 5.4) с возможностью воздействия на них через штоки виброустройств 19. Блок измельчения В (рисунок 5.2) состоит из двух сопряженных в центре цилиндрических камер помола 20, 21, ограниченных со стороны загрузки перегородками 22, 23 с загрузочными отверстиями по центру 24, 25 и питающими спиралевидными

устройствами 26, 27, (рисунок 5.2 а), со стороны выгрузки - выгрузочными решетками 28, 29.

Для реализации различных технологических задач согласно кинематическим схемам (рисунок 5.3 а, б) вибро - центробежный агрегат может содержать два: А - В (рисунок 5.3 а) или три: А - В - С (рисунок 5.3 б) блока.

Кинематическая схема кривошипно-ползунного механизма предопределяет сложное движение рамы (рисунок 5.3 а, б): в верхней части (камера дезагломерации - А) - возвратно-поступательное движение ползунов 3 в направляющих; в средней части (камера диспергирования - В) - движение по эллипсоидной траектории; в нижней части (камера диспергирования - В или микрогранулирования - С) - движение по круговой траектории с центром, смещенным от оси эксцентрикового вала на величину его эксцентриситета «е». Выбор схемы установки блоков А-В-С - дезагломерация волокнистых материалов (А), диспергирование фибронаполнителя (В) и микрогранулирование фибронаполнителя или композиционной смеси (С). Соответственно, в зависимости от оси места установки блоков (А, В, С) на раме выполняется определенная технологическая задача.

Для получение высококонцентрированных микро-фибронаполнителей в агрегате используется камера микрогранулирования 30 (рисунок 5.4), закрепленная в нижней части рамы и описывающая круговую траекторию движения с центром А, (В), рисунок 5.3 б, смещенным на величину эксцентриситета «е» от горизонтальной оси эксцентрикового вала 5. Камера 30 (рисунок 5.4) имеет загрузочное 31 (по центру) и выгрузочные 32 (по краям) отверстия. Внутри камеры по ее периметру установлены прорезиненные вставки (усеченные конуса) 33, направленные большими основаниями от центра в сторону выгрузки. Загрузка исходных волокнистых материалов осуществляется ленточным конвейером 34 в приемный бункер 35.

Вибрационно-центробежный агрегат работает следующим образом.

Волокнистые материалы, очищенные от посторонних предметов и металлических включений по ленточному конвейеру 30, рисунок 5.2 (рисунок 5.4, поз. 34) загружаются в приемный бункер (поз. 31, рисунок 5.2; поз. 35, рисунок 5.4), из которого через загрузочное отверстие патрубка 11 поступают в призматическую камеру 8, закрепленную жестко в верхней части рамы 7 - блок А. Камера, соединенная с ползунами 3, осуществляет возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости. Ход и частота колебаний ползунов (камеры), определяется двойным значением эксцентриситета эксцентрикового вала 5 и частотой вращения последнего, соответственно.

При указанных движениях камеры, закрепленные внутри цепные завесы

13, 14, 15 осуществляют сложно-пространственные перемещения в вертикальной плоскости с интенсивным динамическим воздействием (раздавливанием, срезом, изгибом, истиранием, смятием и др.) составляющих их элементов - звеньев, обеспечивая при этом интенсивную дезагломерацию волокнистых материалов. Дезагломерируемый материал поступает в зону, ограниченную верхней гирляндной завесой 13, закрепленной по краям с помощью пружинных амортизаторов, и средней, наиболее подвижной завесой

14, также подпружиненной амортизаторами 16 в центральной части и по краям. Верхние гирляндные завесы 13 оказывают сопротивления за счет прижимаемых их прорезиненных валиков 18, на которые посредством штоков возможно осуществление вибровоздействия с помощью вибрационных устройств 19 (в случае использования наиболее уплотненных волокнистых отходов).

Волокнистые материалы, интенсивно дезагломерируясь через гирляндные завесы 14 и 15, выгружаются в виде отдельных подвижных конгломератов через выгрузочные отверстия 12 (рисунок 5.2; рисунок 5.4) в цилиндрический блок диспергирования В, состоящий из двух цилиндрических камер 20, 21 с мелкими мелющими телами (/)=(5-^10)ХЮ~3м). Дезагломерированный материал из камеры 8 в камеру измельчения загружается с помощью загрузочных спиралевидных устройств 26 (рисунок 5.2).

При расположении блока диспергирования в нижней части рамы (рисунок 5.2) камеры измельчения с центром А (рисунок 5.3 а) осуществляют круговые движения с центром смещения относительно горизонтальной оси эксцентрикового вала 5 (точка Oi), на величину, равную величине

-5

эксцентриситета (е=(5-КЗО) Х10" м). При этом осуществляется интенсивное истирающее воздействие мелющей загрузки на диспергируемые волокнистые отходы. В камерах измельчения возможно также приготовление механоактивированных композиционных смесей с фибронаполнителями при соответствующем введении в зоны помола дополнительных компонентов (кремнезема, вяжущих, пластифицирующих добавок, пигментирующих веществ и др.). В вышеуказанном технологическом процессе реализуется кинематическая схема (рисунок 5.3 а) с двумя блоками А и В. Вращение эксцентрикового вала 5 осуществляется от электродвигателя, через клиноременную передачу, зубчатую синхронизирующую пару и промежуточный вал, передающий крутящий момент с двух сторон на эксцентриковый вал (рисунок 5.1).

Для получения высококонцентрированных микрофибронаполнителей, используется кинематическая схема (рисунок 5.3) с тремя блоками А-В-С. В этом случае блок диспергирования волокнистых материалов (блок В) расположен в центральной части рамы (рисунок 5.4). Движение камеры измельчения фибронаполнителей осуществляется по эллипсоидной траектории.

При этом в цилиндрических камерах измельчения 20, 21 (рисунок 5.3; рисунок 5.4) реализуется интенсивное ударно-истирающее воздействие мелющей загрузки на волокнистые материалы, что приводит к получению микроволокон фибронаполнителя различной дисперсности. По данной технологической схеме получения микрофибронаполнителей камера микрогранулирования 30 устанавливается в нижней части рамы 7, что обеспечивает движение камеры по круговой траектории и способствует интенсивному гранулообразованию при соответствующем введению в камеру связующих веществ.

Высококонцентрированные микрофибронаполнители в гранулируемом состоянии являются высокоэффективным компонентом при его равномерном распределении (растворении) в композиционной смеси при получении различной инновационной продукции с заданными физико-механическими характеристиками (прочностью, плотностью, термостойкостью, теплопроводностью и другими показателями), в том числе при производстве архитектурно-строительных изделий с использованием 3D-технологий.

Данное изобретение [261] обеспечивает расширение технологических возможностей переработки волокнистых материалов с различными физико-механическими характеристиками, получения из них фибронаполнителей различной дисперсности и физического состояния -высококонцентрированного гранулята, а также содержит различные варианты технического исполнения технологических операций.

5.2.3. Кинематический расчет вибрационно-центробежного агрегата

Рассмотрим кинематику движения рабочих камер ВЦА (рисунок 5.5.). Учитывая, что первая (верхняя) камера агрегата осуществляет возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости, то ее технологическое назначение (классификация предварительно сформованных микрогранул -центров гранулообразования, дезагломерация волокнистых материалов и др.) определяется, в первую очередь, характером движения кинематического звена.

В разработанном кривошипно-ползунном механизме ВЦА центры кинематического звена 0г03 (соответственно 0х0з) описывают различные траектории: центр 0Х ползуна - возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости (по оси 07); центр 02 (02) шатуна - движение по эллиптической траектории; центр 03 (03) - по круговой траектории с радиусом R = е + гк,

где е - эксцентриситет эксцентрикового вала (радиус кривошипа 003, ОО3);

гк - радиус камеры гранулирования.

При проведении кинематического расчета ВЦА важными параметрами являются аналоги скорости и ускорения центров 01; 02 и 03 технологических блоков А, В и С (рисунок 5.5), осуществляющих различные траектории движения.

Рисунок 5.5. - Кинематическая схема кривошипно-ползунного механизма вибрационно-

центробежного агрегата

Для центров 01; 02 и 03 аналоги скоростей равны, соответственно Координаты точек центров 02 и 03 в плоскости X - Y равны

X0z = е cosa0s + L0z0z ■ cos(a0s + а0J; Y0z = е sina0s + L0z0z ■ sin(a0s + а0J;

Х0з = е cosa0s; У0з = е sina0r (5.2)

При этом между углами а0з и a0z существует взаимосвязь

a0l = - aresin е ■ cosa03/ L0s0l;

a0z = 2,5л - (a0z + a0J; (5.3)

= 2,5 - (a0z + a0J.

a0s = ¿,b - \ a0z + а В выражениях (5.2) и (5.3) значения: Ь0зо2, ^о3о1 ~ соответственно, длины участков шатуна 0г03, определяющие расположение блоков А, В и С.

Тогда с учетом зависимостей (5.2) и (5.3) аналоги скоростей (5.1) можно представить в виде

г \ ( da0Л

= е cosao3 + ¿о^з cos(a03 + а0г) + ——j ;

( da0

2 _(а0з + а02)^1+ —

Vo2(tti) = - е Sina03 - L0l02 ■ sin(a

Vo2(ai) = e cosa03 + l0i02 cos(а0з + а0г) +

da

о?

da0з

Уо3(.ад = ~е 5ша0з; Ро3(^) = е соБа0з. (5.4)

где -- - аналог угловой скорости шатуна С^Оз.

йОСд^

Аналог результирующей скорости центра 03 равен

УоМд = ^ [<(«;)]2+ [<(«;)]2 (5-5)

Аналоги ускорений центров 01; 02 и 03 соответственно, равны

2

. ч d ¥Ог . т . г \ Л da02\

a0l(ai) = = ~е sinao3 - Loto3 ■ sin(а0з + a0J + ——j +

'3

12

d (Xq , ^

cos(ao3 + ао2У>

d2X0 / da0 \2

a°^ai) = ~daf = ~G C°Sa°3 ~ L°2 C0S^°3 + a°2J у1 + d^)

-I,

д?а0г

'2

5т(а0з +а02);

¿2У0 (

а>о2(.ад = = ~е 5ша0з - 102 ■ 5т(а0з + а02) I 1 +

О з \

с12а0

+Ь02^2-^С05(а0з+а02)>

ао3 (ад = =-е С05«0з; а£з («¿) = ^^ = - е 51па0з. (5.6)

а2ао2 г, г,

где —^ - аналог углового ускорения шатуна 03.

Аналог результирующего ускорения центра 03

2

[<*>о3(.ад] + [аЪ3(ад] (5-7)

Полученные нами аналитические выражения позволяют не только определить кинематические параметры (аналоги скоростей, ускорений и их результирующих) кривошипно-ползунного механизма ВЦА в различных точках исполнительного органа - подвижной рамы и установленных на ней рабочих камер, но и траекторию их движения, определяющую характер динамического воздействия на агломерируемый материал.

Конструкция ВЦА позволяет изменять режим динамического воздействия на агломерируемый материал: во второй камере (с центром 02) - водопадно-каскадный, в третьей камере (с центром 03) - каскадный. При перемещении второй камеры вдоль оси 0г03 в сторону третьей камеры усиливается каскадное воздействие на материал и, наоборот - в сторону камеры классификации (с центром 0Х) - водопадное воздействие. С учетом реальных пластических свойств агломерируемых материалов выбирается тот или иной характер динамического воздействия на материал.

5.2.4. Исследование процесса агломерации материалов при различных

режимах работы агрегата

Конструктивно-технологические особенности разработанных нами вибрационно-центробежных агрегатов [219, 261] (приложение 1) позволяют создавать различные режимы их работы. Это определяется рядом факторов: физико-механическими характеристиками агломерируемого материала (исходной крупностью, коэффициентами внутреннего и внешнего трения, значениями углов статического и динамического откоса (сыпучестью), коэффициентом заполнения камер агломерации и др.; геометрическими параметрами камер и их расположением относительно оси эксцентрикового вала и друг друга по линии 0\0ъ (рисунок 5.5), скоростными параметрами и траекториями движения камер агломерации и другими параметрами.

Вышеуказанные параметры определяют процесс агломерации материала, а также качество готовой продукции гранулята.

Как было указано ранее, в верхней камере агломерации 7 (рисунок 5.1), движущейся по эллипсоидной траектории, реализуется водопадно-каскадный режим агломерации материала. Причем при смещении камеры вверх (к камере классификатора 4), при постоянной частоте вращения эксцентрикового вала 15, усиливается водопадное воздействие, необходимое для упрочнения микрогранулята. При перемещении камеры 7 вниз (в сторону нижней камеры агломерации 10) возрастает каскадное воздействие на материал.

В нижней камере агломерации 10, движущейся по круговой траектории, реализуется окатывающее (каскадное) воздействие на материал.

Учитывая, что основополагающий процесс окатывания материала реализуется в нижней камере агломерации (рисунки 5.1, 5.4), рассмотрим процесс формования гранул в ней при различных технологических режимах работы агрегата (рисунок 5.6-5.9).

В зависимости от частоты вращения эксцентрикового вала 15 (рисунок 5.1) - скорости движения нижней камеры агломерации 10 по круговой

траектории изменяются и характер агломерации материала: при низких значениях «/г)КСЦ» - скольжение слоев материала, при средних - каскадное (окатывание) и при высоких - смешанное или водопадное (падение гранулята с высоты точек его отрыва от внутренней поверхности камеры агломерации). При критических значениях скорости движения камеры агломерации наблюдается центрифугирование слоя материала, т.е. под действием центробежной силы Ец=тсо2Я, где т - масса гранулята, кг; со - угловая скорость движения камеры, рад/с; Я - радиус вращения камеры по круговой траектории, м, слой материала прижимается к внутренней поверхности камеры и вращается вместе с ней по круговой траектории.

агломерации

В качестве критерия, определяющего переходные процессы движения гранулируемого материала в камере агломерации, принимаем критерий Фруда

- отношение значений центробежной силы, действующей на слой материала, Fu, = ma)\R (W) к силе тяжести слоя материала Gm=mg, Н, т.е.

Fr = a)2KR/g, (5.8)

где о)к - угловая скорость вращения камеры, рад/с; R - радиус от центра вращения камеры Oi по круговой траектории, м.

Критерий Фруда характеризует изменение процесса агломерации от скольжения слоев материала до окатывания (каскадный режим работы) и далее

- до катарактного движения (водопадный режим работы), вплоть до центрифугирования слоя агломерируемой шихты.

При увеличении частоты вращения камеры агломерации вокруг центра 0\ (рисунок 5.5, 5.6) центральной оси эксцентрикового вала возрастает число Фруда и изменяется характер движения сыпучей среды от скольжения слоев до центри фугирования.

При этом на процесс агломерации оказывают влияние ряд параметров: коэффициент заполнения камеры (р материалом; его физико-механические характеристики: пластические свойства (содержание и вид связующего), коэффициент трения, гранулометрия, угол естественного откоса в статическом и динамическом состоянии и др.

Степень заполнения камеры агломерации материалом определяется как

<P = Sjf, (5.9)

к

где ScerM - площадь сегмента камеры агломерации, занятая материалом, м2;

SK - площадь камеры агломерации, м2; Полагая площадь сегмента [299]

5'сегм= SceKToBc ~ ^Ловс = — 0,5а ■ hoN, (5.10)

Учитывая, что 0,5Вс = rksiny, hoN = tkcosy, выражение (5.10) представим в виде

^сегм = Гк2 - siny ■ cosy) (5.11)

Тогда степень заполнения камеры агломерации материалом (5.9) равна

2(Tt2Y . \ лу

_ r^{l^~sinY'C0SY) _ liZ~sinycosy _ TTY-sinY-cosY-180

Ф ~ nr£ ~ n ~ 1807Г ' { ■ )

где гк - радиус камеры агломерации, м;

ас = 2у - угол раскрытия сектора, определяемый величиной хорды а=ВС сегмента, град.

Скольжение слоев материала наблюдается при малых значениях ^<0,1 и коэффициентах внутреннего / и внешнего /0 трения.

Процесс окатывания материала начинает наблюдаться при ^>0,1, когда сила трения частиц материала о стенку камеры будет достаточна для перекатывания частиц.

На рисунке 5.6 представлено поперечное сечение слоя материала в камере агломерации, вращающейся по круговой траектории вокруг центра 0\. Устойчивое положение слоя материала определяется равенством моментов от силы тяжести От(Мош) и от силы трения //ф(Л///'Тр) материала о поверхность камеры:

М;т= М-тр (5.13)

МСт= (/',„• 101р={т^) 101р=(т^)гц^т/3, (5.14)

где 101р - расстояние от центра слоя материала (т. Р) до вертикальной оси, проходящий через центр 0\, м; т - масса материала, кг;

Гц т - радиус центра тяжести слоя (при его однородности) материала

м;

/? - угол, ограниченный вертикальной осью и линией ()\1\ град. Учитывая незначительную величину эксцентриситета е = ОгОи полагая

4 Т

гцт~гк для камеры агломерации, можно записать, что гцт= ОР= - 2^_5;п2у и выражение (5.6) принимает вид

(5.15)

При известном объеме слоя материала Ксл=7ггк2 ■ Ьк • (р длиной Ьк и плотностью рсл масса материала равна т= ¥слрсл= пг2 ■ Ьк • <р'рсл

Тогда окончательно

М?т=1,ЗЗтггк3 ■ Ьк ■ ГРся^2у_5Ы2у ■ ятр

зт3у

(5.16)

Значение момента от силы трения МРтр

(5.17)

где ^ - нормальная сила от действия слоя материала на поверхность камеры,

/о - коэффициент внешнего трения материала о поверхность камеры.

Однако сила воздействия на слой материала, определяющая равноценную величину зависит не только от силы тяжести материала, но и центробежной силы /<ц, зависящей от угловой скорости ш вращения камеры по круговой траектории. Действие других сил при переносном движении не учитываем ввиду малых размеров частиц материала и низкой их плотности.

Рассмотрим равновесие элементарной площадки материала в точке К (рисунок 5.6).

Дифференциальная сила тяжести, действующая на элементарную площадку (¡Б в точке К пропорциональна расстоянию КЫ и равна

где Ьк, Гк- соответственно, длина и радиус камеры агломерации, м.

С учетом изменяющегося действия центробежной силы /<ц по линии слоя ИСЛ=К8 (как на его поверхности вт. 5 при II, г(«+е, так и в глубине слоя в т. К при ^г=гк+е, соответственно, при изменяющемся угле /?;) дифференциальная центробежная сила будет равна

Н;

-5

где Рэл.сл. ~ плотность элементарного слоя, кг/м ; Нш - толщина слоя на участке КЫ, м. Элементарная площадка

<38=ЬКГК(1(3Ь

(5.18)

(5.19)

= рэл.сл. ■ ----Кк5\ £¿5

(5.20)

1к

С учетом значения с18 (5.19) выражение (5.20) представим в виде

рэл сл/о)^-Ькгк(2е + г0г5 + гк)

(5.21)

Нормальную реакцию dFN со стороны камеры от действующих усилий ¿//'ц и dlu) определим из условия равновесия по линии 0\К

dFN= dFn+ dlu)CosfiL (5.22)

Или с учетом полученных ранее выражений (5.21) и (5.18) уравнение (5.22) примет вид

dFN=p3JlcJl LKrK[0,Sa)l(2e + ros + rK)hKS + ghKNcosPi] é//?¿ (5.23) Учитывая, что сила трения слоя материала о поверхность камеры равна Ftp=Fn f0 , где значение коэффициента внешнего трения f0=const, и радиус камеры rK = hKS + ros величины постоянные, то в пределах изменяющегося угла /?¿ можно определить значение дифференциальной силы трения

d Fjр= dFNf0=p3Jl_CJlJ0LKrK[ 0,5ío|(2e + ros + rK)hKS + ghKNcospt]d^i (5.24) Проинтегрировав выражение (5.24) в пределах изменяющегося угла от /?¿=/? — у до Pi= /? + у, можно получить суммарную силу трения материала о поверхность камеры на площадке их взаимодействия

F-гр—Рэл.сл.

foLKrK + ros + rK)hKS + ghKNcosPt\ dfii (5.25)

При этом полагаем, что параметры hKS и hKN зависят от значения углов

, .2 £>-l-y _L -у* Л

/?¿, а величина —-——— представляет собой критерий Фруда Fr (5.8).

9

Тогда, после соответствующих преобразований получим

Z7 — ГТ 2 т \ ПЛ ny-siny-cosy-180

^тр~Аэл.сл..Мкгк Lk(J + Гг) —--(5.20)

или момент трения материала о поверхность камеры (5.17)

т, , т-. г ny-siny-cosy-180

Мр= ^ф-Гк=Рэл.сл./о- grKáLK( 1 + Fr)--—--(5.27)

Используя полученные выражения для определения значений моментов от силы тяжести MGm (5.16) и от силы трения (5.27), можно определить критериальное значение коэффициента трения f0, при котором осуществляется переход от скольжения слоев материала до каскадного (перекатывающегося) действия. Из равенства моментов (5.16) и (5.27) при /? = аотк получаем

г l,33n-q>sin3y-sinaOTK-180

~ (2y-sin2y)(l+Fr)(ny-sinycosyl80) ^ ' '

Анализ полученного выражения показывает, что на первоначальный период агломерации (скольжение слоев материала) оказывают влияние параметры: степень заполнения камеры - (р, угол динамического откоса материала - аотк (зависящий от гранулометрии, коэффициента внутреннего трения /¡, адгезионной способности и др.), критерий Фруда - /у и другие геометрические параметры.

Каскадный режим движения материала реализуется при превышении значений коэффициента /0 правой части выражения (5.28). При этом для перехода в каскадный режим агломерации большее значение имеет степень заполнения рабочей камеры материалом, чем критерий Фруда /у. Последний проявляет свое влияние при больших значениях угловой скорости вращения камеры.

Исследования показали, что для большинства сыпучих материалов угол динамического откоса в переходный период к каскадному движению материала составляет аотк=25^-40°.

Каскадный режим агломерации материала характеризуется балансом сил тяжести материала Р(;, центробежной силы /<ц , силы нормального давления и силы ^ вокруг центра масс агломерируемого материала О1 (рисунок 5.7).

Как уже было указано ранее, каскадный процесс агломерации начинает осуществляться когда коэффициент трения материала о внутреннюю поверхность камеры превышает значение правой части выражения /0(5.28). В начальный период каскадной агломерации (рисунок 5.7) слой материала с углом естественного откоса аотк ■ В0С0 отклоняется от вертикали до угла динамического откоса аотк ■ В\С1. При этом начинается перекатывание частиц материала за счет сил трения о поверхность камеры по эллипсоидной траектории. Существенное значение при этом играет, наряду с другими факторами, коэффициент заполнения камеры материалом.

При малых значениях ср<0,1 в большей степени проявляется скольжение слоя материала относительно внутренней поверхности камеры при ее движении по круговой траектории. При больших значениях ср>0,1 наблюдаются

проявления перекатывающего движения поверхностного слоя материала, ограниченного образующей В1С1 (рисунок 5.7).

Рисунок 5.7 - Схема сил, влияющих на слой материала в период каскадной агломерации

Значение параметра - число Фруда, на данном этапе агломерации, не является доминирующим. В этой связи, используя значение коэффициента заполнения ср (5.12), получаем объединенное значение коэффициента трения.

1,33 зт3у-зта0ТК

/о>

(1 + ^)(2у-51712у)

(5.29)

При этом угол наклона плоскости скольжения к горизонтали уменьшается (ОоткВА < (ХоткВоСо), т.к. угол естественного откоса в динамическом состоянии (при перекатывании слоя материала) меньше чем в статистическом (при скольжении материала относительно внутренней поверхности камеры).

Период времени, затрачиваемого на подъем материала до верхней точки В0, после чего он скатывается при меньшем угле естественного откоса а0ТК.ВС, можно определить по формуле

^т —

тгДап

180ш„

или при а)к = 2пп , рад/с ^ =

Аап

(5.30)

где Ааотк - угол смещения поверхностного слоя материала (В0С0) при его скольжении к каскадной агломерации (В1С1), град.;

шк - угловая скорость вращения камеры агломерации, рад/с; пк - частота вращения камеры агломерации, об/с.

При каскадной агломерации образующиеся микрогранулы скатываются по поверхностному слою материала в нижнюю часть камеры и далее, за счет сил трения о поверхность камеры, поднимаются циркулируя в верхнюю часть при различных углах наклона плоскости скольжения от аОТк.В0Со до (Х0ТК.В1С1 на величину Даотк.

Средняя линия плоскостей скольжения микрогранул наклонена под углом Р=а0Тк.ср =0,5(а„ткВ()Со+а„ткВ | С |) к горизонтали. При этом можно допустить, что грануломеруемые частицы перемещаются между центрами масс Мцм М'цм клиньев БВоВ! и 8С0С1 на расстоянии /цм= Мцм М'цм.

Из Д8В()В| следует, что средняя длина траектории движения частиц /цм

равна

1цм = = \{гк + е)Бтв = ^ЯБЫв (5.31)

Рассмотрим условие равновесия микрогранулы массой тмгр, находящейся в центре Мцм, расположенном на линии перемещения Мцм М'цм. Согласно представленной схемы (рисунок 5.7) на микрогранулу действует сила тяжести тм.гр" 9', нормальная сила РКмгр от действия силы тяжести, направленная перпендикулярно линии перемещения микрогранулы МцмМ'цМ— РмМф = FG со5аоткср; сила трения Ртр, препятствующая перемещению микрогранулы вдоль линии МцмМ'цм и направленная противоположно ее движению: Ртр= Ры м гр/?; сила инерции Рин, действующая вдоль линии перемещения микрогранулы и по направлению вращения камеры (по линии Мц мМ'ц м):

^ИН ^М.гр ' ^М.гр (5.32)

В указанных выражениях действующих сил: д — ускорение силы тяжести, м/с2; аотк ср - средний угол естественного откоса материала с образующей поверхностью слоя Мц м М'ц м, град; fi- коэффициент внутреннего

трения частиц; Vx - скорость перемещения микрогранулы вдоль линии Мцм М'цм на участке "х" ,м/с. С учетом внутрислойного взаимодействия частиц материала, действующих сил FG, FNMrp, FTp, F„„ и рассмотрения процесса перемещения микрогранулы центробежную силу в расчетах не учитываем.

Условие равновесия микрогранулы на линии ее перемещения Мц м М'цм представим в виде Fc sin сготкср = FTр + FHH или

d2x

тд • sinaoTKcv = FNmtv ■ cos ctotkcp/¿ + (5.33)

После преобразований получим

CÍl^n ОС st г

~dt=dtí = 3(smaoTKcv - cos aoTKcp/¿) или после интегрирования при условии Vx(t = 0) = 0 и x(t = 0) = 0 получаем уравнение, описывающее перемещение микрогранулы

х = 0,5<gt2(sinaoTKcp —/¡cos сготкср) (5.34)

Зная среднюю длину траектории движения микрогранулы /цм (5.31) и полагая, что частица прошла половину расстояния Мцм М'ц м, при совместном решении уравнений (5.31) и (5.34) получим время падения микрогранулы

^ = о,56 I. --(5.35)

л/^(зт аоткСр-со5 аоткср/1)

Суммарное время, затрачиваемое на подъем микрогранулы вверх по поверхности слоя материала Мц м М'ц м и падения частицы вниз ^ будет равно (5.30), (5.35)

h = tM + thi = ^+ 0,56 I. (r*+e)sin0-- (5.36)

360пк -J g (sin aoTKcp-cos aoTKcp/¿)

Частота циклов подъема и падения микрогранулы из уравнения (5.36)

Даотк = -i

д(sina0TK -cosаотк -/¿+201,6 пкл/(rK+e)sin6

--(5.37)