ТСМ I

Наиболее эффективно тонкое измельчение материалов осуществляется в аппаратах ударного действия.

Тонкое измельчение в аппаратах ударного действия

1. Дезинтегратор

Получил наибольшее распространение в керамической технологии. В нём измельчение происходит под действием многократных ударов пальцев (бил), располагающихся в двух корзинах, вращающихся с большой скоростью друг другу на встречу. За очень короткий отрезок времени каждая частица испытывает большое количество ударов, совершаемая при этом работа расходуется не только на создание новой поверхности, но и на механохимическую активацию материала.

Достоинства:

1.Обладает высокой производительностью и экономичностью.

2.Обладает низкой чувствительностью к колебаниям влажности

материала.

На стекольных заводах дезинтегратор используется для измельчения слежавшейся соды или сульфата.

2. Шахтные мельницы

Нашли применение в керамической технологии и при производстве гипсовых вяжущих. В них одновременно производится сушка и помол. Удельный расход топливно-энергетических ресурсов на сушку и помол в шахтной мельнице на 10-15 % меньше, чем при других схемах сушки и измельчения, при этом практически отсутствует запылённость в цехе.

Источником теплоты для сушки в большинстве случаев являются отработанные дымовые газы с температурой 380-500 0C. Непрерывно поступая под ротор мельницы, они уносят с собой продукт помола в шахту, где он подсушивается. При этом более крупные частицы выпадают из газового потока и снова поступают в мельницу, доизмельчаются, а затем уносятся в пылеулавливающие устройства.

Глиняный порошок, полученный в шахтной мельнице, отличается от порошка глины, размолотой в дезинтеграторе или мельнице другой конструкции, большей удельной поверхностью и меньшими перепадами влажности по фракциям, что способствует улучшению формовочных свойств массы.

3. Струйные мельницы

Применяется для сверхтонкого измельчения материала в основном в керамике.

В струйной мельнице измельчение происходит без участия мелющих тел. Материал захватывается струёй сжатого воздуха или перегретого пара, проходящей с большой скоростью.

71

За внешней простотой устройства струйных мельниц скрывается сложное компрессорное хозяйство или котельное отделение. Энергетическое хозяйство струйных мельниц усложняет систему, удорожает и увеличивает эксплуатационные расходы.

Основное преимущество: работа в них осуществляется во встречных потоках и измельчение, и активация происходит почти без износа рабочих органов и не сопровождается загрязнением размалываемого материала (отсутствует намол железа).

Специфика мокрого и сухого измельчения материалов

Сухое измельчение применяется для продуктов обжига (цементный клинкер, известь, шамот), а также в тех случаях, когда сырьевая шихта должна представлять собой сухой порошок (стекольные, керамические, цементные сырьевые шихты).

Сухое измельчение может производиться во всех рассмотренных выше типах измельчителей. Однако каждый измельчитель имеет свои ограничения по влажности:

-шаровая мельница не более 0,5% (при более высокой влажности замазывается);

-дезинтегратор не более 13%.

Т.к. природное сырье имеет, как правило, более высокую влажность, то в каждом случае должен быть решен вопрос о целесообразности предварительной сушки исходного сырья в отдельном аппарате либо совмещении процессов сушки и помола, например в шахтной, дробильной или других мельницах.

Аппараты совмещенного помола и сушки могут использоваться если влажность сырья не превышает 10%.

Сухой помол идёт особенно трудно, так как по мере увеличения удельной поверхности материала, усиливается процесс агломерации, т.е. большая часть энергии расходуется на разрушение вновь образовавшихся агломератов.

Агломерация не происходит в измельчителях ударного действия, но эта проблема является серьёзной для наиболее распространенных шаровых мельниц.

Для успешной работы мельниц сухого помола необходимо осуществлять аспирацию — вентилировать мельничное протранство, просачивая через него воздух.

Большие объемы холодного воздуха охлаждают футеровку корпуса, мелющие тела и сам материал.

Кроме того, воздушный поток, проходя через мельницу, увлекает мельчайшие частицы, которые отделяются в пылеочистительных устройствах. Тем самым повышается эффективность помола и

72

предотвращается агрегирование мелких частиц. Благодаря аспирации производительность мельницы повышается на 20-25%.

Измельчение интенсифицируется за счёт:

1.При подаче с загрузочного конца небольшого количества воды или пара, что способствует предотвращению слипания тонкодисперсных частиц.

2.При введении поверхностно-активных веществ (ПАВ). Измельченные частицы мгновенно адсорбируют ПАВ, что предотвращает их агрегирование. ПАВ проникая в микротрещины материала, понижают сопротивляемость его размола (возникают расклинивающие напряжения в микротрещинах). Это приводит к увеличению производительности на 20-30%

ссоответствующим снижением удельного расхода электроэнергии.

Измельчение в водной среде получило широкое распространение при приготовлении цементных сырьевых шихт (шаровые мельницы) и керамических масс (шаровые и вибромельницы).

Измельчение материалов в водной среде резко активизируется, что связано с эффектом адсорбционного понижения прочности материала, выражающегося в развитии разнообразных дефектов при меньших напряжениях.

Трещина – это клиновидная щель. Жидкость, распределяясь по ней, образует тончайшую плёнку, обладающую избытком свободной энергии. Чтобы её уменьшить, плёнка стремиться «утолщиться» в трещине, т.е. расклинивает последнюю, в результате чего размолоспособность различных материалов в водной среде повышается на 15-20% и полностью устраняется агрегирование.

Мягкие породы (мел, глина) с высокой естественной влажностью в водной среде могут измельчаться за счет саморасклинивания без существенных усилий и, соответственно энергетических затрат.

Для «роспуска» глин используют – болтушки, представляющие собой резервуар диаметром 5-12 метров и глубиной 2-6 метров.

Измельчение по замкнутому и открытому кругу.

Помольные агрегаты представляют собой комплекс машин, механизмов и устройств, осуществляющих дозирование исходных материалов. Транспортирование их в пределах агрегата и помол в открытом или замкнутом цикле, а также выполняющих другие функции, необходимые для нормальной работы агрегата: аспирацию, обеспыливание аспирационного воздуха, классификацию размолотого продукта, контроля и управления технологическим процессом помола.

Помольные агрегаты бывают одноступенчатые и двухступенчатые.

Одноступенчатые помольные агрегаты в зависимости от способа работы главного их элемента - мельницы – разделяют на агрегаты открытого и замкнутого цикла.

73

При открытом цикле (рис. А) материал А, поступающий в трубную мельницу (1) обычно двухкамерную, измельчает до заданной тонкости готового продукта.

Рисунок 23 – Помольная схема

Из схем помольных агрегатов замкнутого цикла можно выделить 3 основные. Схема I (рис. Б) Измельченный в мельнице материал направляют на классификацию(разделение). Крупную фракцию (крупку) после сепаратора

(3) возвращают на доизмельчение в камеру I мельницы, а готовый продукт направляют в силоса.

Схема II (рис. В) Измельченный материал подвергают промежуточной классификации отдельно по выходу из камер I и II. Крупку из сепараторов (3) напрвляют в камеру II или III. Агрегаты такого типа оснащают двумя или тремя сепараторами 3.

Схема III (рис. Г) Измельченный материал по выходу из камер I и II направляют на классификацию. Крупку после сепаратора направляют на доизмельчение в камеру II или (частично) I.

По затратам электроэнергии наиболее экономична схема II. Недостатком этой схемы являются большое число транспортных устройств, сложность конструкции разгрузочно-загрузочного узла, расположенного в середине мельницы.

Наименее эффективна схема III, т.к. измельчаемый материал после камеры II является почти готовым продуктом и его не целесообразно смешивать с продуктом камеры I. Наиболее широкое применение получила схема I. Она обеспечивает эффективную работу агрегата при минимальном числе транспортных средств.

Помольные агрегаты замкнутого цикла по сравнению с агрегатами открытого цикла позволяют:

74

-получить высокие технико-экономические показатели (прочность, удельные затраты электроэнергии);

-снизить налипание мелких частиц шихты и мелющие тела.

Вместе с тем при замкнутом цикле неизбежны громоздкость конструкции и сложность наладки помольного оборудования.

75

РАЗДЕЛ №6. ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ТНиСМ

Сущность процессов формования

Формование – важнейший технологический передел, цель которого получить полуфабрикат или изделие заданной формы, размера и отвечающего определенным требованиям. Однако в различных технологиях перечень задач может существенно отличаться.

Вариант 1: формование изделий после тепловой обработки из расплава. При этом изделию необходимо придать определенную форму, а после затвердевания – заданные физико-механические свойства (например прочность). Так формуют стеклоизделия из вязкой стекломассы.

Вариант 2: формование полуфабриката (сырца) до тепловой обработки. По этому варианту формуются изделия из керамических масс и изделия на основе вяжущих веществ.

Свойства сырца при данном способе формования определяют режимы его дальнейшей переработки (сушки, обжига, ТВО), что и определит физикотехнические свойства готовых изделий.

Прочностные характеристики сырца являются определяющими при выборе способа транспортирования полуфабриката, способа его садки на сушильные вагонетки или пролазочные камеры, в определении режимов последующей тепловой обработки.

Правильно выбранный метод формования сырца является залогом хорошего качества готового продукта.

Вариант 3: формование порошков, шламов или шликеров в виде зерен (гранул). Этот вариант используется как предварительный, подготовительный этап к получению полуфабрикатов. Основным методом при этом являются грануляция и брикетирование. Это один из путей интенсификации технологических процессов и уменьшения пылеобразования. Это связано с необходимостью уменьшить пылевыделение, уплотнить материал, что ведет к улучшению спекаемости, облегчается транспортирование и дозирование материала, придать ему товарную форму.

Гранулированные материалы обладают обычно хорошей текучестью (подвижностью к транспортированию), не зависают в емкостях, не слеживаются, занимают меньший объем, не пылит при перегрузке, легче дозируются.

Грануляцию используют в ТК, ТС и ТВМ.

Гранулируют стекольную шихту перед ее подачей в стекловаренную печь, что повышает производительность последней на 25% за счет интенсивного провара стекломассы; при этом на 20% снижается расход энергии.

76

Грануляция цементной сырьевой муки перед подачей в печь повышает качество цемента за счет более полного прохождения реакций образования фаз клинкера.

Наиболее высококачественные керамические изделия получают из шликеров, которые затем переводят в гранулированный порошок в БРС. При этом гранулы порошка более однородны и имеют шаровидную форму, что повышает сыпучесть массы и ее прессуемость.

Выбор способа формования определяется

1.Свойствами сырьевых шихт ( соотношением Т:Ж фаз). По соотношению Т:Ж фаз различают: порошки, пасты, шламы (или шликеры).

2.Формуемостью шихты, под которой понимают способность принимать заданную форму и уплотняться под действием внешних сил.

Структурообразование в дисперсных системах

Все сырьевые шихты используемые в технологии керамики, стекла, вяжущих являются тонкодисперсными системами – термодинамически активными, агрегативно неустойчивыми, способными к саморегулированию всех своих свойств и чувствительными к внешнему воздействию. Тонкодиспесные системы обладают высокой поверхностной энергией. По законам термодинамики:

= × →

где F – величина силы, действующей на межфазной границе;

G – удельное поверхностное натяжение на границе фаз; S – величина межфазной поверхности.

Всистеме «твердое вещество – газовая фаза» G практически не меняется, остается один путь → , а это возможно за счет укрепления размера частиц, т.е агломерации их в более крупные.

Агломерация – это стихийное или направленное сближение частиц тонкодисперсных материалов, обеспечивающее увеличение размеров частиц

иповышение тонкости перерабатываемого продукта. Для обозначения процесса агломерации используются много терминов: грануляция, прессование, брикетирование и т.д.

Впорошкообразном сырье агломераты образуются всегда на предварительных стадиях его переработки. Это явление нежелательное, так как нарушается однородность состава и структуры материала. Если агломераты мешают дальнейшим технологическим операциям или снижают качество готового продукта, нужно препятствовать их появлению и разрушать в случае их образования.

Однако, с другой стороны, предварительная агломерация положительно сказывается на последующих этапах технологического процесса. Фактически получение наиболее распространенных строительных

материалов (керамики, цемента, стекла, легких заполнителей и др.)

77

базируется на целенаправленной агломерации тонкодисперсных смесей. Технологический процесс их получения можно рассматривать как последовательные этапы агломерации с постепенным уплотнением, упорядочением и упрочнением формирующейся структуры. Изделия наследуют особенности структуры полуфабрикатов, полуфабрикаты наследуют особенности структуры исходных шихт. Поэтому необходимо последовательно управлять всем непрерывным процессом структурообразования.

Связь между частицами порошкообразных материалов обеспечивается силами различной природы:

Силами притяжения являются:

Молекулярные, ван-дер-вальсовы силы, если расстояние между молекулами более 1-2 А̇, ионно-электростатические и кулоновские, если частицы контактируют заряженными поверхностями, а также водородные связи.

Силами отталкивания являются:

Кулоновские силы при контакте одинаково заряженных поверхностей частиц, близкодействующие молекулярные силы, а также силы расклинивания, которые обусловлены наличием гидратных оболочек, окружающие минеральные частицы.

Прочность любой структуры определяются по формуле:

= 1 ×

где 1 – прочность индивидуальных контактов между дискретными частицами (зернами);– число контактов.

Если мы хотим получить высокопрочный материал, то должны стремиться к увеличению обоих множителей. Число контактов зависит:

1)От размера частиц ( чем меньше d, тем больше )

2)От плотности их упаковки, зависящей от величины внешнего компрессионного воздействия.

Прочность индивидуальных контактов на первом этапе структурообразования определяется:

1)Природой материала;

2)Его упругопластическими свойствами;

3)Формой частиц и их шероховатостью.

Вдальнейшем решающее значение приобретают внешнее компрессионное воздействие (так как прочность контакта неразрывно связана с его площадью).

Процесс структурообразования можно представить следующим образом:

Вначальной фазе частицы контактируют выступами макро- и микрошероховатостей через адсорбированные газовые и жидкие пленки. При прижимании одна к другой они переориентируются и сближаются. Затем

деформируются микровыступы на частицах. В итоге возрастают ван-дер- вальсовы, кулоновские и электрические силы взаимодействия. Далее в точках

непосредственного	контакта	происходит	прорыв	поверхностных
				78

адсорбированных пленок, и, когда контактные напряжения превышают уровень теоретической прочности вещества, начинается микродеформация частиц.

При этом вскрываются активные центры, на которых зарождаются ближнедействующие межмолекулярные и межатомные силы и возникают когезионные контакты. Структура формируется во времени. Чем больше длительность компрессионного воздействия, тем выше прочность структуры.

На дальнейших этапах структурообразования решающую роль приобретает тепловой фактор. Вследствие определенных химических реакций, процессов тепло- и массообмена на контактах появляются новообразования, что приводит к росту прочности и площади контактов. При этом структура упрочняется на микроуровне ( на молекулярном уровне). Чем выше температура и дли тельность теплового воздействия, тем выше прочность структуры.

Типы структуры сырьевых шихт и их характеристика

Можно выделить следующие типы структур, расположив их по степени возрастания плотности:

1.Свободнодисперстные: 1.1 Бесструктурные; 1.2 Коагуляционные.

2.Дисперсносвязанные: 2.1 Коагуляционные;

2.2 Коагуляционно-конденсационные;

2.3 Конденсационные;

2.4 Конденсационно-кристаллизационные;

2.5 Кристаллизационные.

Всвободнодисперсных системах возникают частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом в сплошную сетку и способны перемещаться в дисперсионной среде под влиянием теплового движения или силы тяжести. Такие системы обладают текучестью и другими свойствами, характерными для жидкостей. К ним относятся керамические шликеры и порошковые шихты, цементные сырьевые шламы и мука. При приготовлении, транспортировке, перемешивании их можно рассматривать как бесструктурные системы. Принимая, что между частицами дисперсной фазы нет стабильных контактов. Однако вследствие энергетической насыщенности такое состояние неустойчиво, и, если оставить дисперсную систему в пакое, она неизбежно структуризируется. (Это происходит, например, в шламбассейнах и трубопроводах при застаивании шлама, или в емкостях для порошкообразной муки.) Возникают коагуляционные структуры, в которых зерна дисперсной фазы частично связаны друг с другом межмолекулярными силами с образованием пространственных сеток и каркасов. Такие системы приобретают в известной степени свойства твердых тел т.е. способность сохранять форму, некоторую прочность, упругость. Однако они тиксотропны

ималопрочные связи легко разрушаются, в результате чего система снова

79

приобретает способность течь. Такие системы называют свободнодисперсными коагуляционными.

При уплотнении таких структур они переходят в коагуляционные дисперсносвязанные. Материалы такой структуры представляют собой компактные тела (полуфабрикаты изделий, гранулы, брикеты и т.д.) т.е. они представлены системой Ж/Т, состоящей из твердых частиц сырьевой смеси и ограниченного количества воды. Они формируются либо при добавлении строго определенного количества воды к порошку ( грануляция, брикетирование), либо при удалении избытка влаги (сушка, фильтрация). Прочность таких структур обеспечивается не только межмолекулярными, но

икапилярными силами, что и обуславливает существенное ее повыщение. Разрушение таких структур носит необратимый характер. Такие структуры имеют полуфабрикаты керамических изделий до обжига, гранулированные цементные и стекольные сырьевые шихты; они также формируются при сушке шламов и шликеров в печах и сушилках.

При обжиге под действием температуры в полуфабрикатах различного состава формируются конденсационные структуры, как следствие химических реакций между компонентами с образованием новых соединений. В результате коагуляционные контакты переходят в прочные фазовые. Однако такой переход идет постепенно, и в течении длительного времени мы имеем дело с промежуточной коагуляционно-кондесационной структурой, достаточно прочной, но хрупкой.

При более высоких температурах начинается формирование кристаллизационных структур;

Например, путем кристаллизации из расплава и последующего срастания отдельных кристаллов в прочный поликристаллический агрегат. В большинстве случаев конечным этапам структурообразования является формирование конденсационно-кристаллизационной структуры в результате образования прочных химических связей (конденсационный компонент структуры) и вследствие сращивания кристаллов при выделении из расплава новой фазы (кристаллизационный компонент структуры).

Формирование такой структуры максимальной прочности и однородности

иявляется конечной целью при получении любого изделия и материала. Операция формования должна создать ля этого соответствующие условия.

Структура шламов и шликеров

Сырьевые цементные шламы и глиняные шликеры – полидисперсные полиминеральные суспензии, в которых твердая фаза представлена частичками карбонатной породы, глины, кварца и других минералов, а жидкая – водой (иногда растворами электролитов для глиняных шликеров). Размер твердых частиц колеблется в широких пределах от сотен ангстрем до сотен микронов и более.

80