misnikov_o_s_tehnologiya_i_kompleksnaya_mehanizaciya_otkryty (1)

21

Приведенные уравнения позволяют составлять примерный прогноз свойств кускового торфа в зависимости от уровня переработки торфомассы. Они могут использоваться и для определения требующейся переработки с целью получения готовой продукции с предварительно заданными свойствами.

1.4. Формование кускового торфа

Процесс формования материалов, находящихся в вязкопластичном состоянии можно осуществлять разными способами: прессованием, окатыванием, прокаткой и продавливанием через формообразующие насадки или патрубки. При промышленном производстве кускового торфа в качестве формующего устройства используются так называемые мундштуки. Мундштук – это однотрубная, многотрубная или профилированная насадка к формователю, через которую выполняется выдавливание пластичной торфяной массы.

В качестве нагнетателя используется напорный шнек. Когда формующие патрубки объединены в блок, то мундштук называется многоручейным. Он может иметь различную форму поперечного сечения на выходе. Патрубки могут быть обособленными и совмещенными. При совмещении патрубков формуется профилированная торфяная лента. Многоручейные мундштуки формуют ленту без полного отделения соседних ручьев друг от друга. Образующаяся перемычка разрушается при сушке за счет усадочных напряжений. Сквозная щель на всю ширину мундштука благоприятно влияет на процесс формования, способствуя выравниванию давлений в разных ручьях, а также дает возможность свободно пропускать через мундштук довольно крупные посторонние включения, например щепу или фрагменты корней деревьев.

На выбор формы и размера кусков влияет много факторов. В первую очередь – это требование потребителей. При сжигании в колосниковых топочных устройствах используются куски крупных размеров. Кроме этого нужно учитывать свойства торфа, условия сушки, поверхность испарения и намокания, площадь контакта с подстилающей поверхностью, возможность механизации операций по сушке и уборке, погрузке и транспорту. Эти требования крайне противоречивы, и поэтому необходимо выбирать оптимальные размеры и форму кусков.

Для качественной сушки и протекания процессов структурообразования необходимо стремиться к предельному снижению градиентов влагосодержания и соответственно внутренних напряжений в куске. С этих позиций целесообразно формовать цилиндрические куски диаметром 40…60 мм. Однако механизировать выполнение операций по сушке и уборке таких кусков довольно трудно, так как в результате усадки их диаметр уменьшается в 1,5…2 раза и становится соизмеримым с разме-

22

ром крошки. Современные фрезформовочные машины формуют куски диаметром от 0,08 до 0,12 м. После сушки кусок уменьшается примерно до 0,06…0,08 м, что вполне устраивает как производителей, так и потребителей этой продукции. При экскаваторном способе размер кусков немного больше.

Хорошо формуется торфяная масса, находящаяся в нормальном пластичном состоянии. Если формуемый торф имеет твердопластичную консистенцию, то разрушенные в ходе деформирования структурные связи после снятия нагрузки полностью не восстанавливаются и куски, имея внутренние или наружные дефекты, оказываются непрочными или разрушаются сразу на выходе из мундштука. Если формовать торф, находящийся в жидкопластичном состоянии, то сформованные куски после выхода из мундштука теряют форму под действием собственной массы – текут.

Для определения структурномеханических характеристик кускового торфа в вязкопластичном (полутвердом) состоянии в Тверском государственном техническом университете был спроектирован и изготовлен пенетрометр ПАГ-2 (рис. 5). Прибор представляет собой металлический цилиндр 7, внутри которого находится шток 6, а между ними пружина 5. Пружина одним концом упирается в расширение штока, а другим в пробку 4, которую ввинчивают в

цилиндр. На выдвижной части штока находится измерительная линейка 2 длиной 40 мм и кольцевой индикатор 3. В нижней части штока закреплен конический наконечник 1 высотой 10 мм. В качестве упругого элемента прибора использован набор пружин с жесткостью 0,1…3,0 Н/м. Комплект дюралевых наконечников состоит из съемных ребристых конусов с углами при вершине 30 , 45 и 60 и высотой 14 мм и щупа диаметром 0,47 мм с рабочей длиной 10 мм.

Для оценки пластичности торфа ис-

пользуется величина предельного напряже- Рис. 5. Схема пенетрометра ния сдвига . Этот параметр достаточно чув-

ПАГ-2

ствителен к изменению состава и структуры дисперсных материалов. Предельное напряжение сдвига несет информацию о процессах, происходящих в торфяных системах как в естественном

23

состоянии, так и на различных стадиях производства, в том числе под влиянием технологических воздействий. Величина отображает особенности структуры торфа, физико-механических свойств торфяных систем в широком диапазоне влагосодержаний.

Нужный уровень пластичности можно поддерживать, регулируя интенсивность переработки торфа или изменяя его влажность. Нормальнопластичным состоянием считают такое, когда предельное напряжение сдвига в торфе находится в пределах 2,3…6,3 КПа. Предельное напряжение сдвига, равное 2,3 КПа, называют границей текучести, а 6,3 КПа – границей пластичности. Определяют при помощи конусных пластомеров (пенетрометров) по глубине погружения конуса в исследуемый образец:

		К Р	,	(1.27)
		h2
	где К – постоянная конуса, зависящая от угла при его			вершине

(угол 60 – К = 0,217; угол 45 – К = 0,416; угол 30 – К = 0,96); Р – нагруз-

ка, КН; h – глубина погружения конуса, м.

Приблизительно предельное напряжение сдвига можно определить по показателю пластичности (К пл ).

Показатель пластичности определяется путем осевого погружения силой 20 Н сформованного цилиндрического образца диаметром 30 мм и высотой 30…40 мм. После нагружения образец деформируется. После этого измеряют диаметр d н на белой бумаге, которую подкладывают под пла-

стинку с гирей и сравнивают его с первоначальным d 0 :
Кпл		dн	.	(1.28)
		d0

Груз выдерживают несколько секунд до прекращения деформации образца. Границе текучести соответствует К пл = 2,5, а пределу пластично-

сти – К пл = 1,5.

Формование связано со сдвигом торфяных слоев относительно друг друга, по поверхности формообразующих элементов конструкции и с при-

липанием. Возникающие при этом касательные напряжения ( т	и п )
можно определить по формулам
т = с + f Р;	(1.29)
п = N + Р п F ,	(1.30)

где с – внутреннее сцепление в торфе, Па; f – коэффициент внутреннего трения; Р – нормальное давление, Па; – коэффициент внешнего трения; N – сила нормального давления, Н; Р п – давление прилипания, Па; F – площадь контакта торфа с формообразующей поверхностью, м 2 .

24

Процесс формования, как правило, совмещен с процессом механической переработки и осуществляется формователями различных типов: шнековыми (цилиндрическим и коническим), пластинчатым (шиберным) и торовым. Выбор формователя в основном зависит от качественных характеристик торфяного сырья.

На промышленно выпускаемых фрезформовочных машинах обычно устанавливаются прессы шнекового типа (рис. 6), которые состоят из цилиндрического корпуса с размещенным внутри шнеком. С одной стороны пресса находится загрузочное устройство, а с другой устанавливаются мундштуки. В соответствии с этим шнековые прессы имеют загрузочную, напорную и формующую части. Кроме этого в зоне формующей оконечности предусмотрен специальный объем для улавливания посторонних предметов (например, остатков пней и т. п.) с люком для чистки.

Рис. 6. Схема шнекового пресса: 1 – камера для улавливания посторонних предметов; 2 – мундштук; 3 – шнек; 4 – корпус; l 1 – длина загрузочной части; l 1 – длина напорной части; t – шаг винтовой линии шнека

В опытно-экспериментальном машиностроении применяют и другие конструкции, например пластинчатые (шиберные) прессы (рис. 7) и шнековые с переменным шагом винтовой линии или сечением.

При фрезформовочном способе процесс формования протекает в более сложных условиях (по сравнению с экскаваторным способом), так как приходится формовать торф пониженной влажности. Поэтому все фрезформовочные машины имеют высокоэффективные перераба- тывающе-формующие устройства, позволяющие доводить торф до нормально-пластичного состояния и создавать нужное давление при продавливании его через мундштуки.

При формовании торфа, имеющего пониженную влажность (послойное или мелкощелевое фрезерование), качество выполнения опе-

25

рации может оказаться низким. При этом куски будут иметь поперечные трещины или даже разрушаться при выходе из мундштуков. Причинами этого являются нехватка воды для образования водных пленок, связывающих структуру торфа при помощи капиллярных сил, и высокое содержание газовой фазы, которая разъединяет структурные образования. В результате такой торф, интенсивно деформируемый во время прохождения в канале мундштука, расширяется после выхода из него (упругое последействие), образуя поперечные трещины и кольцевое ер-

шение. Сформованные при этом куски разрушаются либо сразу после формования, либо потом, в процессе сушки, так как трещины и кольцевое ершение являются активными концентраторами напряжений.

Несмотря на это, применение технологических схем с послойным или мелким щелевым фрезерованием перспективно, потому что за счет резкого уменьшения влажности выстилаемого для сушки торфа можно добиться увеличения сезонных сборов в 1,5…2,0 раза. Для реализации этих схем возможно использование дополнительных технологических приемов, таких как управление процессом диспергирования и формования, химическое модифицирование торфа при помощи введения в него различных составов, обеспечивающих повышенную связность торфа, вакуумирование и вибрирование формуемой массы с целью максимального удаления из нее газовой фазы, поверхностная термообработка кусков в процессе формования, применение специальных типов формователей и др.

Рис. 7. Схема шиберного пресса: 1 – загрузочный шнек; 2 – пластина; 3 – ротор; 4 – мундштук; 5 – зона уплотнения торфа; е – эксцентриситет ротора

На фрезформовочных машинах применяются несколько типов формователей и формующих устройств. На машинах типа МТК-12А устанавливаются шнековые формователи с радиальным расположением мундштуков. Перпендикулярная по отношению к оси шнека установка

26

мундштуков обеспечивает простоту конструкции, но давление формования в различных по длине шнека мундштуках оказывается неодинаковым. Это ведет к неравномерности скорости выхода торфа из мундштуков, их забиванию и, как следствие, к неравномерной плотности стилки. Кроме этого, при вращении шнека торф в мундштуки подается отдельными порциями, в результате чего куски при сушке могут потерять прочность или даже расслоиться.

На опытно-промышленных машинах МБТ-500 и МБТ-600 Института торфа АН БССР (в настоящее время – ГНУ «Институт проблем использования природных ресурсов и экологии» НАНБ РБ) устанавливались шнековые формователи с осевым расположением мундштуков (рис. 8). Такой формователь представляет собой шнек с кожухом, оканчивающимся цилиндрическим мундштуком, который является как бы продолжением этого кожуха. В мундштуке такого формователя развивается давление на 15…20 % выше, чем в расположенных перпендикулярно оси шнека.

Торфяная масса поступает в мундштук непрерывным потоком, что исключает расслаивание кусков в процессе сушки. Применяя формователи такого типа, можно добиться высокой равномерности стилки торфа. Их недостатком является довольно сложная конструкция, так как каждый мундштук должен иметь свой шнек, а их на фрезформовочной машине МБТ-500 устанавливалось четыре, а на МБТ-600 шесть. Кроме того, на машинах такой конструкции монтировался шнек-питатель с довольно сложной спиралью. Этот шнек обеспечивает равномерное распределение торфа по формователям. Усложнение конструкции формователя при правильной эксплуатации машины позволяет существенно повысить качество выполнения операции и производство готовой продукции.

Рис. 8. Схема активного		шнекового	(а)	и		торового	(б)	формователей:
1	– напорный шнек; 2 – нагнетающий шнек;			3	–	мундштук;	4	– корпус шнека;
5	– корпус формователя; 6	– диск; 7 –	лопатка;		8	– формуемая		торфяная масса;

9 – сформованный кусок

27

На машинах типа МТК-15 Калининского филиала ВНИИТП монтировался формователь, работающий по принципу пластинчатого насоса, так называемый шиберный формователь (рис. 7). Как диспергирующее устройство эти формователи недостаточно эффективны, а как нагнетатели вполне способны обеспечивать необходимое давление формования. Шиберные формователи просты в эксплуатации, высокопроизводительны, но чувствительны к попаданию в них посторонних предметов и имеют тот же недостаток, что и шнековые с радиальным расположением мундштуков – порционную подачу торфяной массы в мундштуки.

Учитывая положительные свойства формователя с осевым расположением мундштуков, на серийно выпускаемых в 70-80 гг. прошлого столетия машинах типа МТК-12 была предусмотрена возможность установки мундштука такого типа. При этом формовались куски трубчатой формы с наружным диаметром 160 мм и внутренним 60 мм. Фрезформовочные машины с таким принципом формования работают на отечественных предприятиях и по сей день.

Кроме перечисленных в экспериментальном машиностроении используются и другие типы формователей, например торовый, показанный на рис. 8. Он представляет собой набор дисков с лопатками, которые при вращении перемещаются по кольцевому каналу – тору и толкают перед собой определенный объем торфяной массы, захваченной лопатками при прохождении загрузочной зоны. При выходе из кольцевого канала сформованный торф падает на поверхность поля сушки в виде кусков цилиндрической формы с длиной, равной расстоянию между лопатками. Формователь можно составлять из любого числа дисков. Этот формователь (как вариант) устанавливался на машинах МБТ-600 и показал хорошие эксплуатационные характеристики: качество формования, постоянство формы и размеров кусков и небольшой расход энергии на формование. Недостаток его заключался в том, что он достаточно сложен и чувствителен к попаданию посторонних предметов.

При работе фрезформовочных машин скорость выхода сформованной массы зависит от глубины фрезерования, скорости передвижения машины, состояния ножей на фрезе, их комплектности и других факторов. Для того чтобы не происходило деформации и разрушения сформованных кусков из-за несогласованности скорости выхода кусков из мундштуков и поступательной скорости машины, мундштуки приподняты над поверхностью поля стилки. Куски при этом отламываются от торфяной ленты под действием собственного веса и падают на поверхность залежи. Для того чтобы регулировать высоту сбрас ывания кусков (а она не должна превышать 0,2…0,3 м ) , применяются специальные лотки, которые крепятся к мундштукам. Для предупреждения ершения

28

кусков при формовании на мундштуки некоторых машин устанавливали эластичные резиновые наконечники, увеличивающие время упругого расширения торфа после формования и уменьшающие величину этого расширения.

При фрезформовочном способе, как правило, формуются куски круглого сечения диаметром 80…100 мм и кольцевого сечения. Длина таких кусков составляет примерно 1,5…2 их диаметра.

1.5. Стилка торфяных кусков на поле сушки

Сформованные куски укладываются на поверхность полей сушки. Эта операция называется стилкой. Различают три вида стилки: лентами (волнистыми лентами), внаброс и с откладчиком.

При стилке лентами скорость истечения торфа из мундштука, который скользит по поверхности поля (или находится на небольшом расстоянии от нее), равна по величине и обратна по направлению скорости поступательного движения машины. Чем точнее совпадают скорости, тем лучше идет укладка лент на поверхность поля и тем меньше в ленте дефектов, вызванных стилкой. Сечение ленты при этом равно площади выходного отверстия мундштука. На практике допускается несовпадение скоростей не более чем на 10 % в большую или меньшую стороны. Стилку лентами выполняют стилочные и фрезформовочные машины.

Стилка волнистыми лентами выполняется при скорости истечения торфа в 1,5…2 раза большей, чем рабочая скорость машины. Мундштук при стилке также скользит по поверхности поля, но его формующая оконечность устанавливается под некоторым углом к этой поверхности (угол вылета равняется 20…30 ). Вылетая из мундштука, лента изгибается в виде арки и опирается на подстил двумя концами. Волнистая стилка позволяет повысить цикловые сборы торфа с единицы площади. Но этот вид стилки требует строгого соблюдения влажностного и скоростного режимов формования. Иначе волна будет ломаться, падать, оседать, слипаться и образовывать наплывы.

Стилка внаброс выполняется из мундштуков, поднятых над поверхностью поля сушки на высоту в 1,5…2 раза больше, чем средняя длина кусков. Скорость истечения торфа из мундштуков в два раза больше скорости машины. Расстил, сформированный таким способом, представляет собой слой кусков, хаотично расположенных на поверхности поля сушки. Он хорошо сохнет, легко пропускает сквозь себя осадки, имеет относительно небольшой контакт с подстилом. Но в продукции, полученной таким способом, содержится много мелочи. Причиной этому служит появление трещин при изгибе и отламывании отдельных кусков от выходящей из мундштука ленты и удар при падении. Особенно это заметно при недостаточной влажности формуемого торфа, когда

29

его консистенция приближается к границе пластичности. Чтобы избежать этого нужно разрезать ленту на куски, не позволяя им отламываться самопроизвольно, и регулировать высоту падения.

При стилке ленты ее разрезают на отсеки, делая на ней насечки глубиной 0,3…0,5 от высоты куска. Окончательное разделение ленты на отдельные куски происходит в ходе усадочных деформаций при сушке. При стилке волнистыми лентами она разделяется на куски из-за неравномерности сушки и усадки, ломаясь в верхней и нижней частях арки. При стилке внаброс куски отламываются под действием собственной массы. Их длина при этом в 1,5…2 раза больше диаметра.

Расстил кусков на поле сушки характеризуется рядом параметров:загрузка по сухому веществу (Р с , кг/м 2 )

	Рс		G				;
			F 1	Wн

начальное влагосодержание (W н , кг/кг);

плотность кусков в момент стилки ( к , кг/м 3 );

размер кусков (d к , h к , м);

толщина плотного слоя (h п с )

h		Рс 1 Wн		или h		fл	;
п с		γк		п с		bп

критерий слоя (К сл );

			Р 1 W					hп с
	Ксл		с	н		или Ксл				;
			γк	dк				d	к

количество слоев (n c ):

nс ККс* ,

с

(1.31)

(1.32)

(1.33)

(1.34)

где G – масса торфа при W н , кг; F – площадь, на которой он выстлан, м 2 ; f л – площадь поперечного сечения ленты, м 2 ; b п – ширина полосы, на которую укладывается лента, м; К с*– критерий слоя однослойного плотно уложенного расстила (К с*= 0,785).

1.6. Оценка и регулирование качества формованного торфа1

При сушке торфа в полевых условиях при радиационноконвективном теплоподводе необходимо учитывать роль каждой из составляющих теплоподвода. При конвективном теплоподводе сушка произ-

1 Раздел написан д.т.н. профессором А.Е. Афанасьевым.

30

водится под действием воздушных масс с характеристиками Т, φ, V (где V – скорость ветра), а при радиационном – под действием излучения солнца Q = S + D за счет радиационного баланса B = Q – R – Eэф (R – отраженная составляющая излучения; Еэф – эффективное излучение; S – прямая; D – рассеянная радиация), определяющего интенсивность сушки i

(В.В. Романов):

i = αR·(B – P),

(1.35)

где α R = const, кг/Дж , зависит от свойств торфа (W) и метеоусловий; Р – затраты тепла на аккумуляцию и глубинный отток, Дж/м 2∙с.

Роль конвективной составляющей теплопереноса незначительна по сравнению с радиационной и может быть учтена коэффициентом αR в формуле (1.35). Коэффициент αR с погрешностью 5…13 % может определяться из формулы (В.В. Романов, К.К. Павлова, К.Е. Иванов) R = i/В при Р 0.

Для верхового (h = 100…20 мм) пушицево-сфагнового торфа (Rт =25%, Wн = 2,5 кг/кг); R = (3,7…2,78) 10-7 кг/Дж, что совпадает с данными О.А. Белоцерковской при полевой сушке фрезерного торфа верхового типа средней степени разложения Rт с учетом скорости ветра.

Диаграмма (рис. 9) строится для конвективного теплопереноса и выполняет роль модели для других видов теплоподвода.

Рис. 9. Диаграмма влажностного состояния торфа с позиции процесса сушки

Удаляемое влагосодержание Wу = Wн – Wp (Wp – равновесное влагосодержание; Wp = ƒ(Т, φ, Р), Wн – начальное, кг(в)/ кг(с) ). Из изотерм сорбции и десорбции (см. рис. 9) следует, что если W больше максимальногигроскопичного Wмг, то давление пара жидкости материала равно давлению насыщенного пара свободной жидкости при Т материала и не зависит от его W, т. е. для медленно текущего процесса W > Wмг , Рм = Рн = const и