CC BY
58
УДК 666.9.022.3+691.33
НАУКОВІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ ОБЛАДНАННЯ НА БАЗІ ВАЛКОВИХ МЕХАНІЧНИХ АКТИВАТОРІВ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ЦЕГЛИ
О.Ю. Крот, доцент, к.т.н.,
Харківський національний університет будівництва і архітектури
Анотація. Досліджено сумісно процеси механічної активації дрібнозернистих бетонних сумішей у валкових активаторах та процеси формування виробів із цих сумішей у механічних пресах, з метою визначення перспектив, меж застосування та раціональних параметрів процесів; розроблено практичні рекомендації, методики та конструкції обладнання.
Ключові слова: механічна активація, валкова машина, будівельні суміші, прес, цегла.
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НА БАЗЕ ВАЛКОВЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ АКТИВАТОРОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КИРПИЧА
А.Ю. Крот, доцент, к.т.н.,
Харьковский национальный университет строительства и архитектуры
Аннотация. Исследованы совместно процессы механической активации мелкозернистых бетонных смесей в валковых активаторах и процессы формирования изделий из этих смесей в механических прессах, с целью определения перспектив, границ применения и рациональных параметров процессов; разработаны практические рекомендации, методики и конструкции оборудования.
Ключевые слова: механическая активация, валковая машина, строительные смеси, пресс, кирпич.
SCIENTIFIC PRINCIPLES OF MAKING EQUIPMENT ON THE BASE OF ROLL-TYPE MECHANICAL ACTIVATORS FOR BRICK MANUFACTURE
A. Krot, Associate Professor, Candidate of Engineering Sciences Kharkiv National University of Construction and Architecture
Abstract. Mechanical activating offine grain concrete mixtures in roll-type activators as well as forming products from these mixtures in mechanical presses have been analyzed aiming to determine the prospects, applications and rational process parameters; practical recommendations, methods and design of equipment have been developed.
Key words: mechanical activation, roll-type machine, construction mixtures, mechanical presses, brick.
Вступ
Все більш популярною останнім часом стає ідея активації речовин, з метою зміни їх властивостей для використання в різних сферах виробництва і науки. Багато інформації в науково-технічних джерелах присвячено технології і машинам для активації в’яжучих речовин. Значно менше прикладів реалізації
активації суміші кінцевої вологості разом з заповнювачем. Така активація дозволяє вирішувати багато проблем, що впливають на якість товарних виробів чи матеріалів: якісне змішування компонентів, активація заповнювача з досягненням більш ефективної його форми, поточне корегування гранулометричного складу тощо.
На кафедрі механізації будівельних процесів Харківського національного університету будівництва та архітектури (ХНУБА) розроблено конструкцію барабанно-валкової машини (рис. 1), яку запропоновано застосовувати як активатор будівельних сумішей [1]. Процес переробки - багаторазове циклічне ущільнення розпушення суміші - дозволяє суттєво вплинути на її властивості, що можна використати у виробництві дрібноштуч-них будівельних виробів.
Рис. 1. Схема барабанно-валкового активатора безперервної дії: 1 - барабан; 2 -ролики; 3 - валок; 4 - пристрій для притискання валка до внутрішньої поверхні барабана; 5 - завантажувальний лоток, 6 - ніж; 7 - розвантажувальний лоток; 8 - напрямний елемент для регулювання осьового переміщення матеріалу
Аналіз публікацій
Між поняттями «подрібнення» і «механічна активація» потрібно провести межу. Подрібнювання проводять з метою одержання максимальної поверхні порошку за мінімальних витрат енергії, а активацію - з метою накопичення енергії у вигляді дефектів чи інших змін у твердій речовині, що дозволяють знизити енергію активації її наступного хімічного перетворення чи поліпшити умови для протікання процесу. Фактори, що впливають на формування поля напружень, і основні шляхи релаксації розглянуто В.В. Болде-рєвим. Форми запасання енергії при механічній активації можуть бути різними. Звичай-
но вони зводяться до утворення у кристалах, що активуються, дефектів.
Часто результатом механічної обробки є пластична деформація і пов’язане з нею утворення лінійних дефектів - дислокацій, іонних і атомних вакансій, міжвузлових іонів. Крім того, кути між зв’язками можуть змінюватися, а також можуть з’являтися обірвані зв’язки, що у ковалентних кристалах приводять до утворення вільних радикалів, а в молекулярних - до аморфізації.
Мета і задачі досліджень
Дослідити сумісно процеси механічної активації дрібнозернистих бетонних сумішей у валкових активаторах та процеси формування виробів із цих сумішей у механічних пресах, з метою визначення перспектив, меж застосування та раціональних параметрів процесів; розробити практичні рекомендації, методики та конструкції обладнання для виготовлення дрібноштучних стінових виробів з активованих сировинних сумішей.
Вирішення проблеми
Безпосереднім результатом механічного впливу робочих органів на елементи суміші та взаємодії елементів суміші між собою є:
- руйнування слабких крупних зерен;
- округлення зерен лещадної і голчастої форми;
- багаторазове ущільнення і досягнення внаслідок цього раціонального зернового складу, з точки зору найбільшої густини;
- оголення активних поверхонь, здирання гідратованих шарів з утворенням гелю;
- якісне перемішування компонентів суміші; ефективний розподіл мікроструктурних домішок з метою зменшення пористості;
- деформація кристалів, утворення великої кількості дефектів, зсувні напруження, агрегація кристалітів, виділення тепла, локальний підйом температури і тиску, емісія світла і електронів, фазові перетворення, аморфіза-ція, розрив хімічних зв’язків, прискорення процесів дифузії, формування центрів із підвищеною активністю на свіжоутворених поверхнях.
Основною ж проблемою напівсухого пресування є забезпечення раціонального рівня максимального тиску та його сталості [4].
Зміна властивостей сировинних сумішей, внаслідок механічної активації, вносить такі особливості у процес формування з цієї суміші виробів:
1. Значною мірою змінюються, внаслідок механічної активації, властивості сировинної суміші, в результаті чого змінюються параметри засипки, підпресування та пресування.
2. Активована суміш характеризується більш положистою компресійною кривою (кривою пресування, рис. 2), що суттєво поліпшує стабільність маси засипки та пресового тиску.
3. Проте внаслідок активації здатними до пресування з одержанням міцного сирцю стають суміші, з яких формування без активації було неможливим. Наприклад, саме механоактивація піщано-цементної суміші на основі кварцового піску робить можливим застосування цієї суміші для виробництва цегли [5]. При цьому, на відміну від піщано-вапняної, ця суміш має значно менш положисту компресійну криву, а отже, пред’являє більш жорсткі вимоги до стабільності пресового тиску.
Дослідження зміни гранулометричного складу суміші та форми зерен
На основі аналізу зсувних напружень, що виникають у суміші під валком, запропоновано аналітичний підхід, що пояснює принцип подрібнювання лещадного матеріалу виникаючими згинальними напруженнями. Доведено, що:
- форма зерен суміші в результаті переробки у валкових активаторах суттєво змінюється, наближаючись до обкатаної (кубоподібної) форми, яка забезпечує більшу міцність виробів, маючи більшу марку як за подрібнюваністю, так і за стиранням;
- гранулометричний склад кінцевого матеріалу добре піддається корегуванню технологічними параметрами переробки (товщина шару суміші, тиск та час переробки) і може забезпечити одержання суміші з раціональним гранулометричним складом з використанням лише однієї фракції вихідного матеріалу (з додаванням в’яжучого);
- запропоновано математичну модель взаємодії частинок матеріалу в товстому шарі валкових активаторів.
Енергетичні зміни у речовині при активації. Енергетика хімічних реакцій утворення гідросилікатів у системі СаО*SіO2*nH2O. Перспективи розробки безавтоклавних технологій силікатних матеріалів
У технології силікатних виробів утворення низькоосновних гідросилікатів звичайно проходить при гідротермальному твердінні: по-перше, двостадійно (через утворення ви-сокоосновних гідросилікатів); по-друге - за вищих температур, ніж необхідно для утворення високоосновних гідросилікатів. Авто-клавна обробка за підвищеної температури (наприклад, 190 °С замість 160 °С) не є «популярною» на виробництві.
Активація ж суміші на основі силікатів у барабанно-валковій машині сприяє збільшенню вмісту у продукті твердіння низькоосновних гідросилікатів кальцію, а також кальциту, зменшує при цьому об’єм не залучених до процесу мінералоутворення портландіту Са(ОН)2 та негашеного вапна СаО. Тим самим підтверджено суттєвий вплив механо-активації силікатної суміші у барабанно-валковій машині на процес мінералоутворення.
Зміну стану активованої системи було розглянуто з погляду термодинаміки. У результаті термодинамічних розрахунків показано, що, з енергетичної точки зору, найбільш доцільно застосовувати у виробництві силікатної цегли негашене вапно. Гасіння при цьому має відбуватися одночасно з початком утворення гідросилікатів, що можливо у випадку використання в цьому процесі механоакти-вації. Для уповільнення гасіння вапна пропонується використовувати фосфогіпс; при цьому розтягується проміжок часу, впродовж якого можливим є утворення гідросилікатів.
Експериментально підтверджено можливість одержання вологостійкої будівельної цегли шляхом змішування 3-10 % вапна із кварцовим піском з додаванням води і наступним пресуванням виробів, якщо при змішуванні додавати 1-10 % дигідрату фосфогіпсу, після чого здійснювати переробку в обладнанні, яке забезпечує силовий механічний вплив на одержану суміш, що виражається в її багаторазовому роздавлюванні та перетиранні. Спосіб захищено патентом.
Процеси гомогенізації матеріалу у валкових активаторах
Запропоновано підтверджену експериментальними дослідженнями математичну модель змішування компонентів у барабанно-валковій машині (рис. 1). Модель базується на математичному апараті ланцюгів Маркова. Модель підтверджує принципову можливість створення комплексів виробництва дрібно-штучних виробів з використанням барабанно-валкової машини без
додаткового змішувача. Одним із розповсюджених рішень при створенні безпере-рвнодіючих змішувальних комплексів є об’єднання однотипних чи різних за конструкціями змішувальних пристроїв у каскад, в якому кожний змішувач служить для зміни дисперсії концентрації у певному діапазоні, наскільки це дозволяють режимні параметри роботи. Дослідженнями на моделі підтверджено доцільність використання перед барабанно-валковою машиною недорогого змішувача (наприклад, одновального лопатевого) для попереднього змішування. Для машини періодичної дії запропонована модель дозволяє оцінювати різні регламенти завантаження компонентів.
Обґрунтування застосування компресійних кривих та методика їх побудови
Колективом дослідників з ХНУБА, за участю автора, запропоновано нову форму математичного описання компресійної кривої:
Чі = Ч0' еЬ(р-р0), де ці, ц0 - поточний тиск пресування та базовий тиск, МПа; Ь - коефіцієнт, що характеризує здатність суміші ущільнюватись; р, р0 - густина суміші за тиску ці та базового тиску ц0 , г/см3.
і і
До активації д(р) = 1-е^ І
/ / я актр )=і- гаятпї еї1(> 1,74)
З'"-
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2
р, г/см3
Рис. 2. Компресійні криві та їх запропоноване математичне описання
Із трьох показників, що входять до математичного опису, два (базові тиск і густина -ц0, р0) є реальними фізичними величинами, які визначають экспериментально.
Тільки коефіцієнт Ь є емпіричним. Необхідно мати мінімум дві точки - базову (ц0, р0) та максимального тиску (цтах, ртах). Коефіцієнт Ь можна розрахувати за формулою
(
ІП Г
Цо
Рп
Ро
(1)
Компресійні криві пропонується застосовувати як для моделювання процесів пресування виробів, так і для процесів переробки сумішей у валкових машинах.
Аналіз різних компресійних кривих дозволив виявити, що:
- властивості сировинної суміші значною мірою впливають на коливання тиску, наприклад, сталість рівня при формуванні силікатної суміші у півтора рази вища, ніж при формуванні цегли з активованої шлакоцементної суміші; активація суміші суттєво знижує рівень потрібного пресового тиску, що відповідно відбивається на багатьох пунктах собівартості;
- об’ємне дозування здатне забезпечити стабільність маси засипки у пресформу на рівні ±2 %, що відповідає стабільності тиску при механічному пресуванні на рівні ±(20-22) % для силікатної суміші, що, судячи з практики, є припустимим, але веде до суттєвої нестабільності якості готової цегли, а отже, до суттєвих витрат в’яжучого (вапна); через це зниження нестабільності маси засипки (як і підвищення стабільності пресового тиску) є дуже перспективним напрямком зниження собівартості;
- механоактивація суміші перед пресуванням веде до суттєвої зміни форми компресійної кривої у напрямку збільшення її положистості, в результаті чого суттєво збільшується стабільність пресового тиску та стабільність якості цегли;
- цементно-піщані суміші без механоактива-ції при механічному пресуванні забезпечують незадовільну стабільність пресового тиску (±40 %), що робить їх непридатними для застосування у виробництві дрібноштучних виробів, а після механоактивації цих сумішей стабільність пресового тиску є цілком достатньою;
- нестабільність маси засипки може бути результатом не тільки несталості властивостей суміші, але й наслідком недосконалості механізму пресування (наприклад, накопичення залишків суміші на пресовому поршні при застосуванні револьверного преса); через це (через нестабільність суміші та недосконалість механізму) сумарна нестабільність пресового тиску може досягати 500 %; тому перспективною є розробка пристрою, здатного зменшити вказаний недолік механізму;
- суттєвий внесок у стабільність пресового тиску робить пружність ланок механізму, що є позитивним для стабільності марочності виробів, але негативно відбивається на стабільності висоти виробу та довговічності елементів механізму преса; через це перспективним може бути застосування додаткової ланки (стабілізатора) з керованою пружністю, що забезпечила б додаткову стабілізацію пресового тиску.
Моделювання процесу ущільнення
Спільний розгляд компресійних кривих матеріалу з рівняннями, що описують ущільнювальну здатність валкової машини (закон зміни густини матеріалу під валком у міру його прокатування по матеріалу), дозволив змоделювати процес зміни тиску.
Модель побудовано таким чином, що тиск у кожному перерізі шару під валком визначається виходячи з густини шару в цьому перерізі відповідно до компресійної кривої. Густина визначається з урахуванням коефіцієнта ущільнення для розглянутого перерізу. Запропонована модель дозволяє:
- визначати зусилля притискання валка, необхідне для забезпечення потрібного максимального тиску в шарі суміші, що активується;
- оцінювати максимальний тиск у шарі під валком залежно від зусилля притискання валка й характеристик суміші;
- вибирати раціональні розміри і силові характеристики активатора.
Дослідження руху матеріалу у барабанно-валковій машині
Запропоновано конструкцію напрямного апарата з пластинами, встановленими перпендикулярно до осі барабана і розташованими під зрізаючим пристроєм. З метою регулювання пластини повертаються на певний кут відносно своєї осі (рис. 3). Запропоновано
аналітичні моделі руху матеріалу всередині барабана барабанно-валкової машини, проаналізовано чинники регулювання швидкості просування матеріалу вздовж барабана, висоти шару матеріалу під валком та продуктивності машини. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено аналітичну залежність для визначення продуктивності машини безперервної дії як транспортувальної машини. Запропоновано та реалізовано методику розрахунку продуктивності. Запропоновано та впроваджено у виробництво технічні рішення для регулювання висоти шару матеріалу [2].
Рис. 3. Конструкція напрямного пристрою із
пластинами
Дослідження механізму переробки матеріалу у валкових машинах з різними швидкостями робочих органів
Взаємний зсув шарів матеріалу під валком суттєво впливає на ефективність переробки, причому зсувні напруження можна збільшити, якщо поверхні барабана 1 (рис. 1) і валка 3 рухаються з неоднаковою швидкістю. Наприклад, досягнуте у процесі експерименту на машині періодичної дії проковзування 18 % дозволило підвищити міцність зразків цементно-піщаної цегли удвічі; при цьому енергоємність переробки збільшилась на 38 %. Запропоновано нову конструкцію привода барабанно-валкової машини, яка дозволяє приводити до обертального руху барабан і валок з гарантовано різними лінійними швидкостями робочих поверхонь. Запропоновано аналітичну модель утворення тиску у матеріалі під валком при прокатуванні матеріалу із проковзуванням. Схожий розгляд швидкоплинних процесів у матеріалі застосовується у сейсмології: напруги в масиві ґрунту визначаються виходячи з прискорень (з діаграми прискорень).
Вихідні дані для моделювання:
- характеристики машини: юІ5ю2, та геометричні розміри робочих органів ^, г, В, И);
- максимальний тиск активації дтах,Н/м2; модуль крупності перероблюваного матеріалу Мкр,м;
- коефіцієнт тертя між робочою поверхнею валка і прилеглим до нього шаром перероблюваного матеріалу в ущільненому стані
/вм ;
- коефіцієнт тертя між внутрішніми шарами матеріалу в ущільненому, текучому стані /Им .
Ефект різних лінійних швидкостей (рис. 4) полягає у тому, що вони за час ґ, с ущільнення шару перероблюваного матеріалу створюють у ньому сили тертя. Так, для випадку, коли лінійна швидкість робочої поверхні валка V1,м|с є меншою за лінійну швидкість робочої поверхні барабана V2,м|с , валок уповільнює сусідні шари матеріалу один відносно одного за час ущільнення. Результати моделювання: величина сумарного тиску ,Н/м2 у матеріалі під валком
при максимально можливому співвідношенні лінійних швидкостей; потрібне зусилля притискання валка Рв, Н; потрібна потужність двигуна N, кВт .
1. Розроблено методику розрахунку параметрів машини.
2. На машинобудівному заводі «Червоний Жовтень» створено напівпромисловий зразок барабанно-валкового активатора.
Рис. 4. Моделювання процесу проковзування валка
Вплив активації суміші на формування дрібноштучних будівельних виробів
Пресове формування - однин із найвідповідальніших процесів у виробництві дрібно-штучних стінових виробів. Різноманітність
конструкцій пресів ([5]) обумовлена, насамперед, широким спектром властивостей сировинних сумішей, а також різними вимогами до показників якості стінових виробів. Формування у замкнених пресформах [6, 7] може здійснюватися методами напівсухого та вібропресування, характерне для виробів із дрібнозернистих та порошкоподібних сировинних сумішей вологістю (5^15) % і реалізується стисканням суміші у пресформі. Напівсухе пресування залишається найбільш популярним у виробництві стінових виробів і здійснюється у пресах із гідравлічним приводом, але частіше - у пресах із механічним приводом.
Висновки
- В результаті переробки в механічних активаторах здатними до формування стають суміші, які без активації застосовувати неможливо; але вимоги до стабільності режиму пресування у цих сумішей є дуже високими.
- Поєднати достоїнства пресів із гідравлічним приводом (стабільність тиску пресування) і пресів із механічним приводом (велика питома продуктивність, невелика ціна) дозволяє впровадження пружної ланки у силове замикання механічного привода.
- Розроблено та впроваджено у виробництво пневматичний стабілізатор пресового тиску.
- Запропоновано модель, що пов’язує процеси напівсухого пресування і засипки при використанні пневмопідпресування й дозволяє оцінювати вплив властивостей сумішей та параметрів пневмопідпресування на пресовий тиск. Використання запропонованої моделі дає змогу за результатами регламентних випробувань призначати конструктивні і режимні параметри пресів напівсухого пресування із пневмопідпресовником для виробництва дрібноштучних стінових виробів.
- Із використанням моделі підтверджено ефект самостабілізації пресового тиску при використанні пневмопідпресування для деяких сумішей.
- Розроблено методику вибору раціонального тиску пневмопідпресування і визначення його основних параметрів.
- Застосування підпресування розширює галузь використання револьверних пресів для формування нових видів продукції, насамперед цегли на гідравлічному в’яжучому (цементна та шлакоцементна цегла, вироби на без-цементних активованих сумішах).
- Запропоновано конструкцію підпресовника для використання у пресах при формуванні
активованих сумішей на основі цементного в’яжучого.
- Підтверджено, що позитивний ефект від механічної активації у валкових активаторах полягає не тільки у підвищенні міцності (або відповідному зниженні витрат цементу), а й у можливості істотного зменшення пресового тиску до рівня 10-20 МПа. Це дозволяє суттєво зменшити металоємність і вартість таких пресів, знизити зношування лицювальних пластин пресформ, зменшивши собівартість.
- Підтверджено ефект самостабілізації міцності цегли при варіації інтенсивності обробки суміші в активаторі.
- Розроблено та експериментально перевірено модель напівсухого пресування механічно активованих будівельних сумішей з урахуванням параметрів активації суміші та пнев-мопідпресування перед пресуванням. Модель дає змогу за результатами регламентних випробувань призначати конструктивні і режимні параметри пресів напівсухого пресування із пневмопідпресовником для виробництва цегли.
- Проаналізовано вплив тривалості переробки суміші в активаторі та параметрів підпре-сування на режимні параметри преса.
- Запропоновано пристрій у вигляді щілинного сопла для очищення пластин штампів від матеріалу, що насипається на них, спричиняючи нестабільність якості виробів.
- Аналітично визначено діапазон швидкості повітря, який є необхідним для функціонування пристрою.
- Змодельовано варіанти введення повітря з різним тиском у різні системи живильних труб щілинного сопла.
- Змодельовано різні варіанти розташування щілинного сопла відносно очищуваної поверхні. Як критерій ефективності запропоновано «інтегральну» швидкість повітря на висоті 1мм на довжині 120 мм. Визначено оптимальне положення сопла відносно очищуваної поверхні.
- Доведено, що для очищування може бути застосоване повітря з тиском, значно меншим, ніж у цеховій магістралі силікатного заводу. Наприклад, можливе застосування вентиляторів високого тиску (замість компресорів), що суттєво здешевлює процес очищення.
- Запропоновано пристрій запобігання зависанню пресових штампів для револьверного преса для активованих сумішей.
- Загалом за темою одержано 12 патентів України на винахід на конструкцію, 1 - на спосіб, серед яких є такі, що вже впроваджено, в тому числі й у серійне виробництво (завод «Червоний Жовтень»).
Література
1. Патент 56265 UA, МКІ В02С 15/06, В28С
1/10. Активатор / Болотських М.С., Савченко О.Г., Федоров Г.Д., Крот О.Ю., Волков В.І. - №2000042077; заявл.
11.04.2000; опубл. 15.05.2003, Бюл. №5.
2. Патент 92642 UA, МКІ В02С 15/06, В28С
1/10. Барабанно-валковий агрегат безперервної дії / Болотських М.С., Федоров Г.Д., Савченко О.Г., Крот О.Ю., Супряга Д.В., Буцький В.О., Супряга А.В.
- №200814754; заявл. 22.12.2008; опубл. 25.11.2010. Бюл. №22.
3. Крот О.Ю. Дослідження впливу механоак-
тивації матеріалів на основі силікатів у барабанно-валковій машині на процес мінералоутворення. / О.Ю. Крот // Науковий вісник будівництва. - Х.:
ХДТУБА. - 2008. - Вип.46. - С. 140-153.
4. Крот О.Ю. Моделювання процесів ущіль-
нення будівельних сумішей з використанням компресійних кривих / О.Ю. Крот, А.М. Тимощенко, О.Г. Савченко, В.І. Праведніков // Науковий вісник будівництва. - Х.: ХДТУБА ХОТВ АБУ. - 2004. - Вип. 29.- С. 85-92.
5. Створення обладнання та технології ком-
плексів по виготовленню дрібноштуч-них виробів безавтоклавного твердіння на основі механоактивованих силікатів: Звіт про НДР (заключн.) /ХДТУБА. -№ДР 0109U000270. - 2010. - 223 с.
6. Савченко О.Г. Обладнання комплексів для
виробництва будівельних дрібноштучних стінових виробів: навч. посібн / О.Г. Савченко. - Х.: Тимченко, 2006. -416 с.
7. Богданов В.С. Технологические комплек-
сы и механическое оборудование предприятий строительной индустрии. Учебник / В.С. Богданов, С.Б. Булгаков, А.С. Ильин, А.Ю. Крот - Белгород: Изд-во БГТУ, 2008. - 528 с.
Рецензент: І.А. Ємельянова, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 12 червня 2012 р.
