CC BY
16
всех этапах освоения месторождений. При этом можно достигнуть максимальный эффект при минимальных затратах средств на защиту карьера от воды.
Своевременная (на стадии проекта) разработка различных современных систем осушения (защиты) глубоких кимберлитовых карьеров , а также осуществление разработанных мероприятий (до начала вскрышных работ по обводненным породам) в соответствии с тем-
пами и технологией горных работ позволит намного улучшить экономические показатели добычи кимберлитовой руды и сократить сроки освоения проектных мощностей горных предприятий.
Сроки ввода в действие водозащитной системы зависят от горно-геологических условий, применяемого оборудования, требований к качеству полезного ископаемого и должны контролироваться проектной организацией.
— Коротко об авторах
Алькова Е.Л. - ИГДС СО РАН. Альков С.П. - ЯГУ, г. Якутск.
-------Ф
^--------
------------------------------------ © А.Е. Афанасьев, Ю.Л. Ковальчук,
2004
УДК 532.6:542.47
А.Е. Афанасьев, Ю.Л. Ковальчук ВЛИЯНИЕ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ И ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ НА КАЧЕСТВО ФОРМОВАННОГО ТОРФА
Семинар № 12
ш Ш ри получении формованной продук-
-Ж_Ж ции на основе торфа и сапропеля необходимо рассматривать вопросы устойчивости структуры материала (или его композиций) при взаимодействии с внесенными в него компонентами и влагой. При этом в зависимости от возникающих напряжений структура может оказаться разрушенной, что приводит к полидисперсности частиц и гетерогенности их по-рового пространства. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке композиций с пролонгированными свойствами по массооб-мену между частицами и контактирующей с ними пористой системой.
В этой связи представляет интерес изучить изменение физико-механических свойств формованных частиц (прочность К) в зависимости от развивающегося при сушке влажных материалов внутреннего давления Р, определяюще-
го усадку системы при различных влагосодер-жаниях (Wj = const) и дисперсности S0 (м2/кг) [1, 2].
Вследствие различия обезвоживания в поверхностных и внутренних слоях частиц процессы усадки, а, следовательно, и изменения пористой структуры, протекают неодинаково, что вызывает объемно-напряженное состояние из-за различия в структуре в объеме материала. Максимальная усадка растет с понижением температуры. В интервале изменения S0 = 300...400 м2/кг kyc = f (S0) описывается уравнением:
— = В - CS0, (1)
kyc
где (В и С) = const уравнения соответственно, отражающие приведенные коэффициенты
In R
2,0
1,5
1,0
0,5
0
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
-2,5
lnJ?QW Ч 2 з ■ Wx= 6,69 • Щ= 6,69
0 0,5 \ 1,5 2,0 2,5 з о И^кг/кг tS ж
структурообразования X | кг(в) j и X s
l кг(с))
f м2 Л-1
I ; для низинного гипнового торфа
vKr J
(R T = 3Q...35 %, T = 333 K)
. кг(в), c = 11,4.1Q-3 кг(в).
А в зави-
B = 3,45 -
кг(с) м
симости от начального влагосодержания (Wн = Wф) значение кус изменяется согласно уравнению:
V - V ,
кус =—Г---------^ (!)*
ус VH (Жф - WK)
где Vн, Vк - начальный и конечный объем образца.
Следовательно, к ус уменьшается с ростом W ф, при прочих равных условиях, из-за высокой подвижности элементов структуры материала, обеспечивающей снижение числа и интенсивности дефектов образца, и его максимальную R0w прочность К0ц = A'Kexp[X(W$ - WK)]
где RK - конечное значение прочности при Wi = Wк, X = const уравнения.
При давлении Р большем предельного напряжения сдвига, наблюдается пластическая деформация и скорость усадки будет пропорциональна (Р - 0) ^ (^ - вязкость торфа). Происходит разрыв и рекомбинация связей Ван-дер-Ваальса при высоком Wi> Wс (Wс £ 0,9.. .1,5 кг/кг) - вла-госодержание, разделяющее периоды структурообразования на первый: WH...Wс, и второй: WC...Wр [1, 2] (рис. 1). Здесь Wн и Wp - соответ-
Рис. 1. Зависимость 1п Я от Ш при влагосодержании формования Жф = 6,69 кг/кг гипнового низинного торфа (Ят = 30...35 %, ^н = 30 мм, £ 0 = 303 м 2/кг, Т = 333 К): 1, 2 - периоды структурообразования: 1. 1п ЯI = -
0,778Ш + 0,33, Я2 = 0,95; 2. 1п Я1 = - 2,168Ш + 2,
Я2 = 0,93; Ш 0 = 1,2 кг/кг
ственно начальное Шн = 4,5...5,6 кг/кг и равновесное Ш р = 0,1.. .0,37 кг/кг влагосодержание.
При НИЗКОМ Ші < Шс в большей степени проявляются водородные связи, рекомбинация которых затруднена, т. к. они относятся к короткодействующим и проявляются на расстоянии атомных размеров при взаимодействии через функциональные группы (ОН, СООН и др.) образуя 1.3 связи [3].
Причем образование таких связей начинается в первом периоде структурообразования при Ші = Гн. Постепенно накапливаясь они, переводят процесс структурообразования на качественно новый уровень при Ші = Шс. То есть при влагосодержании Ш с скачкообразно изменяется характеристика структуры - Яі и энергия активации процесса разрушения АЕ = Е 2 - Е 1 из-за преобладания Н-связей. Поэтому Ш*н служит точкой бифуркации процесса [4].
Расчеты показывают, что для органического сапропеля Ш*н = 3,8 кг/кг, Е = 9 кДж/моль [4], а для пушицево-сфагнового торфа (Я т = 30 %, <ін = 15.60 мм) Шн = 1,82 кг/кг при соответствующей прочности Я н = 200 кПа [3], для сапропеля изменялось от 3,5 (мергель глинистый, Ас = 93 %) до 4,2 кДж/моль (сапропель органический, Ас = 17 %), что несколько выше АЕ торфяных систем [2, 5, 6]. Значение АЕ зависит от вида торфа, степени переработки и Я т, режима сушки и зольности (особенно у сапропелей). С позиции классической термодинамики к ус зависит от изменения свободной энергии ДР:
к ,
ус РШ¥С
а коэффициент структурообразования X изменения энтропии Д5:
в № а
(2)
X = ■
W P R T
или, в общем виде, от (-
?( -AF)
AF):
X = -
WPT
(3)
(4)
Рис. 2. Изменение прочности (на сжатие) R i кускового магелланикум-торфа (R т = 25 %) в зависимости от внутреннего давления P (НУм2) при фа=0,7 для различной дисперсности S0 = 580 (1-5), 470 (1-5), 630 м2/кг (1 п-5') при Т=295 (.1, 1'1 *); 303 (2, 2' 2'); 313 (3, 3'3 '); 323 (4, 4' 4'); 333 (5, 5' 5'). Давление измеряли в центре куска (1-5, 1-5',1 "-5 ^ и в поверхностном слое (1*-5*) сферическим датчиком. Обработка данных [3, 8]. Цифрами: 0; 0,4; 0,6; 0,9; 1,4; 1,8; 2,1 - обозначено влагосодержание Wi = const, кг/кг; const = 7,354ff7 (Па)'1
при прочих постоянных условиях, что отражает их физическую сущность, вытекающую из соотношений для прочности торфяных систем [2, 3, 4]:
Ri = R0T exp
где в =.
E0 - aW R T
= R0W exp(- Щ), (5)
kycVcR *
■ = const - обобщенная посто-
янная структурообразования (К/м ), характери-
Дж
_) прнведен-
зующая удельную (а,
моль кг/кг
ную работу разрушения; Я0Т, Я№ - исходная и максимальная прочность структуры (Па),
R0W ~ R0T exp
E0 R T
(5)*
Е(Ш) = Е0 - аШ,- - энергия активации процесса разрушения (для торфа Е(Ш) = 16,2.9,9 кДж/моль); Е 0 - потенциальная энергия взаимодействия между элементами структуры, аШ -энергия, затрачиваемая на разрушение торфа,
(а) = 2,7 Дж ; X = 1.2,5 1/(кг/кг)
моль кг/кг
Я0т = (0,4.11,0)-104 Па - торф, для сапропеля X ! = 0,85.5,04 1/(кг/кг).
Следовательно, коэффициенты структурообразования (Я ,, Я0т, Я№, X, а) и технологическая характеристика (кус и др.) зависят от влагосодер-жания Ш, давления Р и других термодинамических параметров [А?, (- АК), 7] состояния структуры.
Обработка экспериментальных данных [1, 7] показала, что зависимость Я , = /(Р) при различ-н^1х влагосодержаниях имеет возрастающий характер (йЯ , / сР I ) ^сю (рис. 2), который тем больше, чем меньше Ш, и выше Б 0 при несколько меньших значениях Я, для оптимальн^гх Б0 = 50оиг £ 580 - 600 м 2/кг [3]. При дисперсности Б0 = 470 м 2/кг (Т = 295 К) точка перегиба между периодами структурообразования Ш с = 1,1 кг/кг
(Я , = 160 105 Па, Ш = 0,3 кг/кг) определяется распределением усадочных давлений Р, которые в центре куска выше, чем в поверхностном слое [7]. Это обстоятельство вызывает повышение Я, в центре образца по сравнению с периферийными слоями (рис. 2, графики 1'.5').
При оптимальной дисперсности (Б0опг £ 580 м2/кг) распределение усадочных давлений и частиц внутри образца более равномерно, что приводит к повышению прочности (Ш = 0,3 кг/кг, 190-105 Па, при Шс = 1,4 кг/кг) [3]. Повышение дисперсности (Б0 = 630 м 2/кг) приводит к росту плотности упаковки частиц в образцах и давления Р в периферийных слоях куска по сравнению с центральными.
Это обстоятельство вызывает перераспределение частиц торфа при высоких Ш, образование пустот в середине куска и некоторому снижению Я, материала. Эта особенность поведения частиц в большей степени проявляется для коллоидных высокодисперсных систем типа глин, желатины, агар-агара, сапропеля [3, 8]. При этом Я , = 165 105 Па (Ш = 0,3 кг/кг), с Шс = 1,36 кг/кг. Следовательно, Ш с изменяется в зависимости от степени переработки торфа Б 0 и второй период структурообразования начинается не одновременно для исследованных значений Б 0 . Градиент давления по радиусу куска (йР/йг) уменьшается до нуля с ростом Б 0 . При Б 0 = Б 0о11Г [3, 7, 8] он меняет знак на обратный. Это обстоятельство вызвано снижением числа локальных перенапряжений, большей равномерностью в распределе-
нии твердой фазы (частиц) торфа по сечению образца.
C увеличением скорости деформации (усадки) макросистемы уменьшается число рекомбинированных связей, особенно это происходит с понижением влагосодержания системы, при котором значительно возрастает и коэффициент s d масштабного эффекта [3]. Таким образом, поэтапное (два периода) структурооб-разование обязано изменению основных характеристик макротела: W, Р, Т, S0 и др.
Теоретические предпосылки.
Анализ данных R i = f (Р) при W i = const изменяется линейно и исходит из общего полюса Р к для различных дисперсностей торфа. Причем максимальные значения R i относятся к меньшим Т и W (уравнение (5)) и наибольшим давлениям Р согласно уравнению [1]:
P
R = R0 w ехР(кяln — X
(6)
при прочих постоянных условиях структуро-образования. Здесь к^ = const, Р 0W - давление при W = 0. Следовательно, линейную зависимость R i = f (Р) при Wi = const и Т = var определяют два процесса: рост R i с повышением Р и уменьшением W i при Тi = const, R i = f (P, Wi ), уменьшение R i с повышением Ti и W i при P = var, R i = f (T, Wi ). В этой связи обобщенной переменной служит влагосодержание, которое входит в обе функциональные зависимости. Поэтому данные на рис. 2 выполняют роль номограммы расчета прочности R i кускового торфа в функции Р, W, Т при разной дисперсности S 0. В начале процесса сушки (Р = 0, формование куска) структура материала удерживается за счет обжатия в формующем устройстве и сил молекулярного сцепления. При |P| > 0 повышается R i с уменьшением W i для всех значений Тi.
Значения Р = Р кр характеризуют прочность связей между элементами структуры материала, определяющегося его генетическими свойствами: типом, видом, условиями генезиса, степенью разложения растений-
торфообразователей и др. Последняя (Ркр) и определяет исходное значение прочности структуры R стр при формовании кусков. Разрушение материала при его переработке и последующем формовании приводит к объединению разрушенных частиц в макротело с обра-
зованием межчастичных дефектов структуры. При сушке происходит упрочнение макротела за счет рассматриваемых выше взаимодействий между первоначально разрушенными частицами с одновременным образованием новых дефектов в объеме макротела.
Таким образом, повышение прочности R i за счет его начальной величины R 0р возможно при повышении температуры формования или других подходов, связанных с ростом подвижности и прочности элементов структуры при их взаимодействии. Другим способом повышения исходной прочности R 0р служит сохранение нативной структуры волокон материала без их разрушения, так как они достигают значительной прочности на разрыв (160—1000)-105 Па в то время как прочность кусков (лабораторные условия) не достигает 200 105 Па.
Следовательно, общая величина давления Р i, обеспечивающая сплошность куска (Р) и его материала (Р к) будет определяться из уравнения
Р i = \Р к| + |П (7)
Общая прочность R i кусков |W i = const| определяется из соотношения (рис. 3)
R i = кр,- Р i, (8)
где кр = dPJdRj = const, характеризующая приращение прочности материала с ростом Р i, безразмерная величина. Подставим уравнение (7) в (8) и получим, что R i = кр (|Р К| + |Р|) = ^ \Р к | + кр |Р| = =R 0Р + кр< И, (9)
где R 0р = кр ^ К| - прочность куска при Р = 0, определяющая исходное значение R i при формовании образцов (R ф). Далее прямые скобки опущены.
Уравнение (9) представим для удобства в несколько ином виде. Для этого заменим в (9)
к R0p
кр на — и получим, что
Я, = Я0р(1 + у) (10)
К
зависит от начальной величины прочности Я 0р и отношения давлений Р/РК. В классическом виде уравнение (10) принимает вид:
Я = Я0р(1 + рр), (11)
где R = _L = const (1/(Н/м2)), смысл которой
Л
установим ниже.
Как следует из рис. 2, 3 зависимости R i = f (Р i) для всех дисперсностей (S 0 = var) пересекают ось Р i в одной точке, определяемой из условия
1 + рр = 0. (12)
Откуда
1
1
(13)
Рис. З. Схема изменения прочности кускового торфа от внутреннего давления при мягких условиях сушки:
1. Wі = Wі, 2 - W2, 3 - W і = Q, W і < W2 < Wі,
dR
kp = \tgK\ = --l- = const - угловой коэффициент зави-
dPt
симости R і = f (P і), безразмерная величина; о _ 1 , 4, 5
Р.
- зависимость R і = f (Р і, W) Ті = const, T4 < T5, Ropw = R ф + ARop - максимальная начальная прочность, ARop - приращение начальной прочности при сушке от W ф до 0 кг/кг, R ф - прочность после формования, -
прочность материала при W і > W ф; 6 - область пластичного и 7 - текучего состояний
и окончательно получим, что
0p
1
= PRqp p,
(14)
Р = -Р = — = -13,6 105 Па.
К Р
Это значение Рк получено экстраполяцией графиков ЯI = /(Р ,) на ось Р к и расчетным методом, которые практически совпали.
В соответствии с определением абсолютной шкалы давлений получим соотношение (7) в виде
Р = Р + - = Р +13,6-105.
' р
Следовательно, давлению Р = 0 соответствует, в нашем случае для выбранного торфа, РI = 13,6-10 5 Па (рис. 1, 2). Для других видов и типов торфа это значение будет иным. Давление РI = 0, назовем абсолютным нулем, ему соответствует - 13,6-10 5 Па. Перейдем в уравнении (11) от Р к абсолютной шкале Р ,. Д ля этого вместо Р подставим его значение из (13)
Р = Р -1
' Р
Изменение характеристик структурообразования
Сравнивая соотношения (14) и (8) получаем выражение для углового коэффициента
kpi = P^0p ^ (15)
к
Из уравнения (14) следует, что
R Р
— = -jL, R 1 P а = R 2 Pi1 = const = PR 0p при
R2 ^.2
Wi = const. (16)
Индексы (1, 2) означают состояния системы, лежащие на одной и той же наклонной прямой при Wi = const (рис. 3). Надо полагать, что уравнения (8), (9), (11) приближенные, так как функция R i = f (Р ) линеаризована в широком интервале изменений Р i. При переменных Wi это уравнение выражается экспоненциальной функцией (6) с учетом зависимости [1] Р = P0wexp(-XpWi), где Xp = -
(dP/P)-1/dW = const.
Свяжем уравнение (15) с влагосодержани-ем торфа для различных S 0. Для этого построим зависимость крt = f (W) (рис. 4).
Анализ графиков показывает, что в координатах In кр1 = f (W,) они имеют линейный вид с отрицательным угловым коэффициентом X Кш описываются уравнением
S 0, м 2/кг R470/Ri k)>0, ®/р X к, 1/(кг/кг) (-Р к)10 5, Па
из эксперимента из экстраполированных значений
47Q 1,0 1,0 6,7 1,0 13,55
580 1,3 1,4 6,0 1,09 13,58
63Q 1,7 1,9 8,0 1,19 13,67
Рис. 4. Изменение относительного коэффициента упрочнения структуры 1пкр в зависимости от влагосо-держания Ж (кг/кг) кускового магелланикум-торфа при дисперсности S о = 580 (1), 470 (2), 630 (3)
ность R 0pw при Р = 0 и (-Рк) = 13,6-10 Па (табл.). Соединив точки R 0pW и (—1) получим
Р
зависимость R i = f (Р i) при W, = 0 (линия 0 на рис. 2), определяющая ее верхнюю границу, а нижнюю R i ^ 0, W ^ max) - определяет ось абсцисс (давлений) [2, 5].
Подставим уравнение (17) в (8) или в (9) тогда соответственно получим, что
kpi = kpo exp(- kW. ) d (ln kp) =
где x =■
dW
(17) Ri = Pikpoexp{- kWi), или когда P. неизвестно, то V = const, характеризующая r = r^ + Pk exp(- Xtf )
(18)
относительное приращение прочности при изменении Ш на 1 кг/кг, 1/(кг/кг); кр0 - максимальное приращение прочности при Ш, ^ 0 (б/р величина, табл.).
Значения константы кр, уменьшаются с ростом Ш, согласно уравнению (17) для всех Б 0. Причем снижение тем больше, чем выше коэффициенты X к, то есть для Б 0 = 630 м 2/кг. По величине кр0 рассчитана максимальная проч-
0р 1 -* /1-р0 /ък” ,Г (19)
Таким образом, при получении формованной продукции из торфа различного назначения (сельскохозяйственное, топливное, сорбционное и др.) необходимо учитывать особенности нативного материала [9], которые изменяются с варьированием влагосодержания, внутреннего давления, дисперсности, температуры и других характеристик.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Афанасьев А.Е. Влияние капиллярного давления на структурообразование при сушке торфа //Коллоид. журн., 1989, т. 51, № 1. С. 3-11.
2. Афанасьев А.Е. Структурообразование коллоидных и капиллярно-пористых тел при сушке. Монография. Тверь: ТГТУ, 2003. 189 с.
3. Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства. - М.: Недра, 1992. 288 с.
4. Афанасьев А.Е., Мисников О.С. Оценка структурных характеристик при сушке формованных органических и органоминеральных биогенных материалов //Теоретические основы химической технологии, 2003, т. 37, № 6. С.620.
5. Пухова О.В. Закономерности изменения физических свойств торфа при его переработке и сушке.
Автореф. дис....канд. техн. наук. Тверь: ТГТУ, 1998, 20 с.
6. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985.
7. Структурообразование в торфяных системах при различных режимах сушки /Н.И. Гамаюнов, А.Е. Афанасьев, И.Г. Шишкин, В.Л. Янковский //Разработка торфяных месторождений. - М.: Недра, 1975. С. 64.
8. Гамаюнов Н.И, Амусин Л.Г., Афанасьев А.Е. Влияние поверхностных сил на структурообразование торфяных систем //Физико-химические свойства (структура, реологические и физико-химические свойства торфа) Калинин: КПИ, 1976.
9. Афанасьев А.Е., Ковальчук Ю.Л. Иерархия структуры торфяных систем в геотехнологии //Вестник ТГТУ, научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2003, № 3. С. 5461.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------
Афанасьев А.Е., Ковальчук Ю.Л. - Тверской государственный технический университет.
