Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние энергетических нагрузок в процессах подготовки и пневмотранспортирования кварцевых песков на их свойства
1.1. Свойства кварцевых песков и влияние их на технологические параметры смесей и качество отливок . 8
1.2. Механическая активация кварцевых песков в процессах их подготовки, приготовления и восстановления смесей 16
1.3. Режимы и особенности пневмотранспорта кварцевых песков -. 24-
1.4. Расчет коэффициента активности зерен в массе песков 30
1.5. Цели и задачи исследований .. 34
Глава 2. Обоснование выбора методов подготовки и исследования свойств кварцевых песков
2.1. Состав и свойства выбранных для исследования песков 36
2.2. Выбор способов, оборудования и режимов для механоактивации песков 37
2.3. Разработка экспериментальной установки для изучения параметров пневмотранспорта песков 40
2.4. Методы исследования свойств песков .. 48
2.5. Выводы 51
Глава 3. Исследование влияния режимов активации на свойства кварцевыхпесков и формовочных смесей, покрытий на их основе ..
3.1. Исследование влияния режимов пневмотранспортирования на геометрические параметры песков 52
3.2. Исследование влияния режимов механоактивации в энергонапряженных мельницах на геометрические параметры песков 55
3.3. Разработка формовочных и стержневых смесей для стального литья с улучшенными свойствами 68
3.4. Разработка быстросохнущего противопригарного покрытия для чугунного литья .70
3.5. Выводы .75
Глава 4. Разработка методов математического расчета и анализа параметров пневмотранспорта кварцевых песков
4.1. Составление критериального уравнения движения аэроматериального потока при пневмотранспортировании кварцевых песков 76
4.2. Аналитическое определение скорости движения сыпучих материалов при пневмотранспорте 82
4.3. Экспериментальные исследования параметров пневмотранспорта кварцевых песков 88
4.4. Решение составленного критериального уравнения движения кварцевых песков при пневмсотранспорте 95
4.5. Аналитический расчет основных параметров пневмотранспорта кварцевых песков 97
4.6. Определение рациональных параметров работы промышленной установки 100
4.7. Выводы 101
Глава 5. Разработка демонстрационно-расчетной программы «пневмотранспорт кварцевых песков»
5.1. Разработка демонстрационной части программы 102
5.2. Разработка расчетной части программы 106
5.3. Выводы .- .118
Общие выводы по работе 119
Библиографический список 120
Приложения 126
- Механическая активация кварцевых песков в процессах их подготовки, приготовления и восстановления смесей
- Выбор способов, оборудования и режимов для механоактивации песков
- Исследование влияния режимов механоактивации в энергонапряженных мельницах на геометрические параметры песков
- Аналитическое определение скорости движения сыпучих материалов при пневмотранспорте
Введение к работе
Для повышения качества литых изделий и снижения брака по вине литейной формы, который составляет 60-70 % от всех видов брака, важное значение имеет выбор материалов и составов смесей с оптимальными свойствами.
Основным наполнителем формовочных смесей является кварцевый песок, доля которого в них составляет 90-97%. Физико-химические свойства песка обусловливаются генезисом, т.е. условиями его образования. Генезис определяет зерновой состав, форму зерен, состояние их поверхности, химический состав аутигенных пленок, наличие активных поверхностных центров, поверхностную энергию зерен песка и, как следствие, технологические параметры смесей и расход связующего- Использование эффекта механоактиващш в процессах подготовки песка или при изготовлении формы и регенерации смесей позволяет изменить поверхностную энергию зерен песка, что дает возможность прогнозирования и регулирования составов формовочных и стержневых смесей, обеспечивая необходимое качество отливок.
Пневмотранспорт в литейном производстве используется для транспортировки, главным образом, кварцевого песка. Применение пневмотранспорта способствует увеличению производительности труда, сокращению потерь транспортируемого песка и улучшению санитарно-гигиенических условий на производстве.
С целью улучшения свойств и снижения удельного расхода квацевого песка его активируют различными способами, обогащают, регенерируют пески из отработанных смесей. Во всех процессах, включая пневмотранспортирова-ние, на песок воздействуют механически. Однако до настоящего времени для перечисленных процессов нет обобщающих данных по влиянию режимов обработки и генезиса песка на комплекс геометрических параметров частиц, определяющих активность песка по отношению к компонентам формовочных и стержневых смесей.
Поэтому целью работы являлось исследование возможности улучшения свойств формовочных смесей и покрытий для литейного производства за счет оптимизации режимов активации кварцевых песков в процессах подготовки и пневмотранспорта. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:.
- определены рациональные режимы обработки песков в мельницах-
активаторах различного типа в зависимости от генезиса песков при дополни
тельной их механоактивации;
определены рациональные параметры работы пневмотранспортной системы и разработано критериальное уравнение для оптимизации средней скорости движения песка в аэроматериальной смеси;
разработана экспериментальная установка для определения реальной скорости движения заданной массы кварцевого песка;
исследованы геометрические параметры частиц кварцевого песка и оценена активность их в массе материала в зависимости от режимов подготовки и пневмотранспортирования;
проведена оптимизация составов песчано-глинистой и жидкостекольной смесей для стального литья за счет использования в их составе активированного кварцевого песка и песка, прошедшего пневмотранспортирование;
разработано универсальное быстросохнущее противопригарное покрытие для чугунного и цветного литья с улучшенными свойствами;
разработана обучающая программа «Пневмотранспорт» с демонстрационной и расчетной версиями.
В результате получены зависимости, определяющие закономерности влияния режимов пневмотранспортирования и механоактивации кварцевых песков, их генезиса на геометрические параметры кварцевых частиц и общую активность песков.Разработано критериальное уравнение, позволяющие оптимизировать среднюю скорость движения кварцевых песков различного гранулометрического состава в аэроматериальной смеси. Установлена зависимость свойств песчано-глинистой и жидкостекольной смесей для чугунного и цветного литья от содержания активированного песка и песка, прошедшего пневмотранспортирование. Обоснована возможность использования в составе разработанного универсального быстросохнущего противопригарного покрытия для чугунного литья отходов пылевидного кварца. Разработана программа «Пневмотранспорт», позволяющая подробно ознакомиться с устройством и параметрами пневмоустановок, рассчитать основные параметры уравнения.
По результатам диссертационной работы имеется 1 патент на изобретение и 8 публикаций.
Материалы работы докладывались и обсуждались на международном симпозиуме «Вибротехнология-98», г.Одесса (1998 г.), 2-ой межрегиональной: конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы», г.Красноярск (1999г.), 5-м съезде литейщиков России, г.Москва (2001 г.), на межрегиональных конференциях «Материалы, технологии, конструкции», г.Красноярск (1998-2002 гг.).
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, содержащего 96 источников, и 3 приложений. Основной материал изложен на 125 страницах текста, включая 14 таблиц и 59 рисунков.
Механическая активация кварцевых песков в процессах их подготовки, приготовления и восстановления смесей
В процессе образования кварцевого песка в природе он претерпевает непрерывные механические воздействия, в результате которых каждое месторож дение песка отличается не только химическим составом, но и определенной геометрией и дефектностью зерен. Генезис песка определяет активность его в последующих физико-химических связях. Проведенные многими авторами исследования песков различных месторождений [3-14] показывают, что для каждого песка характерны определенные размеры, форма, состав, дефекты, активные центры, внешняя и внутренняя удельная поверхность и пр. В работе [6] предложено комплекс этих свойств оценивать относительным коэффициентом активности Аобщ.. Если считать, что природный песок имеет определенную генезисом активность Астащ,, то относительно нее можно определять активность песка на всех этапах его подготовки и применения.
Наиболее трудной для количественной оценки активности является энергетическая компонента, т.е. количество «закачанной» или «высвобожденной энергии» в виде объемных дефектов (трещины, раковины, шероховатости), дефектов структуры (дислокации, вакансии, атомы внедрения и распределение по ним примесей), степени аморфизации кристаллической решетки. Попытки косвенных оценок по химической активности, электрическим, теплофизическим, технологическим показателям для полидисперсных материалов, в т.ч. кварцевого песка, пока не дают возможности объективной количественной оценки внутренней составляющей и общей энергии Гиббса. Однако анализ литературы показывает явную тенденцию к такому подходу при оценке качества кварцевых песков и других сыпучих формовочных материалов.
Опыт отечественного и зарубежного литейного производства показывает, что оптимизировать требуемые свойства исходных формовочных материалов, свойства формы и качество отливок, сокращать расход дефицитных материалов или заменять их более доступными можно различными методами активирования отдельных материалов и составов. Активацию осуществляют на стадиях подготовки материалов или в процессе приготовления смесей и покрытий.
Известные способы активации можно выделить в следующие основные направления: обработка высокими или пониженными температурами, обработка химическими реагентами, отдельными или комплексными физическими полями, механическая или механохимическая обработка.
Первые мельницы большой энергонасыщенности, в которых нагрузка на обрабатываемый материал превышает нагрузку в обычных шаровых мельницах в десятки и сотни раз появляются в 50-60-х годах. Одновременно с совершенствованием и разработкой новых конструкций измельчающих аппаратов начались интенсивные научные изыскания в области механоактивации и механохимии.
Теоретические положения по механоактивации и механохимии разработаны трудами ведущих ученых: В.В.Болдырева [18],. П.Тиссена [25], Е.Г.Аввакумова [16], Г.Хайнике [19], П.Ю.Бутягина [20], Т.С.Юсупова, А.С.Бергер [21], В.И.Молчанова [17], Штайнике [22], А.С.Колосова [23], Х.Ф.Уракаева [24] и многими другими учеными, занимающимися в настоящее время механоактивацией материалов с целью интенсификации различных технологических процессов. При обработке материалов механической энергией может усиливаться реакционная способность без изменения химического состава (механоактивация), а может изменяться состав и строение вещества (ме ханохимия). Однако единого мнения в четком разделении этих понятий еще не сложилось.
Процесс активации определяется как изменение энергетического состояния, физического строения и химических свойств минеральных веществ под действием механических сил при обработке в энергонапряженных мельницах [16, 17, 19]. Механоактивированные вещества характеризуются термодинамической неустойчивостью, меняются их термодинамические потенциалы (свободная энергия, энтальпия, энтропия) вследствие структурных преобразований.
Активность системы можно рассчитать по разнице свободных энергий конечного и начального состояния материала:
Общая свободная энергия (G) отдельной частицы слагается из поверхностной энергии (G,[0B.) и внутренней энергии (Олеф ). Частицы, находящиеся в поверхностном слое твердого тела, обладают некоторой избыточной энергией и в результате поверхностный слой, находясь в упруго-напряженном состоянии, обладает большим запасом потенциальной энергии, чем внутренние слои.
Известны различные теории, объясняющие механизм механоактивации; Р.Боудена и Л.Тейбора [28] (локальные повышения температур свыше 1000 С в микроконтактах при соударениях), П.Тиссена [25] («магма-плазма» модель, по которой вещество в микроконтактах представляет собой трибоплазменное состояние), П.Ю.Бутягина [20] (накопление и релаксация избыточной энергии приводит к возникновению или гибели высокоактивных короткоживущих центров — КЖЦ), В.В.Болдырева [29] (кинетическая модель механохимических процессов, по которой вначале происходит локальный разогрев, а в конце - ме-ханолиз), Бартенева [30] (квантовая теория, объясняющая активность за счет повышения плотности неравновесных фотонов) и другие теории.
В отличие от перечисленных волновая модель [17] процесса механической активации рассматривается как раскачивание и разрыхление кристаллической структуры твердого тела при непрерывном возбуждении упругих и тепловых колебаний элементарных частиц за счет распространяющейся упругой волны механического импульса. Непрерывный импульсный подвод энергии к материалу обусловливает периодичность изменения различных свойств материалов. Четких границ между периодами процесса активации не существует. Условно выделяют несколько периодов [17]. До начала диспергирования можно выделить первый этап, когда формируются остаточные напряжения, обусловленные нарушениями кристаллической решетки, изменением межатомных и межмолекулярных расстояний и углов их взаимной ориентации в структуре. В результате изменяется энергетическое состояние вещества. Во втором этапе начинается разрушение частиц и рост поверхности. Механическая энергия преобразуется в поверхностную энергию. После этого начинается тонкое измельчение (третий этап) с интенсивным ростом поверхности и сгущением энергии в поверхностном слое на границе раздела фаз, в результате чего изменяются термодинамические параметры вещества и изменяются его химические свойства.
Четвертым этапом процесса является сверхтонкое измельчение, когда исходное вещество превращается в качественно новое и с иным составом, строением, свойствами.
В реальных зерновых и порошковых материалах, используемых в различных отраслях промышленности, кристаллическая структура всегда в какой-то степени дефектна в результате полиморфных превращений, предыдущей механической обработки (дробление, флотоочистка и др.), термической деформации, примесных включений, адсорбции и десорбции, рекристаллизации и других процессов. На каком этапе проводить процесс механоактивации определяют, исходя из технологических задач для каждого конкретного материала: активировать или дезактивировать, управляя дефектами кристаллической структуры; сохранять зерновое состояние или добиваться максимальной дисперсности без изменения химического состава, или добиваться качественно нового состояния вещества, управляя химическими реакциями разложения, синтеза и др.
Выбор способов, оборудования и режимов для механоактивации песков
Рациональное использование измельчающих аппаратов в качестве меха-ноактиваторов имеет большое значение. При кажущейся простоте, выбор правильного аппаратурного решения и оптимизации режимов активации представляют сложную инженерную задачу.
Основные способы механического воздействия на материал приведены на рис.2.1, а на рис.2.2 показаны механизмы различных конструкций [16-19].
Измельчение может осуществляться в результате раздавливания между плоскими качающимися щеками (рис.2.2, а), между параллельными поверхностями (рис.2.1, а), между плоскостями под углом (рис.2.2, д), эксцентрически расположенными круглыми поверхностями (рис.2.2, б) и вращающимися в противоположные стороны валками (рис.2.2, в). Принцип раскалывания имеет место при измельчении острыми ножами или шипами разнообразной: формы (рис.2.1, б). Эти способы рекомендуют для грубого, среднего помола или дополнительной активации без измельчения.
Измельчение истиранием сочетается с раздавливанием и происходит между плоскостями вращающихся жерновов (рис.2.1, в), между плоской и цилиндрической поверхностями (рис.2.2, г) и между криволинейными поверхностями разной формы (рис.2.2, д, е). Принцип применяется для тонкого измельчения.
Измельчение ударом осуществляется поступательно движущимися пестом (рис.2.1, г), вращающимися пальцами (рис.2.2, ж) или вращающимися молотками (рис.2.2, и), а измельчение ударом и истиранием - свободно падающими телами (рис.2.2, б). Этот способ рекомендуется для грубого, среднего и тонкого измельчения [16-19] или дополнительной активации [6].
Попытки объективного сравнения активаторов-измельчителей предпринимались неоднократно. Однако сложная зависимость активации от многих параметров и отсутствие единой количественной меры степени активации не позволяют выработать единый подход к оценке качества «закачанной» или «высвобожденной» энергии в частицах обрабатываемого материала.
В работах [16-18, 19] было предложено разделить все существующие аппараты по способу воздействия на измельчаемый материал: - аппараты ударного действия, которые используются для активации посредством сухого измельчения (в жидкой среде они малоэффективны). К ним относятся дезинтеграторы, дисмембраторы и центробежные и струйные мельницы; - аппараты истирающего действия, которые хорошо зарекомендовали себя при измельчении пигментов, приготовлении паст и растирании красок, а также при активации наполнителей в составе резиновых смесей и пластмасс. К ним относятся валковые и роликовые мельницы; - аппараты ударно-истирающего действия, к которым относятся шаровые бисерные, вибрационные мельницы, аттритор; - аппараты физического действия. Основное отличие их и главное преимущество по сравнению с механическими измельчителями состоит в том, что в аппаратах этого типа отсутствуют исполнительные органы, непосредственно воздействующие на измельчаемый материал.. К этому типу относятся гидродинамические аппараты, ультрозвуковые диспергаторы. Дополнительная активация материалов за счет «закачки» или «высвобождения» энергии из отдельных частиц без их массового разрушения (измельчения) проводится в этих же агрегатах, но в более «мягких» режимах.
Анализ литературных данных показал, что при активации сухих материалов и композиций отправным моментом выбора мельниц являются механические свойства материала. Рекомендации по использованию аппаратов, как правило, даются для конкретных материалов. Встречаются различные мнения по использованию одних и тех же активаторов. Поэтому наиболее распространенные и экспериментально обоснованные рекомендации выбраны для твердых и/или хрупких материалов и материалов со слоистой структурой. В табл.2.2 приведены наиболее распространенные эффективно работающие активаторы для этих материалов [6].
Так как целью данной работы является исследование влияния различных режимов подготовки на качество кварцевых песков, то для механической активации были использованы планетарно-центробежные мельницы ПЦМ (ДЦМ АГО-2), которые хорошо зарекомендовали себя для окатывания зерновых материалов.
АГО-2. Принципиальная схема мельницы АГО-2 показана на рис.2.3, активация в мельнице осуществляется в поле трех инерционных сил: двух центробежных и силы Кориолиса. Центробежные силы, действующие на шары и материал, превышают силу тяжести в десятки и сотни раз, благодаря чему энергонапряженность мельницы достигает 5 кВт/дм.
Активатор приводится в действие от электродвигателя через шкивы и клиновой ремень. На боковой стенке основания закреплен блок управления, блокировки и сигнализации активатора (УБС), обеспечивающий включение электропитания двигателя, его защиту и выдачу сигналов в случае нарушения нормальных условий эксплуатации активатора. Активатор также снабжен датчиком контроля подачи охлаждающей жидкости(реле давления) и блокировкой срабатывания аппарата при незакрытой защитной крышке. Блок УБС подключается кабелем к сети 380В 50Гц или к блоку управления, снабженному устройствами регулирования и контроля частоты вращения и таймером.
ДЦМ. Принципиальная схема мельницы ДЦМ приведена на рис.2.4. Мельница ДЦМ отличается от мельницы АГО-2 тем, что рабочие камеры имеют два вращения: вокруг собственной оси камеры и вокруг общей центральной оси мельницы. ДЦМ хорошо зарекомендовала себя для обдирки зерновых культур, при окатывании и активации зернистых материалов при различном энерго-нагружении в рабочих камерах активатора и времени обработки
Исследование влияния режимов механоактивации в энергонапряженных мельницах на геометрические параметры песков
Ранее проведенные исследования [6] позволили определить, что активность кварцевых песков зависит от режимов обработки. Для дифференциально-центробежной мельницы (ДЦМ) установлены как оптимальные для Балашей-ского, Карасорского песков следующие режимы сухого обогащения: в течение 15-30 мин (обработка без шаров) и до 5 мин (обработка с шарами) при 400-600 об/мин рабочих камер мельницы. Для определения оптимальных режимов механического воздействия на кварцевые пески при активации, обогащении, регенерации в энергонапряженных мельницах были обработаны Кара-сорский и Басьяновский пески ДЦМ (400 и 600 об/мин с шаровой загрузкой и без нее) с варьированием времени обработки.
С целью оценки влияния типа мельницы-активатора или любого активатора, обеспечивающего энергонагрузку на материал в пределах 25-30 g (g - гравитационная постоянная), в активаторе планетарного типа АГО-2 обрабатывали Игирминский (Иркутская обл.) и Нижне-Ингашский (Красноярский край) кварцевые пески.
Карасорский песок марки 1KJOI03 обрабатывали в ДЦМ с шарами (соотношение 1:3) при 200 и 400 об/мин в течение 0,5-4,0 мин. Гранулометрический состав песка показан на рис. 3.3. Изменение содержания основной фракции 04-02 (рис.3.3, а) составляет не более 5 %. У исходного песка таких частиц 87,2 %; при 0,5 мин обработки (400 об/мин) их становится 89,3 %; при I мин обработки 84,5-85,0 % и т.д. Так как кроме основной фракции (04-02) в данном песке имеются более крупные частицы (до нескольких мм) и более мелкие (до ультрадисперсных частиц), то повышение или снижение количества основной фракции можно объяснить разрушением наиболее дефектных зерен и пополнением основной фракции за счет образующихся фрагментов из крупных зерен.
Кроме основной фракции, которой в качественных сосредоточенных песках должно быть не менее 70 %, на свойства песка влияет содержание тонкодисперсных частиц размером менее 22 мкм, которые принято условно называть «глинистой составляющей». Поэтому исследовали и зависимость содержания глинистой составляющей от скорости вращения барабанов и времени обработки (рис.3.3, б). Гистограмма показывает, что пылевидные частицы (глинистая составляющая) могут коагулировать в начальный момент обработки (0,5-1,0 мин при 400 об/мин), а могут пополняться мелкими сколами ребер, углов и фрагментов от более крупных частиц. Однако изменение пылевидных частиц после обработки незначительно и не превышает 2 %, допустимых для природных качественных песков. При обработке Карасорского песка в бесшаровом режиме (рис.3.3, в) содержание основной фракции изменяется на 1,5-5,0 % даже с увеличением времени обработки с 15 до 120 мин, что объясняется процессом «самофутеровки» песка у стенок рабочих камер и малой их подвижности относительно друг друга за счет достаточно высоких центробежных сил [16-19].
Форма и микрорельеф зерен Карасорского песка при различных энергонагрузках на него в процессе механоактивации приведены на рис.3.4, из которого видно, что форма зерен становится более округлой, как и при оптимальных режимах пневмотранспортирования (балл из 3 переходит в 4 - по пяти-бальной системе). Поверхность зерен становится свободнее от бурых и белых примазок (на 10-15 %) и угловатость частиц становится меньше (Кугл снижается на 15-20%).
Басьяновский песок марки 4К3Ог016 активировали только в шаровом более «жестком» режиме при 600 об/мин в том же интервале времени (от 0,5 до 4 мин). На рис.3.5,а показана зависимость содержания основной фракции (0,2-0,1 мм) для этой марки песка, а на рис.3.5,6 - зависимость содержания глинистой составляющей от времени активации. Видно, что для этого песка характерна прямая зависимость размеров частиц от времени активации: чем больше время, тем мельче становится песок. Однако количественно изменения не существенны, так как основной фракции становится на, 1-3 % меньше, а глинистой составляющей на 0,2-0,7 % больше.
Следовательно, с увеличением времени обработки при любых энергонагрузках зависимость содержания основной фракции для песков обоих месторождений одинакова. В начальный период активации происходит массовое разрушение дефектных зерен, о чем свидетельствует снижение массы крупных частиц в основной фракции и переход их в более мелкие фракции. После этого «закачка» энергии вызывает накопление дефектов в частицах и по достижении предела упругости кварца наблюдается следующий максимум в процессе измельчения. Однако, анализ полученных результатов позволил определить, что качество кварцевых природных сосредоточенных песков существенно улучшается (балл округлости повышается с 3 до 4, угловатость снижается на 15-20 %, пленок и примазок на поверхности частиц становится меньше на 5-10 %, шероховатость и раковистость частиц на 20-30 % меньше). Для ДЦМ определены рациональные режимы обработки: обработка с шарами (1 4 3) в течение 0,5 мин при скорости вращения камер 200-400 об/мин; обработка без шаров в течение 15-30 мин при скорости вращения камер 400-600 об/мин.
На следующем этапе работы изучали влияние типа агрегата и генезиса кварцевых песков на их физико-механические свойства. С этой целью использовали планетарную энергонапряженную мельницу АГО-2 со скоростью вращения рабочих камер 1000 об/мин, без загрузки шаров. При таком режиме работы эффект «самофутеровки» материала у стенок камеры и снижение скорости и степени его измельчения объясняется увеличением центробежной силы и зависит от природы, дисперсности и влажности материала [16-19]. Время обработки варьировали от 20 до 120 мин. Обрабатывали пески крупных Сибирских месторождений: Игирминский с малым содержанием глинистых частиц и Ниж-не-Ингашский — более мелкий, с высоким содержанием мелких фракций и глинистой составляющей.
Результаты испытаний Игирминского и Нижне-Ингашского песков представлены в табл.ЗЛ и на рис.3.6. Полученные данные подтвердили результаты предварительных исследований и позволили отнести песок Нижне-Ингашского месторождения к тощим пескам марки ТіОгОІб. Песок Игирминского месторождения относится к кварцевым пескам ІКі 0103. Полученные результаты показывают, что после активации 20-60 мин пески остаются в пределах той же марки, что и до активации. При увеличении времени обработки до 120 мин Игир-минский песок по основной фракции переходит из фракции 03 в 02. Анализируя полученные графики, можно отметить, что степень измельчения кварцевого и глинистого песков в АГО-2 одинакова. Так, при увеличении времени активации песков до 60 мин наблюдается одинаково небольшое снижение основной фракции на 1-3 % (рис.3.6, а). Содержание глинистой составляющей остается в пределах допустимого (до 2 %).
Увеличение времени обработки более 60 мин приводит к интенсивному измельчению песка, что отрицательно повлияет на свойства смесей.
Форму зерен песков и топографию их поверхности оценивали растровой электронной микроскопией. Форма зерен и микрорельеф поверхности песков представлены на рис.3.7-3.9, из которых видно, что активация в АГО-2 при рациональных режимах позволяет получать зерна песка окатанной формы с более гладкой и однородной поверхностью, не имеющей микронеровностей.
Коэффициенты округлости (Кф), угловатости (Кугл ), шероховатости и ра-ковистости (Кшср.) достигаются такие же, как и при активации в ДЦМ, но режимы для АГО-2 определены оптимальными следующие: время обработки — 20 мин без шаровой загрузки при скорости вращения рабочих камер 1000 об/мин.
Аналитическое определение скорости движения сыпучих материалов при пневмотранспорте
Этот параметр является входящим в некоторые критерии подобия, характеризующие процесс пневмотранспорта сыпучих материалов.
С технологической и энергетической точек зрения скорость движения сыпучих материалов является важным показателем. Она влияет на физико-механические и технологические свойства материалов в процессе транспортирования, а также на абразивный износ транспортного трубопровода. В конечном счете, это сказывается на эксплуатационной надежности пневмотранспорт-ных установок и качестве продукции.
Экспериментальное изучение скорости пневмотранспорта сыпучих материалов затруднено вследствие практической сложности непосредственного измерения скорости движения полидисперсных частиц в потоке аэроматериальной смеси. Экспериментально с достаточной точностью возможно выявление лишь отдельных факторов, влияющих на скорость транспортирования или определение скорости движения одиночной частицы в общей массе материала.
Поэтому теоретическое определение скорости движения материала в транспортном трубопроводе является необходимым.
Для аналитического расчета скорости пневмотранспорта сыпучих материалов должны быть известны энергетические параметры, определяющие движение материала по трубопроводу, то есть должно быть определено уравнение энергии движущегося по трубопроводу аэроматериального потока.
Очевидно, уравнение сохранения энергии для двухфазного движущегося по трубопроводу потока должно быть определено на основе уравнения Бернул-ли, модифицированного в соответствии с нахождением в газообразной фазе частиц материала.
Уравнение (4.12) является модифицированным дифференциальным уравнением Бернулли для движущейся аэроматериальной массы в трубопроводе. Знак (-) перед первым членом левой части уравнения характеризует уменьшение статического давления по длине трубопровода и в соответствии с этим чет вертый член левой части уравнения взят также со знаком (-). Рассматривая четвертый член левой части уравнения, можно констатировать, что падение давления в трубопроводе за счет присутствия в газовом потоке материала, количество которого оценивается коэффициентом заполнения сечения трубопровода С, определяет уменьшение скорости движения материала, которое должно быть оценено динамическим коэффициентом формы материала Кф.
Знак (+) перед вторым и третьим членами левой части уравнения определяет приращение энергии адиабатического расширения и скорости сжатого газа на определенных участках длины трубопровода.
Решение дифференциального уравнения (4.12) не представляется возможным из-за отсутствия данных по определению слагаемых уравнения dP -С—.dUgdL . Упростим задачу, то есть будем считать, что все динамические изменения, энергоносителя реализуются только на изменение кинетической энергии движущихся частиц материала в, газовом потоке.. Тогда уравнение (4Л2) запишется: Левая часть уравнения определяет изменение статического, адиабатического и скоростного напоров движущегося газа, а правая - скоростного напора движущегося в газовом потоке материала. Определим аналитически левую и правую части уравнения для усредненных параметров.
Обозначим на некоторой длине трубопровода Lrp, занимающей объем V, усредненное значение давления адиабатического расширения через Ро- Для тех же параметров усредненное значение статического давления - через Р. Тогда (Ро — Р) - динамический напор — Рд и скоростной напор — Рс. с массой т. Суммарный напор» который действует на частицу материала, находящуюся в движущемся газовом потоке будет где р - плотность воздуха, кг/м3. Известно, что отношение динамического напора к скоростному, определяется по формуле или с учетом значения Рс =—ри2 формула (4Л4) принимает вид Для определения правой части уравнения (4.14) необходимо определять силы, которые действуют в газовом потоке на частицу
В потоке, движущемся по трубопроводу, возникает как макрозавихренность, присущая как турбулентному, так и ламинарному потоку в пограничном слое, так и микрозавихренность, в основе которой лежит завихренность частиц турбулизованного газа по сечению потока. Циркуляция газа вокруг частицы связана с местной завихренностью, при этом циркуляция г определяется на основании гипотезы, утверждающей, что скорость в острой кромке профиля должна быть конечной. Из гипотезы Н.Е. Жуковского следует: где К - коэффициент, учитывающий отображение внешности профиля частицы на внешность круга; R - радиус эквивалентного диаметра частицы; ив — скорость набегающего на профиль частицы потока; a — угол между направлениями потока и положением оси частицы, при котором обеспечивается бесциркуляционное движение.
Подъемную силу, действующую на частицу, можно определить по формуле Н.Е. Жуковского:
В реальных потоках, движущихся в трубопроводах, несвойственных представлению Стокса, согласно которым частица двигается без угловой скорости в жидкости, необходимо учитывать, что частицы вращаются и во внешнем потоке и что скорость сдвига в жидкости может быть существенной. Возможно множество сочетаний конфигураций такого течения, и операция статистического усреднения для этой задачи представляется весьма трудной дня аналитической формализации.
Вращение частиц может быть вызвано следующими причинами: - сдвиговой деформацией вихря жидкости, в котором находится частица; - столкновением частиц со стенкой трубопровода; - столкновением с другой частицей, что является, по-видимому, существенным лишь для сравнительно крупных частиц и особенно для частиц полидисперсного материала. Вполне понятно, что при ламинарном течении монодисперсной взвеси частицы, как правило, не будут сталкиваться между собой. В случае турбулентного течения столкновение частиц будет происходить обязательно. Однако, при любой схеме течения частота столкновения намного больше в том случае, когда в потоке имеются частицы разного размера, поскольку такие частицы в ускоряющейся жидкости следуют по различным траекториям. Таким образом, соударение типа «частица-частица» часто являются в значительной степени следствием полидисперсности частиц в газовзеси.
