Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и обоснование цели и задач исследования
1.1. Свойства составных частей бетонной смеси и их влияние на характеристики бетона 11
1.2. Методы активации воды затворения 22
1.3. Высоковольтный электрический разряд и его влияние на процессы активации 25
1.3.1. Стадия формирования токопроводящего канала 26
1.3.2. Стадия энерговыделения в канале разряда 30
1.3.3. Завершающая стадия развития разряда 33
1.4. Постановка задачи исследований 38
Глава 2. Характеристика исходных материалов. методика проведения экспериментальных исследований
2.1. Характеристика исходных материалов 40
2.1.1. Вяжущее 40
2.1.2. Заполнитель 41
2.1.3. Вода 42
2.2. Методика проведения экспериментов 44
2.2.1. Получение водоминеральной суспензии при электроимпульсном дроблении горных пород 44
2.2.2. Определение параметров импульса напряжения при пробое гравия, воды и суспензии 49
2.2.3. Определение диапазона изменения, запасённой энергии генератора импульсных напряжений при электроимпульсном дроблении гравия 50
2.2.4. Испытание цементного теста и камня 51
2.2.5. Исследование бетонной смеси 51
Глава 3. Влияние суспензии полученной при электроимпульсном дроблении горных пород на свойства цементного теста и камня
3.1. Влияние режимов электроимпульсного дробления горных пород на свойства образующейся суспензии 53
3.2. Исследование влияния энергии, затраченной на получение суспензии и полярности высоковольтных импульсов напряжения на свойства цементного камня 70
3.3. Обсуждение результатов экспериментов 79
3.4. Выводы по главе 81
Глава 4. Влияние суспензии, полученной при электроимпульсном дроблении горных пород на технологические свойства бетонов
4.1. Влияние энергии затраченной для получения водоминеральной суспензии при электроимпульсном дроблении горных пород и полярности высоковольтного импульса напряжения на удобоукладываемость бетонной смеси 83
4.2. Влияние энергии затраченной на получение водоминеральной суспензии, при электроимпульсном дроблении гравия и полярности высоковольтного импульса напряжения на прочность образцов бетонов, затворённых на этой суспензии 85
4.3. Влияние суспензии, получаемой при электроимпульсном дроблении горных пород на морозостойкость бетонов 87
4.4. Выводы по главе 88
Глава 5. Технология повышения качества бетонов с использованием суспензии, полученной при электроимпульсном дроблении минералов
5.1 Технологическая схема получения суспензий, при электроимпульсном дроблении горных пород 90
5.2 Установка для получения водоминеральной суспензий при электроимпульсном дроблении горных пород 91
5.2.1 Выбор источников высоковольтных импульсов для производства водоминеральных суспензий, получаемых при электроимпульсном дроблении горных пород 98
ГЛАВА 6. Технико-экономическая оценка эффективности использования суспензий, полученных при электроимпульсном дроблении горных пород для затворения бетонов
6.1 Определение капитальных вложений 106
6.2 Определение расчетной себестоимости эксплуатации машин 110
6.3. Определение расчетной цены продукции 116
Выводы 119
Используемая литература 120
Приложения 140
- Стадия формирования токопроводящего канала
- Получение водоминеральной суспензии при электроимпульсном дроблении горных пород
- Влияние режимов электроимпульсного дробления горных пород на свойства образующейся суспензии
- Установка для получения водоминеральной суспензий при электроимпульсном дроблении горных пород
Введение к работе
Актуальность работы.
Темпы строительства во многих регионах России сдерживаются из-за отсутствия развитой транспортной сети при удалённости объектов от баз строительной индустрии. Более того, освоение труднодоступных районов нашей страны, таких как Сибирь, Дальний Восток, Крайний Север, предъявляет повышенные требования к строящимся объектам, ведущее место при строительстве которых занимает бетон. Особенно это важно в отдалённых районах, где в качестве заполнителей зачастую применяют местные горные породы, песчано-гравийные смеси из русла рек, пески и т.д., при этом требуется производить бетонные работы в короткий срок и с хорошим качеством.
Сокращение времени набора прочности является непременным условием любой технологии производства бетонных работ, так как длительное твердение бетона стало несовместимым с существующими темпами строительства.
Основными направлениями по улучшению качества бетонных изделий на стадии приготовления бетонной смеси в настоящее время являются: использование разнообразных химических добавок (модификаторов, пластификаторов), активных наполнителей, и т.д. Кроме того, значительный эффект достигается при использовании технологических приёмов воздействия не только на сами бетоны в процессе его созревания, но и на его компоненты на стадии изготовления.
Известны различные способы активации бетонов и их компонентов, широко используемые на практике: тепловые, химические, механические, акустические, электрофизические. В этом плане перспективными являются технологии выпуска бетона, использующие в своей производственной базе установки для производства суспензий, получаемых при электроимпульсном дроблении горных пород, обеспечивающих повышение качества выпускаемой продукции. В научно-технической литературе недостаточно сведений о природе эффекта увеличения прироста прочности и улучшения удобоукладываемости бетона, затворённого на водоминеральной суспензии, полученной при электроимпульсном дроблении горных порд, теоретических предпосылок и достоверных результатов влияния различных факторов на качество бетона, а именно, полярности высоковольтного импульса, величины удельной энергии, затраченной на получение суспензии, мелкодисперсных частиц каменного материала, остающихся в суспензии после обработки и изменения физико-химического состава воды. В свете вышеизложенного, необходимо проведение научных исследований, влияния водоминеральной суспензии, полученной при электроимпульсном дроблении горных пород, на качество бетонных изделий, затворённых на этой суспензии, что и определяет актуальность работы.
Базовая идея работы.
Базовой идеей работы, отличающейся от ранее известных, является получение суспензии при электроимпульсном дроблении кремнийсодержащих горных пород в воде, в результате чего образуются мелкодисперсные частицы каменных материалов и кремниевая кислота, влияющие на процессы интенсификации гидратации и твердения цементных систем. При этом мелкодисперсные частицы на начальной стадии твердения бетона выступают как эффективные активные зародышеобразователи,
Объект исследований.
Объектом исследования в работе является технология производства бетонов
Предмет исследований.
Предметом исследований является эффективность применения для производства бетонов водоминеральной суспензии, получаемой при электроимпульсном дроблении кремнийсодержащих горных пород.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является разработка технологии и реализующего её мобильного технологического оборудования для получения бетонов с использованием для гидратации клинкерных минералов водомине-ральной суспензии, получаемой при электроимпульсном дроблении горньїх пород, обеспечивающей сокращение времени твердения бетонов и существенное повышение его марочной прочности. Основные задачи работы.
Для достижения указанной цели определены следующие задачи:
1. Исследовать влияние параметров электрических разрядов и режимов дробления горных пород на свойства водоминеральной суспензии, используемой в качестве воды затвор ения;
2. Исследовать свойства бетонов, изготовленных с использованием суспензии, полученной при электроимпульсном дроблении горных пород;
3. Разработать технологию получения бетонов с улучшенными физико-механическими характеристиками и мобильного модуля для производства водоминеральной суспензии, получаемой при электроимпульсном дроблении горных пород.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что в технологии бетонов с использованием суспензии, образуемой при электроимпульсном дроблении кремнийсодержащих горных пород, предпочтительными являются водоминеральные суспензии, полученные при дроблении кремнийсодержащих горных пород при положительном потенциале на высоковольтном электроде и затратах удельной электрической энергии 55-410 кДж/дм.
2. Установлено, что использование в технологии бетона водоминеральной суспензии, образующейся при электроимпульсном дроблении кремнийсодержащих горных пород, обеспечивает повышение марочной прочности бе 8
тона до ЗО %, и ускоряет процесс твердения бетонной смеси, вследствие наличия в этой суспензии активных микрочастиц каменных материалов и кремниевой кислоты.
Достоверность основных положений и выводов.
Достоверность и обоснованность результатов исследований, выводов диссертационной работы подтверждаются необходимым объемом экспери-ментальных исследований, обеспечивающим возможность статистического анализа результатов, использованием современных методов измерения электрических характеристик и структурочувствительных методов исследования получаемого бетона
Практическая значимость н реализация работы.
1. Разработана и апробирована перспективная технология получения бетонов с улучшенными физико-механическими характеристиками за счёт использования для приготовления бетонной смеси суспензии, полученной при электроимпульсном дроблении кремнийсодержащих горных пород.
2. Разработано мобильное технологическое оборудование для производства водоминеральной суспензии по электроразрядной технологии, отвечающее критерию его использования в комплексе мобильного бетонного завода
3. Разработан технологический регламент производства водоминеральной суспензии.
Личный вклад автора состоит в разработке программы экспериментальных исследований, обработке и анализе полученных экспериментальных результатов и в научном обосновании и конструировании оборудования для производства водоминеральной суспензии, получаемой по электроимпульсной технологии. На защиту выносятся следующие положения:
1. Технология получения бетонов с улучшенными физико-механическими характеристиками на основе использования водоминеральной суспензии, полученной при электроимпульсном дроблении кремнийсодержащих горных пород.
2. Результаты экспериментальных исследований свойств бетонов, полученных при использовании водоминеральной суспензии.
3. Результаты экспериментальных исследований строительно-технологических свойств бетонной смеси.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы обсуждались: на Международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Россия, Томск, 1999 г.); на П Международной конференции «Радиационные термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Россия, Томск, 2000 г); на Международной научно-технической конференции «Физикохимия и технология оксидно-силикатных материалов» (Россия, Екатеринбург, 2001 г.); на П Международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Россия, Томск, 2001 г.); на П Всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2002 г.); на 10 Международной конференции «Газоразрядная плазма и её технологическое применение» (Томск, 2007 г.).
Публикации.
Содержание работы раскрыто в 8 публикациях. Из них 3 в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, списка использованных литературных источников и приложений. Работа изложена на 141 страницах машинописного текста, включая 28 рисунков, 24 таблицы, список использованных литературных источников из 185 наименований и 2 приложений.
Стадия формирования токопроводящего канала
В настоящее время накоплен значительный объем информации [14, 16, 17, 38, 56ё122, 124ё135, 172], касающейся развития разряда в жидкости, ее пробивных характеристик, состояния параметров плазмы в канале разряда и кинетики энергетических взаимодействий в ней, акустических и других видов излучений, а также процессов в завершающей стадии развития разряда. Уровень знаний об электрическом разряде в жидкости, в частности воде, достаточно высок, что позволяет в значительной мере прогнозировать процессы, сопровождающие электрический разряд, а также успешно применять его для практических целей.
В основе электроразрядного метода импульсного воздействия на конденсированные среды лежит быстрое преобразование электрической энергии в механическую за счет мощного электрического разряда, возбужденного в среде. Основные характеристики такого процесса: высокая крутизна фронта импульсов тока (до 2Ч1011 А/с) и абсолютные значения токов (до 250 кА), мощность (до 100 МВт) и энергия импульса (до 106 Дж) [68, 99, 129, 130, 135, 136, 173]. Столь высокие значения энергии и быстрое ее выделение за единицы или десятки микросекунд в малом объеме вызывают процесс, аналогичный взрыву химических ВВ. Основой этого процесса является преобразование в канале разряда электрической энергии в тепловую, в результате чего осуществляется нагрев вещества в канале до температур (10ё40)Ч103 К0 и, как следствие, рост в нем давления до (1ё1,5)Ч103 МПа, что приводит к расширению канала с высокой радиальной скоростью и передаче давления через жидкость к объекту обработки.
В электрогидравлических технологиях различают несколько стадий развития процесса: стадия формирования токопроводящего канала разряда между электродами; стадия выделения в канале разряда энергии накопителя; завершающая стадия, когда все электрические процессы в канале разряда завершены, газовые продукты под действием остаточных температур расширяются и пульсируют до полного восстановления свойств среды в рабочем промежутке.
Предпробивная стадия развития разряда существует с момента приложения напряжения к рабочему промежутку и до замыкания его одним из лидеров. Эта стадия является важной, так как она обеспечивает формирование локального канала разряда в рабочем промежутке, без наличия которого невозможно образование волн давления в среде, а также активация воды. Затраты энергии импульса в этой стадии являются необходимыми, но их величина существенно снижает долю энергии, обеспечивающую ударные нагрузки в обрабатываемой среде, поэтому стремятся их уменьшить. Эти потери определяются временем запаздывания разряда, скоростью и количеством прорастающих лидерных образований и степенью деформации импульса напряжения. Доля энергии импульса, затрачиваемая в этой стадии, существенно зависит от удельной электропроводности среды, длины рабочего промежутка и уровня перенапряжения. В зависимости от динамики процесса потери энергии в данной стадии разряда могут изменяться от 10% до практически 100%. Последнее значение относится к процессу, при котором не сформирован локальный канал сквозной проводимости [68, 99].
Существующая теория высоковольтного пробоя в жидкости учитывает следующие физические явления, развивающиеся последовательно [17, 96, 97, 125, 137ё140]: образование и рост газового пузырька за счет возникновения перегревной неустойчивости в областях с максимальной напряженностью поля; пробой пузырька и образование первичных факелов, которые являются началом лидерных образований; «прорастание» лидеров вглубь рабочего промежутка вплоть до его замыкания. Такая феноменология процесса позволила авторам [68, 99, 141] выделить два основных временных интервала: долидерная стадия и стадия развития лидера. Исследования [96, 137, 141] показали, что время запаздывания пробоя в основном определяется временем создания перегревной неустойчивости, а время развития лидеров, как правило, на порядок меньше. Обычно в ЭГ технологиях [62, 73] импульсы напряжения на нагрузке имеют квазипрямоугольную форму, т.е. пробой осуществляется на «полке» импульса. Времена задержки пробоя при такой форме импульса могут достигать сотен микросекунд, из которых основное время связано с образованием перегревной неустойчивости в зонах максимальной напряженности поля. Скорость развития лидеров, по оценкам различных авторов, изменяется в достаточно широких пределах от 5Ч104 до 5Ч106 см/с [59, 88, 92]. В [87, 92, 96, 137] показано, что затраты энергии в предпробивной стадии развития разряда состоят, в основном, из трех составляющих: энергии, необходимой для создания перегревной неустойчивости; энергии, необходимой для формирования лидерной системы и ее прорастания до противоположного электрода; энергии, затрачиваемой на растекание токов с оголенных элементов электродной системы в течение времени запаздывания разряда. Особенность пробоя высокопроводящих сред, которые характерны для воды при ЭИ разрушении горных пород, заключается в том, что при подаче импульса напряжения за счет токов ионной проводимости вблизи электродов возникают газовые образования с достаточно высокой температурой, которые увеличиваются в размерах до тех пор, пока не перекроют практически весь промежуток, и лишь затем происходит пробой, т.е. сквозной канал образуется в газовой фазе [17, 96, 97, 125, 137ё141]. Необходимо отметить, что такой тепловой вид пробоя требует значительной энергии импульса, затрачиваемой на создание газовой фазы в рабочем промежутке. Следует заметить, что использование данного типа пробоя для нужд электроразрядных технологий энергетически менее выгодно по сравнению с электрическим пробоем. Отметим еще одну особенность развития разряда в высокопроводящих жидких средах. Пробой их сопровождается образованием вблизи потенциального электрода большого количества лидеров, которые выравнивают поле, что приводит к уменьшению скорости прорастания лидерной системы вглубь промежутка. Это, в отличие от пробоя слабопроводящих жидкостей, приводит к тому, что время развития лидерной системы увеличивается, а время создания перегревной неустойчивости уменьшается [139, 140].
Получение водоминеральной суспензии при электроимпульсном дроблении горных пород
Для решения поставленных задач по получению суспензии при электроимпульсном дроблении минералов в НИИ СМ была создана экспериментальная установка (рис. 2.1), состоящая из: генератора импульсных напряжений (ГИН) 1, электроимпульсной дробилки 2, искрового коммутатора 3, пульта управления, измерительного комплекса, зарядного устройства (на рисунке не показанных).
Питание установки осуществлялось от сети переменного трёхфазного тока, напряжением 380 В, частотой 50 Гц. Зарядное устройство изготовлено на базе повышающего трансформатора ИОМ 100/25 и специально разработанного и изготовленного дросселя насыщения (магнитного усилителя). Выпрямление высокого напряжения, осуществлялось выпрямителем, собранным из вентилей ВЛ-10 десятого класса по двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой. Частота разрядов ГИН регулировалась с помощью дросселя насыщения. Защита выпрямителя и трансформатора от бросков тока при работе ГИН, осуществлялась воздушными соленоидами и дросселем насыщения. Конструктивно генератор импульсных напряжений изготовлен в соответствии с рекомендациями [144146], этажерочного типа на основе высоковольтных импульсных конденсаторов ИМ-100/0,1, ИК-(100/0,25; 100/0,4), по схеме умножения Аркадьева-Маркса, содержит 5 ступеней. Принципиальная электрическая схема приведена на рис. 2.2. искровой разрядник. ОР – отсекающий разрядник. ЭИД – электроимпульсная дробилка.
Конструкция ГИН позволяет регулировать амплитуду импульса от 90 до 450 кВ, разрядную ёмкость от 0.01 до 0.16 мкФ. А также изменять полярность высоковольтного импульса, то есть получать высоковольтные импульсы как положительной, так и отрицательной полярности относительно заземлённого низковольтного электрода. Искровые разрядники ГИН изготовлены на базе стальных шаров диаметром 50 мм. Они расположены в изоляционной трубе диаметром 260 мм. Регулировка величины амплитуды импульса напряжения осуществляется изменением межэлектродного расстояния искровых разрядников. Для более стабильной работы ГИН и охлаждения шаров через трубу прокачивается воздух от вентилятора.
Измерения параметров высоковольтных импульсов проводились в соответствии с рекомендациями, приведёнными в [144, 145, 147, 148]. Большинство экспериментов проводились при одинаковых начальных параметрах ГИН: - амплитуда импульса напряжения холостого хода ГИН составляла Uн = 315 кВ, что достаточно для осуществления процесса дробления; - разрядная ёмкость Ср = 0,02 мкФ; - длительность фронта импульса напряжения tф = 150 нс; - запасаемая энергия единичного импульса W = 992 Дж; - частота следования импульсов f = 1,5 Гц; - индуктивность разрядного контура L = 13,5 мкГ. Электроимпульсная установка находится за ограждением, исключающим доступ людей на испытательное поле во время работы генератора. Пульт управления вынесен за пределы ограждения. С пульта управления осуществляется включение и выключение генератора, регулировка частоты следования импульсов.
В работе использовались две экспериментальные электроимпульсные дробильные камеры, внешний вид которых показан на рис. 2.3 (лабораторная) и 2.4 (полупромышленная). Корпус и крышка были выполнены из диэлектрического материала. Для электродов использовалась сталь марки Ст-45. Объём камер составлял 3 (лабораторная) и 120 (полупромышленная) дм3, в которые помещался гравий 1кг и 40 кг, затем заливалась водопроводная вода 2 л и 80 л соответственно. Межэлектродное расстояние в обеих камерах составляло 30 мм. Низковольтный электрод в лабораторной камере был изготовлен в виде плоского металлического диска диаметром 125 мм, толщиной 15 мм. А для полупромышленной камеры было сделано 2 плоских металлических диска диаметром 350 мм с отверстиями диаметром 3 мм и без отверстий.
В исследованиях использовалась суспензия, полученная путём электроимпульсного дробления гравия. Дробление гравия осуществлялось следующим образом. В лабораторную дробильную камеру помещалась навеска гравия, заливалась водопроводная вода, закрывалась крышка и дробилка помещалась на испытательное поле, где подключалась к ГИН и на неё подавались высоковольтные импульсы.
Влияние режимов электроимпульсного дробления горных пород на свойства образующейся суспензии
При создании рациональной технологии и управлении качеством бетона уделяется большое внимание структурно-технологическим характеристикам компонентов (воды затворения, заполнителя, цементного теста), определяемых с учётом их физико-химического взаимодействия в процессе перемешивания и формования изделий. Реологические характеристики цементного теста и контактные взаимодействия его с поверхностью зёрен заполнителя определяют удобоукладываемость бетонной смеси и кинетику начального структурообразования бетона. Факторами воздействующими на обрабатываемую электрическими импульсами воду при электроимпульсном дроблении в ней горных пород, являются [60, 68, 79, 150, 128, 129]: импульсные токи с амплитудами от мкА до нескольких сотен А, микрофакелы зажигающиеся на высоковольтном острийном электроде, первичные разрядные каналы, ударное расширение первичного канала, объёмные электрические заряды формирующиеся во время движения лидера в промежутке в рабочей среде, разогрев, поляризация и ионизация молекул жидкости непосредственно прилегающих к каналу разряда, частичный переход материала электродов в рабочую среду, ударная волна, газообразование, мелкодисперсные частицы и ионы, образующиеся при дроблении каменных материалов. Также наблюдаются [76, 95, 129] кавитационные процессы, интенсивно развивающиеся за положительной фазой волны в зоне разряжения. Кавитационные образования имеют размер от нескольких мкм до единиц мм, их плотность может достигать 100 единиц/см3. Кавитационные пузырьки, как правило, развиваются на поверхности твёрдых частиц и при схлопывании генерируют короткие ударные волны с давлением до 0,1 МПа. Многократное воздействие таких волн приводит к дезинтеграции твёрдой фазы суспензий. Это, в свою очередь, инициирует поляризационные, ионизационные процессы и окислительно-восстановительные реакции во всём объёме жидкости, и существенно влияет на свойства рабочей среды [91, 151], в результате чего появляются валентно ненасыщенные свободные радикалы [28, 84, 152], обладающие большой реакционной способностью. Кроме того, в связи с температурным разложением воды, образуются активные кислород и водород. В результате этого в воде появляются новые соединения, не присутствовавшие до активации, так в [87] установлено, что при разрушении кварца в объёме воды возрастает концентрация кремниевой кислоты до 490 мг/дм3, а при разрушении рутила концентрация титана достигает 115 мг/дм3.
Таким образом, вода после дробления в ней минералов представляет, из себя суспензию, состоящую из собственно воды, мелкодисперсных частиц минералов (взвеси), растворённых солей и вновь образованных веществ.
Вне всякого сомнения, такое многокомпонентное воздействие на суспензию, полученную при электроимпульсном дроблении минералов и используемую в качестве воды затворения, оказывает влияние на взаимодействие воды и частичек цемента, что находит отражение в изменении реологических характеристик цементного теста [7, 56, 78, 119, 151], а также прочности цементного камня.
Анализ литературы [41, 56, 57, 59, 92] показал, что имеющаяся информация по использованию суспензии полученной при электроимпульсном дроблении минералов для приготовления бетонов не позволяет выбрать диапазон изменения параметров электроимпульсной установки и сделать какие-то определённые выводы по оптимизации режимов обработки. В основном приводятся сведения о параметрах, при которых проводилась обработка и полученные при этом качественные изменения объекта. Более того, работ по использованию суспензии полученной при электроимпульсном дроблении минералов в качестве воды затворения практически не встречается.
В связи с чем на начальном этапе потребовалось определить диапазон изменения параметров электроимпульсной установки получения суспензии, в котором возможен процесс электроимпульсного дробления минералов. Для этого проводились исследования по определению влияния энергии, затраченной для получения суспензии на электрическую прочность гравия и воды, и на производительность установки при дроблении гравия. При этом учитывалось, что процесс получения суспензии возможен только при условии осуществления электроимпульсного дробления минералов. Исходя из этого, необходимо было выявить основные факторы, влияющие на процесс получения суспензии при электроимпульсном дроблении минералов, а затем оптимальную область их значений. На эффективность электроимпульсных технологий влияет большое количество факторов, но к основным можно отнести следующие параметры разрядного контура [68, 129, 130]: (U – амплитуда напряжения высоковольтного импульса, С – разрядная ёмкость генератора импульсных напряжений, t – длительность фронта импульса напряжения); параметры разрядного промежутка (О-П – форма электродов, Lп – длина межэлектродного промежутка); параметры рабочей среды ( – электропроводность жидкости, – диэлектрическая проницаемость жидкости, Т – температура жидкости).
Определение оптимальной области значений факторов, определяющих технологический регламент получения суспензии, проводилось в несколько этапов. Первоначально был выбран диапазон режимов электроимпульсного дробления гравия применительно для получения суспензии. Из литературных источников [66, 68, 76, 79, 82, 91, 95, 128, 129, 130, 153] известно, что при дроблении в воде минералов, сильно ухудшаются её диэлектрические свойства. То есть при дроблении наступает такой момент, когда импульсы напряжения от ГИН подаются, а дробления минералов не происходит, поскольку вода становится настолько проводящей, что в ней не может сформироваться локальный электрический разряд. В связи с этим для исследований были выбраны режимы электроимпульсного дробления минералов с затратами энергии между 11 – 500 кДж/дм3. Энергия при дроблении изменялась путём изменения количества поданных импульсов. Основные параметры разрядного контура были взяты из литературных источников [72, 79, 89, 91, 95, 101, 109, 150, 154], а также использованы данные поисковых экспериментов. Дробление минералов осуществлялось при следующих параметрах разрядного контура: амплитуда импульса напряжения холостого хода ГИН составляла Uн=315 кВ; разрядная ёмкость Ср=0,02 мкФ; длительность фронта импульса напряжения tф=150 нс; запасаемая энергия единичного импульса W=992 Дж; частота следования импульсов f=4 Гц; межэлектродное расстояние Lп=30 мм. Дробление гравия производилось в электроимпульсной дробилке. Одновременно определялось несколько параметров: Uт – амплитуда напряжения высоковольтного импульса при пробое гравия, Uв – амплитуда напряжения высоковольтного импульса при пробое суспензии после дробления в ней гравия, ф – длительность фронта импульса напряжения, tт – время до пробоя гравия, tв время до пробоя суспензии, p – производительность электроимпульсного дробления. Также было определено содержание мелкодисперсных частиц (взвеси) в суспензии после 15 минутного отстаивания и был сделан физико-химический анализ составной части суспензии – воды.
Установка для получения водоминеральной суспензий при электроимпульсном дроблении горных пород
На основании выше проведённых исследований весьма перспективными являются технологии выпуска бетона, использующие в своей производственной базе, электроразрядные технологии для производства суспензий, получаемых при электроимпульсном дроблении горных пород.
При этом полученная суспензия, как показано выше, обладает всеми необходимыми свойствами, позволяющими увеличить подвижность бетонной смеси, увеличить прочность бетонных изделий, что позволяет изготавливать бетон более высокого качества, расширить изготовление бетонов в условиях естественного твердения в связи с тем, что скорость твердения изделий, изготовленных с использованием такой суспензии, значительно выше, чем при традиционных технологиях, и т.д. Поэтому целесообразно рассмотреть техническую и технологическую возможность и экономические показатели специально созданных электроимпульсных установок для получения суспензии при электроимпульсном дроблении горных пород с целью производства качественного бетона непосредственно в местах его производства. Рассмотрению этих вопросов посвящен данный раздел работы.
Анализ известных конструкций и схем электроимпульсных установок [35, 125, 128, 152, 153, 182, 183] показал, что такая установка может быть вписана в существующую технологическую схему производства бетона дополнительным отдельным блоком. При этом в существующей технологии изменению подвергается только процесс подготовки жидкости затворения. На рисунке 5.1 представлена технологическая схема приготовления бетона, затворённого на водоминеральной суспензии, полученной при электроимпульсном дроблении горных пород. Работа электроимпульсной установки осуществляется следующим образом: с пульта управления 1 включается насос 13 и вода по трубопроводу 14 из ёмкости исходной воды 12 поступает в электроимпульсную дробилку 8. Вентилем, установленным на трубопроводе 14, осуществляют регулирование расхода воды. Затем подают напряжение на зарядное устройство 2. Зарядное устройство 2 повышает напряжение и преобразует его из переменного в постоянное, которое является зарядным напряжением для ГИН 3, и ГИТ 4. ГИН 3 и ГИТ 4 преобразуют постоянное напряжение в импульсы высокого напряжения. При достижении на искровом разряднике 5, напряжения, достаточного для его пробоя, он пробивается и импульсы высокого напряжения подаются на электроды электроимпульсной дробилки 8 и на выходной искровой разрядник ГИТ 4. После чего происходит пробой разрядных промежутков в высоковольтной камере. Энергия, запасённая в ГИН 3 и ГИТ 4, выделяется в разрядных промежутках высоковольтной камеры электроимпульсной дробилки и происходит дробление минералов, загруженных в высоковольтную рабочую камеру 8. В результате чего получается суспензия. Затем полученная суспензия из высоковольтной камеры 8 поступает в ёмкость 15 по трубопроводу 16. Подача гравия из бункера 11 в электроимпульсную дробилку с помощью транспортёра 10 осуществляется автоматически, по мере его расхода. Также, по мере надобности, суспензия из бункера 16 расходуется на изготовление бетона.
Работа электроимпульсной установки может быть полностью механизирована при условии использования соответствующих датчиков и исполнительных механизмов. Более того предпочтительным является работа электроимпульсной установки в составе мобильного бетонного завода. Наиболее подходящим, по мнению автора, является завод марки "ELKON MOBIL MASTER 30 EAGLE". Возможность транспортировки одним седельным тягачом и лёгкая установка в течение 6 часов на небольшом участке — основные его достоинства. Он относится к бетонным заводам со средней производительностью. Максимальная производительность 30 м3 бетона в час. В системе установлен тарельчатый смеситель ёмкостью 500 л. Дозатор для заполнителей 0 – 2000 кг. Дозатор для воды 0 – 300 кг. Вместимость бункера для инертных материалов 4 x 10 м или (2 х 20 м). Дозатор химических добавок по 25 литров на два вида. Загрузка инертных материалов в бункер может осуществляться как с мобильной системы загрузки, так и путём установки рампы с двух сторон бункера. Бетонный завод оборудован наклонным конвейером, двумя шнеками, двумя силосами и фильтром для цемента. Центральная система управления бетонного завода представляет собой компьютер и работает как в автоматическом, так и в ручном режиме, имеет функцию обнаружения неисправностей. Кабина оператора и контрольная панель оборудована кондиционером, системой отопления, в ней находится пульт управления и компьютерная система. Бетонный завод рассчитан на работу, как в летнее, так и зимнее время.
