Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Переработка резиновых отходов 13
1.1.1. Характеристика резиновых отходов и способы их переработки . 13
1.1.2. Производство регенерата 14
1.1.3. Получение резиновой крошки 16
1.1.4. Свойства регенерата и его применение 17
1.1.5. Состояние и перспективы производства и потребления регенерата 19
1.2. Переработка волокна кордных нитей 21
1.2.1. Характеристика кордных волокон 21
1.2.2. Разделение резинокордной смеси 26
1.2.3. Использование кордного волокна 28
Глава 2. Исследование процесса измельчения загрязненного кордного волокна
2.1. Некоторые теоретические предпосылки разрушения резины и отрыва резиновой крошки от волокна 35
2.1.1. Анализ напряженного состояния частиц при ударном нагружении и механизм их разрушения 35
2.1.2. Анализ связи процесса разрушения обрезиненного корда с пределами прочности и текучести нагружаемого материала 44
2.2. Ориентировочный выбор способа измельчения и конструкции измельчителя обрезиненного кордного волокна 48
2.3. Описание экспериментальной установки 50
2.4. Исходный экспериментальный материал и его свойства 54
2.5. Экспериментальные исследования процесса измельчения кордного волокна на мельнице центробежно-ударного действия 57
2.5.1. Исследования эффективности процесса измельчения обрезиненных кордных волокон в зависимости от скорости ударного нагружения и числа пропусков через мельницу 57
2.5.2. Влияние зазора между билами и отбойниками мельницы на эффективность процесса измельчения 64
2.6. Расчет предельной (критической) скорости ударного нагружения, вызывающей разрушение частиц резины или отрыв резины от волокна 68
Глава 3. Разработка и исследование устройства для разрыхления резинокордной смеси, являющейся продуктом измельчения исходного материала
3.1. Вибрационное разделение измельченной резинокордной смеси 70
3.2. Теоретические основы процесса трепания и чесания 73
3.2.1. Трепальные машины 73
3.2.2. Чесальные машины 75
3.3. Разработка экспериментальной установки для разрыхления резинокордной смеси 79
3.4. Экспериментальные исследования по определению разрывного усилия измельченного материала 85
3.5. Расчет потребляемой мощности разрыхляющего валка 90
- Переработка волокна кордных нитей
- Ориентировочный выбор способа измельчения и конструкции измельчителя обрезиненного кордного волокна
- Описание экспериментальной установки
- Теоретические основы процесса трепания и чесания
Введение к работе
Актуальность проблемы. Существуют данные, известные далеко не всем, но весьма впечатляющие, ежегодно в мире остается около 1 миллиарда использованных автопокрышек Вследствие экономического развития наблюдается тенденция долгосрочного роста поступлений изношенных шин
Проблема переработки изношенных шин и вышедших из эксплуатации резинотехнических изделий имеет большое экологическое и экономическое значение для всех развитых стран мира
Шины представляют собой уникальное утильсырье Резина и кордное волокно шин в процессе эксплуатации подвергаются изменениям, однако их свойства остаются относительно близкими к первоначальным
С момента внедрения механического способа отделения кордного волокна от резины на регенератных заводах стали накапливаться большие запасы этого волокна Содержание резины в волокне доходит до 40-55%
Утилизация такого волокна возможна лишь в том случае, если будет создано условие для надежного отделения прочно соединенной резины от кордных волокон
В этой связи целью настоящей работы является разработка технологии и оборудования для отрыва резины от волокна и разделения резинотканевой смеси на отдельные составляющие тонкодисперсную резиновую крошку и распушенное кордное волокно
Методы исследований. Экспериментальные и теоретические
исследования проводились на базе кафедры МАХП Ивановского
государственного химико-технологического университета с
использованием современной измерительной аппаратуры Использовались стандартные методики и компьютерные методы обработки полученных экспериментальных данных
Научная новизна работы.
1 Предложена новая технология переработки обрезиненных тканевых
отходов, образующихся в процессе валкового измельчения изношенных
шин Данная технология состоит из трех операций
а) ударно-отражательное измельчение тканевых отходов с целью
отрыва частиц резины от кордных волокон;
б) вырыв (освобождение) частиц резины из распушенного волокна с
помощью специально созданного расчесывающего устройства,
в) виброразделение резино-волокнистой смеси на резиновую крошку и
ватообразное кордное волокно
2 Теоретически найдена скорость однократного ударного нагружения,
при которой происходит разрушение резин
Получена эмпирическая зависимость вероятности разрушения резины и отрыва ее от кордных нитей от скорости ударного нагружения в двухступенчатой мельнице ударно-отражательного действия
Найдены оптимальные режимы измельчения обрезиненных тканевых отходов в мельнице ударно-отражательного действия, обеспечивающие 100% вероятность отрыва резиновой крошки от волокон
Определены режимно-конструктивные параметры разработанного расчесывающего устройства (оптимальные длина иголок, шаг между ними, число рядов игл и разность скоростей вращения валков)
Экспериментально найдена зависимость усилия разрыва смеси распушенного кордного волокна и резиновой крошки от шага между иглами и высоты разрываемого слоя
Получены зависимости скоростей движения распушенного кордного волокна и слоя резиновой крошки от амплитудно-частотных характеристик и угла наклона виброрешетки
Найдена зависимость эффективности разделения смеси распушенного волокна и резиновой крошки на составляющие от амплитудно-частотных характеристик колебания виброрешетки и ее длины
Практическая значимость:
Найдены способ и конструкция измельчителя, обеспечивающие высокую эффективность отрыва резины от обрезиненных кордных нитей
Разработана конструкция расчесывающего, разрыхляющего устройства, вырывающего запутавшуюся резиновую крошку из распушенного кордного волокна
Разработана методика расчета потребляемой мощности расчесывающего, разрыхляющего устройства
Найдены оптимальные режимы работы виброрешетки для разделения смеси на распушенное волокно и резиновую крошку
5 Разработана методика расчета вибросита (виброгрохота)
Автор защищает:
Технологию переработки обрезиненных тканевых отходов, образующихся в процессе валкового измельчения изношенных шин
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, позволяющие осуществить 100% отрыв резины от кордного волокна
Конструкцию и оптимизацию разрыхляющего устройства для волокнистого материала
Процесс виброразделения резинотканевой смеси- гидродинамику движения измельченной резинокордной смеси, кинетику виброразделенйя
Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы были представлены и обсуждены на VII Международной научной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования» Иваново, 2005г, VI Региональной студенческой научной конференции «Фундаментальные
науки - специалисту нового века» Иваново, 2006г, Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2007) Иваново, 2007, Международной конференции по химической технологии (посвящается 100-летию со дня рождения академика Николая Михайлова Жаворонкова) Москва, 2007, IV Международной научно-практической конференции "Экологические проблемы индустриальных мегаполисов" Москва, 2007, студенческой научной конференции «Дни науки-2007» Иваново, 2007.
По результатам проведенной работы опубликованы 7 научных работ, из них 1 статья в журнале «Известия вузов Химия и химическая технология», 6 тезисов докладов конференций
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора (глава 1), изложения результатов исследований (2,3,4 главы) и выводов общим объемом 130 страниц машинописного текста (в том числе 34 рисунков, 15 таблиц, списка использованной литературы из 102 наименования)
Переработка волокна кордных нитей
Волокном называется протяженное гибкое и прочное тело с малыми поперечными размерами, ограниченной длины, пригодное для изготовления пряжи, текстильных и технических изделий.
Химические волокна в зависимости от природы применяемого для переработки высокомолекулярного соединения делятся на два класса: искусственные и синтетические [11].
В зависимости от назначения химические волокна выпускаются в виде филаментных нитей, штапельного волокна и моноволокна. Филаментные нити состоят из большого числа одиночных тонких волокон большой длины, и могут быть подразделены на две большие группы: текстильные и кордные. К кордным (от французского слова corde - веревка) относятся более толстые крученые нити повышенной прочности и крутки, применяемые для изготовления технических изделий [12].
Наиболее распространенным кордом для шин является вискозный, который применяется в легковых шинах, грузовых, работающих на усовершенствованных дорогах, и в шинах для тракторов и сельскохозяйственных машин. Полиамидный корд, обладающий хорошим сопротивлением ударным нагрузкам, применяется в грузовых шинах больших размеров, работающих в тяжелых дорожных условиях, и в легковых шинах высокого класса. Хлопковый корд ограничено используется в малослойных шинах для машин, работающих при низких скоростях движения [13].
Под действием многократных деформаций покрышек при повышенной температуре нити корда подвергаются утомлению, что сопровождается развитием поверхностных дефектов элементарных волокон и появлением некоторых структурных изменений. Однако за короткий период эксплуатации покрышек структурные изменения и поверхностные дефекты на утомленном волокне не успевают развиться до такой степени, чтобы значительно снизить прочность волокон. Поэтому прочность волокон, выделенных из кордных нитей изношенных покрышек, лишь немного ниже прочности новых, специально упрочненных волокон, применяемых для изготовления корда. В случае регенерации неповрежденных капроновых, вискозных и хлопковых волокон из кордных нитей изношенных покрышек эти волокна могут найти широкое применение в производстве.
Таким образом, резина, капроновое, вискозное и хлопковое волокна, выделенные из изношенных покрышек, при надлежащем способе их переработки могут явиться ценным сырьем для промышленности, что позволит значительно расширить сырьевые ресурсы.
Основные свойства хлопковых, вискозных и капроновых волокон, применяемых для изготовления кордных нитей, приведены в табл. 1.1 [14].
К сожалению, о теплопроводности и теплопередачи волокон имеется небольшое количество данных.
Для изделий из химических волокон и шерсти большое значение имеет свойство теплопередачи. Наиболее подробно этот вопрос изучен в ЦНИИШерсти на образцах войлока толщиной 5мм. Результаты исследований приведены в табл. 1.2 [15].
Характерно, что шерсть имеет наиболее высокий коэффициент теплопередачи. По мере увеличения содержания в смеси химических волокон, особенно синтетических, коэффициент теплопередачи смеси значительно уменьшается. Однако, теплопередача еще не определяет теплоизоляционных свойств изделий, отмечает Гусев В.Е. [16].
Относительная теплопроводность некоторых текстильных волокон и синтетических материалов приведена ниже [17]:
Благодаря большей прочности и меньшему износу каркаса из корда на основе химических волокон пробег шин с вискозным и полиамидным кордом увеличивается на 20-70%, уменьшаются габарит и вес шин, что приводит к экономии исходных материалов и снижению стоимости шин [18].
Одновременно необходимо отметить большой недостаток корда из химических волокон - низкую адгезию резиновых смесей к нитям [19].
Адгезией принято называть молекулярное взаимодействие, возникающее между поверхностями разнородных тел, приведенных в контакт [20].
Срок эксплуатации покрышек, в основном, зависит от прочности связи между резиной и кордом, поэтому применение в шинном производстве корда из химических волокон потребовало осуществления ряда мероприятий по увеличению адгезии резины к капроновому и вискозному корду.
В настоящее время различают два типа адгезии: специфическую, или собственно адгезию, проявляющуюся при совершенно гладких и плотных поверхностях вследствие некоторого взаимодействия между адгезивом, и склеиваемой поверхностью; механическую, проявляющуюся на поверхностях, имеющих поры или трещины, вследствие проникания в них адгезива и образования своеобразных корней в теле склеиваемого материала [21]. При покрытии кордных нитей резиной имеют большое значение оба типа адгезии.
Ориентировочный выбор способа измельчения и конструкции измельчителя обрезиненного кордного волокна
Анализ литературных источников по прочности связи резины шин с кордным волокном показывает, что наилучшие условия отрыва резиновой крошки от волокна наступают при создании касательных напряжений, которые, в свою очередь, наиболее легко образуются при несимметричных нормальных напряжениях.
Предельные касательные напряжения, вызывающие разрушение материалов, как следует из предыдущего параграфа, можно ориентировочно определить либо с учетом предела прочности, либо предела текучести материалов, а также величины максимальной деформации разрушенных частиц.
Следовательно, выбор наилучшего типа измельчителя для отрыва резиновой крошки от волокна должен, в первую очередь, базироваться на возможности создания в нем максимальных касательных напряжений, больших предела прочности резин и сил адгезионной связи резины с волокном.
После реализации первого требования, вторым требованием, предъявляемым к измельчителью, должны быть минимальные удельные энергозатраты, простота конструкции и большие удельные производительности (т. продукции/т. веса машины).
Предварительно проведенные нами исследования, а также теоретические предпосылки свидетельствуют о том, что и первое и второе основные требования могут быть выполнены в высокоскоростных машинах ударно-отражательного типа, имеющие била и отбойники.
За короткое время пребывания измельчаемого материала в машинах этой группы (1,5-ь8с) частицы многократно ударно нагружаются свободным ударом при явно несимметричном напряженном состоянии, благоприятствующем возникновению больших касательных напряжений, отрывающих резину от волокна.
Кроме свободного удара в таких машинах для волокнистых материалов с размерами волокон, большими величины зазора между билами и отбойниками, реализуется также стесненный удар со сдвигом за счет зацепления волокон за отбойники и высокоскоростного затягивания их агрегатами в зазор между билами и отбойниками. В данном случае реализуется высокоскоростной срез частиц резины с волокон. Данный механизм разрушения в мельницах ударно-отражательного типа является достаточно эффективным и одним из главных, так как на частицы действуют большие центробежные силы, пропорциональные массе измельчаемых частиц, отбрасывающие измельчаемый материал к стенке мельницы, и силы увлекающие в зазор между отбойниками и билами волокна, затягивающие в этот зазор и частицы резины, которые появляются вследствие наличия в данном узле мельницы локальных перепадов давлений и изменения скоростей воздушных потоков [55,56].
Описание экспериментальной установки
Исходный материал - резинокордная смесь состоит, в основном, из отдельных и прочно соединенных между собой резиной обрезиненных волокон и агрегатов (см. рис.2.7).
Поэтому первой задачей настоящего исследования явился выбор способа и устройства для измельчения агрегатов и отрыва резины кордных волокон. Мы проводили эксперименты на двухступенчатой ударно-центробежной мельнице, в которой реализуется ударно-сдвиговое воздействие на обрабатываемый материал, с малыми зазорами между билами и отбойниками.
Первая наша экспериментальная установка представлена на рис.2.3. Основной частью данной установки является двухступенчатый высокоскоростной измельчитель ударного действия (1), ротор которого приводится во вращение двигателем постоянного тока (2) через мультипликатор (3). Питание на двигатель подается от электрощита (4), на котором расположены контрольно-измерительные приборы - амперметр и вольтметр, позволяющие замерять параметры тока.
Исходный материал подается в мельницу питателем (6), производительность которого варьируется изменением напряжения, подаваемого на приводной двигатель. Измельченный продукт собирается в циклоне-фильтре (7) и поступает в сборник (8).
На рис.2.4 показана принципиальная схема двухступенчатой мельницы центробежно-ударного действия, разработанной на кафедре МАХП ИГХТУ и испытанной нами для измельчения загрязненного волокна [57].
Мельница содержит загрузочное устройство (1), корпус (2). На внутренней поверхности каждой ступени корпуса расположены отбойные планки (3). Внутри корпуса на валу (4) расположен ротор, состоящий из двух дисков (5). На каждом из дисков жестко закреплены била (6). Измельчитель имеет выгрузочный патрубок (7), расположенный на фланце (8).
Мельница работает следующим образом. Исходный материал через загрузочный патрубок (1) поступает в рабочую зону мельницы и разрушается за счет многократного нагружения об била (6) и отбойники ступени (3). Далее частицы отбрасываются к периферии и дополнительно разрушаются, испытывая сдвиговые воздействия между быстро вращающимися билами и отбойниками мельницы. Измельчаемый материал захватывается потоком воздуха, который создается вращающимся ротором, и вследствие этого поступает на вторую ступень, где процесс разрушения происходит аналогично. Поскольку диаметр второй ступени ротора больше, чем первой, окружная скорость бил здесь выше. Благодаря этому частицы материала разрушаются здесь до более мелких размеров.
Измельчаемый материал будет находиться в зоне измельчения второй ступени до тех пор, пока его частицы не достигнут таких размеров, когда силы сопротивления воздушного потока будут больше инерционных сил частиц. Измельченный материал выгружается из мельницы воздушным потоком, который нагнетается билами мельниц. Материал выводится через выгрузочный патрубок (7) в циклон-фильтр, где происходит отделение твердой фазы от воздуха.
На рис.2.5 представлен второй тип испытанный нами мельницы центробежно-ударного типа с вертикальным валом. Отличие этой мельницы от машины представленной на рис.2.4, в том, что диаметр ротора больше, что позволило создавать более высокие скорости ударного нагружения.
По существующей на данном заводе технологии переработки шин образующийся отход - текстильный корд состоит из чистых и обрезиненных волокон, агрегатов и частиц резиновой крошки.
Чистые волокна, содержание которых составляет примерно 14% (по массе) в данных отходах, представляют собой освобожденные от резины отдельные волокна длиной до 45мм и распушенные короткие волокна (рис.2.7.а).
Обрезиненные волокна (содержание 50-55% по массе) представляют собой отдельные волокна длиной 5-72мм, покрытые резиной по всей поверхности, а также волокна, соединенные между собой резиной (рис.2.7.б).
Теоретические основы процесса трепания и чесания
Машины разрыхлительно-трепального агрегата предназначены для разрыхления, смешивания и интенсивной очистки хлопка от сорных примесей и пороков [58-61]. В процессе рыхления сильно спрессованный хлопок превращается в рыхлую волокнистую массу путем разделения его на мелкие клочки для равномерного смешивания и лучшей очистки от сорных примесей и пороков.
На первой машине современного разрыхлительно-трепального агрегата, питателе-смесителе, получаются клочки весом 160-170мг. Затем эти клочки хлопка поступают на очистительные органы, где происходит дальнейшее разделение их, в результате которого нарушается связь между волокнами, а также между волокнами и примесями и отделяются примеси.
Разрушение связей между волокнами и примесями происходит в результате скользящего удара наносимого непосредственно по хлопку треплющим органом [60].
В разрыхлительно-трепальном агрегате применяются колковые и ножевые барабаны, ножевые, планочные, игольчатые, пильчатые и или пильчато-цилиндрические трепала [59,60].
В процессе трепания по зажатому в цилиндрах волокнистому слою наносится большое количество ударов ножами, планками, колками быстровращающихся рабочих органов.
При выходе из агрегата разрыхленная очищенная от крупных примесей волокнистая масса формируется в холст (или в виде разрыхленной массы) [58].
Автоматический питатель АПК-250-2 является первой машиной автоматизированного агрегата. Машина предназначена для разрыхления хлопка непосредственно из кип, частичного его смешивания и передачи в последующие машины агрегаты. Разрыхлительные колковые барабаны, установленные по два в каждой промежуточной секции на опорах качения, являются основными разрыхляющими органами машины. Разрыхлительный колковый барабан состоит из стального барабана с насаженными на него и закрепленными на шпонках чугунными обечайками. На поверхности обечаек крепятся восемь стальных планок с запрессованными в них коническими колками, имеющими высоту 25мм и диаметр у основания 10мм. Для лучшей проработки кип по ширине колки на планках имеют специальную рассадку: колки каждого последующего барабана расположены в шахматном порядке со смещением на половину шага относительно колков предыдущего. Диаметр разрыхляющего барабана по колкам 250мм, число рядов колков по окружности восемь. Производительность АПК-250-2 150-280кг/ч [59].
Также существуют колковый рыхлитель чиститель РЧК-1 (диаметр барабана по колкам 350мм; количество колков на одном барабане 42; производительность до 240кг/ч) и горизонтальный разрыхлитель ГР-7 (производительность до 800кг/ч), имеющие ножевой барабан диаметром 610мм.
Трепальная машина Т-16, с производительностью 180-200кг/ч, (трехбильное игольчатое трепало) предназначена для окончательного разрыхления и очистки хлопка от сорных примесей. По сравнению с другими видами трепал игольчатые трепала являются менее эффективными по очистительной способности, но обеспечивает высокую степень разрыхления.
Целью процесса чесания является превращение смеси в ровницу или ленту, т.е. в равномерный по составу и строению полуфабрикат. Задача чесания состоит в разделении клочков волокон на отдельные волокна, распрямлении и ориентации волокон вдоль продольной оси продукта, очистке волокон от растительных и минеральных примесей, перемешивании волокон и формировании продукта в виде ленты в гребенном прядении [62].
Первые попытки механизировать ручные операции чесания относятся к 50-м годам XVIII века. В мае 1748г. (Люис Пауль, Англия) были выданы первые патенты на валичную чесальную машину, а через 7 месяцев - на первую шляпочную чесальную машину для хлопка, с 1780г. начинается промышленный выпуск чесальных машин, и далее развивались, усовершенствовались и появились другие новые конструкции [62-70].
