ГОРИЗОНТДезинтегратор
Одним из основных показателей качества компонентов сухих смесей является их дисперсионная характеристика, которая варьируется в достаточно широком диапазоне в зависимости от направления использования - от миллиметров, для относительно простых составов, до микронов, для клеевых составов, тонкослойных композитов и качественных красок. Показатели удельной поверхности, как и гранулометрический состав во многом определяют основные свойства компонентов, используемых в производстве строительных смесей.
Большинство природных материалов, используемых в производстве строительных смесей, требуют дополнительного измельчения. Так, содержание крупных фракций (0.5-2 мм) в природных материалах, обычно достаточно только для составления рецептур относительно простых смесей. Для производства более сложных составов необходимо использовать компоненты большей дисперсности, но содержание в природных материалах тонкой фракции (менее 100 мкм) обычно не невысоко, а именно высокодисперсные материалы являются основой тонкослойных композитов, качественных красок и клеевых составов.
По мере увеличения интенсивности энергетического воздействия при смешивании, повышается не только однородность получаемого продукта, но также увеличивается дисперсность используемых компонентов, появляется реальная возможность совмещения наиболее ответственных технологических операций в производстве сухих строительных смесей, а именно: сортировка- измельчение и дозирование- смешивание. Повышение концентрации энергии в смесительной камере, позволяет добиться не просто высокой степени совмещения компонентов смеси, но и изменить их физико-механическое состояние, структуру поверхности, показатели дисперсности и т.д.
Установлено, что при определенной интенсивности соударения частиц смешиваемых материалов, в местах контактов возникают механические напряжения, приводящие не только к изменению структуры поверхностных слоев, но и более глубоким изменениям свойств обрабатываемых материалов. Хорошо известно, что состояние активированного материала характеризуется, прежде всего, его энергосодержанием, обусловленным поверхностной энергией, аккумулированной в виде различных дефектов структуры, а также энергией искажения его кристаллической решетки. Впоследствии эта накопленная энергия оказывает позитивное влияние на кинетику основных технологических процессов.
Для активированных составов, полученных в результате перемешивания в энергонапряженных смесителях, помимо высокой степени гомогенизации смеси, также характерно возникновение эффектов, когда частицы одного вещества могут быть привиты на поверхности другого, что позволяет создавать многокомпонентные составы высокой связности, а значит и стабильности.
Сегодня в производстве сухих смесей сложного состава, широко используются природные материалы, дисперсионная характеристика которых была искусственно изменена, вместе с тем, именно тонкий помол является наиболее сложной и дорогостоящей технологической операцией, требующей применения специального помольного и классифицирующего оборудования. Совмещение процессов помола и смешивания материалов, позволяет не только уменьшить энергозатраты на осуществление данных технологических операций, но и кардинально повысить эффективность совместного действия смешанных компонентов.
Рассматривая процесс производства многокомпонентных смесей как комплекс технологических операций по равномерному распределению между собой компонентов в конечном продукте, зависимость дисперсионных характеристик смешиваемых компонентов и показателей однородности полученной смеси представляется весьма очевидной.
При всей перспективности использования высокоэнергонапряженных смесителей- активаторов, данный тип оборудования сегодня практически не используется в отечественном производстве сухих строительных смесей. Производители смесительного оборудования только делают первые шаги в направлении создания агрегатов-механоактиваторов циклического или непрерывного действия. Самое печальное в данной ситуации то, что богатый опыт проектирования, производства и эксплуатации помольно — смешивающих агрегатов, традиционно используемых в других областях производственной деятельности, совершенно не учитывается при создании смесительного оборудования для производства сухих строительных смесей.
Для повышения интенсивности энергетических воздействий на компоненты смеси при их перемешивании в производстве сухих смесей предпринимались попытки применения шаровых мельниц различного способа побуждения мелющих тел (мельницы барабанные и вибрационные). Данный тип помольного оборудования традиционно применяется для производства высокодисперсных материалов. Использование шаровых мельниц в роли смесителя- активатора объясняется, прежде всего, именно их широким распространением, а также богатым опытом получения активированных составов в лабораторных условиях. Лабораторные шаровые мельницы традиционно используются в исследовательских работах по механохимической активации сыпучих материалов.
Но массовое производство — это не лабораторные опыты. Выяснилось, что шаровые мельницы истирающего действия не в полной мере отвечают требованиям производства многокомпонентных смесей высокого уровня однородности. Основной проблемой, встающей на пути использования шаровых мельниц в качестве смесительного агрегата при производстве строительных смесей, является сама реализуемая ими модель разрушения твердых материалов.
Частицы, измельчаемых и смешиваемых компонентов, разрушаются в шаровой мельнице в результате раздавливающего воздействия низкой энергонагруженности. Для повышения интенсивности воздействия мелющих тел на обрабатываемые материалы, когда энергия каждого отдельного элемента (шара, стержня, либо мелющего тела другой формы) сама по себе не может быть увеличена, для достижения требуемых результатов помола либо смешивания, необходимо увеличить частоту таких воздействий. В случае, когда используется шаровая мельница непрерывного действия, интенсивность энергетического воздействия может быть повышена при увеличении загрузки мельницы мелющими телами, что, соответственно, увеличивает и ее габаритные размеры. При использовании мельницы циклического действия, интенсивность воздействия повышается при увеличении времени обработки материала. Ни один из этих методов не может быть рекомендован к использованию в производстве строительных смесей, так как первый из них подразумевает использование оборудования, материалоемкость и энергопотребление которого не укладывается в существующие стандарты производства. Второй метод не обеспечивает требуемую производительность помольно - смесительного оборудования на основе шаровой мельницы.
В целом, измельчительное оборудование истирающего и раздавливающего действия совершенно не соответствует современной концепции снижения энергоемкости рабочих процессов с одновременным увеличением производительности, и повышении эффективности воздействия на обрабатываемый материал.
Еще одним существенным недостатком шаровых мельниц, используемых для совмещения процессов измельчения и смешивания твердых компонентов в производстве сухих строительных смесей, является опасность расслоения приготавливаемого продукта. Материалы, используемые в производстве строительных смесей, в основном имеют разные размеры, прочность, плотность, показатели размалываемости и т.д., это относиться и к основным компонентам, и к химическим добавкам. В процессе совместного помола- смешивания, мелющие тела (шары, стержни и т.д.) вызывают сегригацию приготавливаемой смеси.
Под воздействием частых, но слабонагруженных контактов, в результате тиксотропного разжижения смеси, более тяжелые частицы опускаются в нижнюю часть емкости мельницы, более легкие частицы поднимаются в верхнюю часть, что приводит к значительному снижению однородности получаемого продукта. Побуждающие контакты мелющих тел снижают силу сцепления между частицами, вызывая интенсивное расслоение приготавливаемой смеси и, чем продолжительнее воздействие, тем менее однородный будет полученный материал.
Таким образом, несмотря на широкие возможности механохимической активации при совместном помоле-смешивании порошкообразных материалов, данный метод на сегодняшний день в основном реализован только в лабораторных условиях. Это связанно, прежде всего, с отсутствием необходимого помольно - смесительного оборудования, созданного с учетом специфики производства сухих смесей. Негативный опыт применения шаровых мельниц для реализации задач высокоэнергонагруженного смешивания, лишний раз подчеркивает необходимость использования специальных измельчительно - смешивающих агрегатов — механоактиваторов.
Оборудование, используемое для гомогенизации и тонкого помола компонентов смеси, должно создавать высокие механические нагрузки на обрабатываемый материал, обеспечивать равномерное распределение в основном объеме смеси малых добавок, не допускать расслоения (сегригации) приготавливаемого продукта, что совершенно не возможно при использовании мельниц раздавливающее - истирающего действия.
Выше мы рассмотрели особенности смешивания сыпучих материалов при различных скоростях движения смешивающих органов. Установив некоторую зависимость между результатами смешивания и интенсивностью воздействия на обрабатываемый материал, был сделан вывод, что, при увеличении интенсивности воздействия, происходит кардинальное улучшение показателей совмещения компонентов смеси.
Повышение концентрации энергии в смесительной камере, не только приводит к улучшению дисперсионных характеристик компонентов смеси, но и способствует позитивным изменениям в структуре поверхности. Переход отдельных элементов порошкообразных материалов в новое модифицированное состояние сопровождается увеличением потенциальной энергии высокодисперсной системы, вследствие увеличения поверхностной активности отдельных частиц.
Даже при относительно слабом воздействии смешивающих органов на обрабатываемые порошкообразные материалы, происходит обнажение и зачистка поверхности элементов, что позволяет повысить степень взаимодействия отдельных компонентов, активизирует работу химических добавок. Ощутимые результаты внесения дополнительной энергии в приготавливаемую смесь достигаются уже при относительно небольшом увеличении интенсивности взаимодействия смешивающих органов с порошкообразными материалами.
Сделанные выводы позволяют предельно четко сформулировать основные требования, предъявляемые к помольно - смешивающему оборудованию, задействованному в производстве активированных сухих строительных смесей. Прежде всего, смешивание компонентов должно осуществляться не в уплотненном, а во взвешенном состоянии, когда силы сцепления между частицами минимальны. Помол- смешивание материалов, находящихся во взвешенном состоянии позволяет снизить установленную мощность технологического оборудования, сократить время рабочего цикла.
Учитывая, что при увеличении интенсивности энергетических воздействий, уровень совмещения компонентов смеси повышается, помольно - смешивающий агрегат должен обеспечивать высокую степень нагружения обрабатываемого материала. Для предотвращения расслоения смеси в процессе смешивания, время нахождения материала в смесительной камере должно быть минимальным, что возможно только при достаточно высокой интенсивности энергетического контакта.
Предъявляемым требованиям вполне мог бы соответствовать некий помольно - смешивающий агрегат, реализующий интенсивный режим смешивания, классифицированный как Fr > 100. Переход смесительного оборудования на означенный режим, обеспечивает оптимальную энергонапряженность процесса механической активации, и небывалую степень совмещения активированных компонентов смеси.
Интенсивный режим помола- смешивания так же полностью устраняет опасность агрегатирования высокодисперсных материалов. Компоненты находятся в смесительной камере десятые доли секунды, что способствует интенсивному отведению тепла и предохраняет смешиваемые материалы от перегрева. Минимальное время нахождения обрабатываемых материалов в смесительной камере повышает связность продукта, устраняет опасность его расслоения. Более того, сокращение времени пребывания частиц в смесительной камере открывает возможность осуществлять помол и смешивание в непрерывном режиме, что позволяет кардинально снизить общую металлоемкость системы интенсивного смешивания более чем в 3 раза по сравнению с аналогичными показателями системы циклического смешивания. В то время как, максимальная загрузка цикличного смесителя составляет не более 70% от его объема, для высокоэнергонагруженных смесителей непрерывного действия характерно более полное использование рабочего объема камеры смешивания.
Описанные эффекты применения помольно - смешивающих агрегатов - механоактиваторов в производстве модифицированных смесей не являются чем-то фантастическим, напротив, результаты многочисленных исследований, проводившихся как в нашей стране, так и за рубежом, лишний раз подчеркивают практическую ценность и, что самое главное, техническое обеспечение метода активации твердых материалов. Более того, смесители — механоактиваторы достаточно давно применяются в различных технологических процессах, связанных с получением смесей сложного состава на основе высокодисперсных материалов.
Наиболее ярко возможности помольно - смешивающих агрегатов проявились в производстве силикальцитных изделий, для помола кварцевого песка, извести, смешивания шихты, гидрофобизации мела, а также в металлургической промышленности для приготовления формовочных составов.
Так, в производстве строительных материалов на основе силикальцита, как для помола основных компонентов, так и для их смешивания, использовались стержневые мельницы-дезинтеграторы.
Дезинтегратор представляет собой помольный механизм, состоящий из двух вращающихся в противоположные стороны роторов (корзин), насаженных на отдельные соосно расположенные валы. На дисках роторов по концентрическим окружностям установлено несколько рядов помольных органов (пальцев- бил). Расположение помольных органов выполнено таким образом, что каждый ряд одного ротора свободно входит между двумя рядами другого.
Рис. 7. Схема движения материала в дезинтеграторе.
Материал, или сразу несколько компонентов, подлежащих обработке, непрерывным потоком подается в центральную часть ротора и, перемещаясь к периферии, подвергается многократным ударам пальцев, установленных на роторах, вращающихся с высокой скоростью (1000—4500 об/мин) во встречных направлениях.
Подобный характер перемешивания компонентов смеси, наблюдается при работе высокоскоростных деагломераторов, которые применяются для повышения эффективности смешивания агрегатов циклического действия. Однако, степень энергетического воздействия, реализуемая дезинтегратором при прохождении через него сыпучих материалов и деагломератором, установленным в боковой части емкости смесителя, просто несопоставима. При работе помольные (смешивающие) органы дезинтегратора образуют мощнейшие встречные потоки материалов с высокой разностью скоростей, что обеспечивает глубокое объемное перемешивание, совершенно не достижимое при использовании других типов смесительного оборудования.
Частицы, измельчаемых либо смешиваемых материалов, попадая в центр ротора дезинтегратора, под действием центробежной силы отбрасываются на первый ряд помольных органов. Коснувшись пальцев первого от центра ротора ряда, зерно получает соответствующую этому ряду скорость и под действием центробежной силы выбрасывается с траектории первого ряда пальцев по направлению второго ряда, вращающегося в направлении противоположном направлению движения частиц. Получая удар от пальцев второго ряда, частицы отскакивают от них, меняя вектор скорости, и выбрасываются с траектории второго ряда пальцев дальше, пересекая траекторию третьего ряда. Переменно-противоположное движение зерен сыпучего материала (например: песка, цемента, извести, шлака и т.д.) и, соответственно, его перемешивание продолжается до тех пор, пока зерно не будет выброшено из дезинтегратора. Такая модель перемешивания позволяет получать многокомпонентные смеси высокой однородности в непрерывном, поточном режиме. В дезинтеграторе возможно осуществление диспергации, активации, помола, и гомогенизации, в том числе с использованием жидких компонентов.
Еще одной особенностью дезинтеграторного метода помола- смешивания, заключается в высокой селективности разрушения твердых материалов в местах структурных дефектов, а также преимущественно осколочная форма частиц. Принимая во внимание, что большинство сырьевых компонентов, используемых в производстве сухих строительных смесей, имеют поликристаллическое строение, ударное разрушение агломерата в зонах контакта отдельных зерен, несомненно, является наиболее рациональным в плане энергетических затрат.
В результате ударного воздействия при достаточно высокой размольной мощности дезинтегратора, происходят серьезные изменения гранулометрического состава смешиваемых компонентов. Многокомпонентные продукты, полученные в результате дезинтеграторной обработки, характеризуются узким зерновым составом, что позволяет получать высококачественный наполнитель без использования оборудования для классификации и сепарирования. К несомненным преимуществам помола и смешивания с использованием дезинтегратора можно отнести небольшой процент переизмельченного (некондиционного) материала, отсутствие хлопьев, сростков, комков и других новообразований, обычно возникающих при увеличении тонины помола, а также эффект самоочищения рабочих органов от налипания материалов склонных к адгезии.
Для демонстрации возможностей смесительных агрегатов- дезинтеграторов, можно привести следующий пример:
Одной из наиболее сложных технологических операций, является нанесение жидких веществ на поверхность частиц высокодисперсного порошка. Задача усложняется тем, что зачастую жидкие химические добавки должны вводиться в малых количествах, при этом от того насколько равномерно они будут распределены в основном объеме, зависит эффективность их применения.
В России, а также за рубежом в ряде стран производятся различные сорта мела с активированной поверхностью: калит, кальцин, кальван, вали (американские активированные мела), японский мел (хакуенка).
Калит - высокодисперсный углекислый кальций, обработанный стеариновой кислотой. Выпускается калит-1, содержащий 1,0% стеариновой кислоты, калит-3 с 3,0% стеариновой кислоты. Калит-1 и -3 - порошок белого цвета, хорошо диспергируется и не смачивается водой.
Кальван - представляет собой ультратонкий осажденный углекислый кальций с активированной поверхностью. Он не смачивается водой и активирует вулканизацию каучуков.
Кальцен - активированный осажденный продукт, содержащий 97-98% углекислого кальция и 2% активирующего вещества. Поверхность частиц покрыта каучукорастворимыми органическими соединениями, которые улучшают диспергирование кальцена в каучуке.
Вали-1 - осажденный мел, обработанный стеариновой кислотой. Не смачивается водой.
Основной технологической задачей при получении активированного мела является максимально равномерное нанесение гидрофобизирующей добавки на отдельные частицы материала. При этом слипание мельчайших частиц, образование агломератов значительно ухудшает качество получаемого продукта, резко снижает эффективность работ по его активации.
По результатам исследований и производственной практики, было установлено, что гидрофобизация мела протекает наиболее эффективно при подаче распыленной стеариновой кислоты в измельчительный агрегат ударного действия, например дезинтегратор, молотковой мельницы и т.д. Данное оборудование позволяет проводить поверхностное нанесение, измельчение и смешивание минеральных наполнителей без образования агломератов в непрерывном режиме.
В дезинтеграторе высокая степень смешивания компонентов достигается благодаря прямому инжектированию стеариновой кислоты в помольную камеру агрегата и ударному воздействию рабочих органов. Благодаря высокой скорости вращения роторов и режиму смешивания, когда значение Fr > 100, обеспечиваются отличные результаты смешивания, гидрофобизации и помола минерального наполнителя.
Практика использования дезинтеграторов в качестве смешивающих агрегатов, позволяет утверждать, что с пропуском через дезинтегратор песка, извести, цемента и других материалов, получается высокий эффект гомогенизации, даже в тех случаях, когда дезинтегратор работает с размольной мощностью не более 25-50 см2/грамм продукта. Соответственно, при снижении интенсивности нагрузки на смешиваемые материалы, также существенно уменьшается износ рабочих органов дезинтегратора и появляется возможность повысить уровень технического использования данного оборудования в производстве сухих смесей.
В зависимости от характера решаемых задач, размольная мощность дезинтегратора, как и эффективность перемешивания, может изменяться в широких пределах. Основными критериями при выборе помольно - смешивающего дезинтегратора являются требования к дисперсионному составу смеси, гомогенности получаемого продукта, энергозатратам, на осуществление данных технологических операций, и, наконец, коэффициенту технического использования оборудования на производстве.
В целом, общая закономерность при использовании дезинтеграторов следующая: Чем больше размольная мощность агрегата, тем выше энерго- и эксплуатационные затраты, но и тем более однородной будет полученная смесь. В производстве многокомпонентных сухих смесей могут использоваться дезинтеграторы относительно низкой размольной мощности, однако обеспечивающие получение продукта высокого уровня совмещения компонентов при минимальных затратах на его получение.
Классификация дезинтеграторов по их размольной мощности позволяет подобрать оборудование, наиболее полно отвечающее требованиям производства сухих смесей.
Условно можно выделить три основные группы дезинтеграторов, классифицированных по эффекту измельчения-смешивания:
1. Смесительные дезинтеграторы — имеющие минимальный размольный эффект, но совместная обработка в них компонентов обеспечивает высокую гомогенность смеси; при коэффициенте размалываемости материала, равном 1 (песок кварцевый), прирост удельной поверхности <50 см2/грамм продукта. Такие дезинтеграторы используются для гомогеизации смесей для силикатного кирпича, цемента, песка, стекла и т.п. Смесительные дезинтеграторы характеризуются высокой производительностью и большим ресурсом помольных органов.
2. Помольные дезинтеграторы — обеспечивают при коэффициенте размалываемости материала 1 (песок кварцевый) прирост удельной поверхности от 200 до 1000 см2/грамм продукта, требуемую технологическую активизацию компонентов смеси и высокую однородность получаемого продукта.
3. Дезинтеграторы тонкого помола — обеспечивают при коэффициенте размалываемости материала 1 (песок кварцевый) прирост удельной поверхности > 1000 см2/грамм продукта, имеют более высокий эффект активации и гомогенизации, чем смесительные и помольные дезинтеграторы, но в тоже время, сроки межремонтной эксплуатации данного оборудования относительно невелики.
Исходя из общего положения, основанного на том, что качество смешивания в энергонагруженных агрегатах-дезинтеграторах, даже при снижении размольной мощности последних, гораздо выше, нежели при использовании смесительного оборудования циклического действия «классических» схем перемешивания, применение в производстве строительных смесей дезинтеграторов малой мощности представляется весьма перспективным.
Сегодня, когда вопросы снижения энергоресурсозависимости основных направлений индустриальной деятельности представляются особенно актуальными, методы и способы основных технологических процессов производства материалов строительного назначения требуют кардинального пересмотра в плане их оптимизации и рационализации.
Несмотря на богатейший опыт разработки и внедрения в массовое производство новейших методов и технологий, оригинальных машин и агрегатов, сегодня в производстве некоторых видов строительных материалов наблюдается явный застой. Технологии, позволившие нашей стране в 50-60 годах прошлого века вырваться далеко вперед и надолго опередить капиталистические государства, сегодня, в значительной степени исчерпали свой ресурс и требуют дальнейшего развития с учетом современных знаний и практик.
Выбор схем производства многокомпонентных высокодисперсных материалов, должен учитывать производственный опыт, существующий уровень развития техники и экономические предпосылки. Только такой подход позволяет при высоком уровне инновационной восприимчивости, как отдельных руководителей предприятий, так и технического персонала сохранить гибкость по отношению не только к существующим, но и к потенциальным требованиям рынка. Убедительные результаты позитивных изменений физико-механических свойств различных материалов при их совместной обработке в высокоэнергонапряженных агрегатах, еще раз доказывают важность дальнейшего изучения вопросов механохимической активации твердых тел, диссипационного аккумулирования подведенной энергии, твердофазного синтеза материалов различного происхождения, с целью скорейшего использования данных эффектов в производственной практике.
Липилин А.Б.
Коренюгина Н.В.
Векслер М.В.
Список литературы:
