Исследование процесса дробления строительных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

Тверской государственный технический университет

Кафедра ПСК

Курсовая работа

по дисциплине «Процессы и аппараты»

на тему: «Исследование процесса дробления строительных материалов»

Выполнил: студент 3 курса

группы СТ-12.06 (ПСК)

Некрасова И.Ю.

Проверил: Трофимов В.И.

Тверь 2014 г.



Введение

Измельчение природного и искусственного сырья и разделение его по крупности на фракции является одним из основных процессов технологии строительных материалов. Он имеет важнейшее значение для обеспечения высокого качества изделий в связи с решающим влиянием зернового состава масс на их способность к уплотнению (или, наоборот, разуплотнению, например, в технологии получения пористых материалов) при формовании, протекании физико-химических процессов твердения и спекания. Кроме того, измельчение оказывает влияние на некоторые важные свойства готового продукта, например, термоустойчивость керамики.

Задача измельчения- доведение минерального сырья до крупности, необходимой для последующего обогащения, или получение продукта заданной крупности для непосредственного использования (производство стройматериалов).

Технологическое назначение операции измельчения заключается в том, чтобы раскрыть минералы при максимально возможной крупности, при минимальном переизмельчении, т.е. осуществить принцип «не дробить ничего лишнего».

Экономическое значение этой операции определяется тем, что на измельчение падает 50-70% общих капитальных затрат и такая же доля общих эксплуатационных расходов. При измельчении расходуется много энергии и стали. Удельный расход энергии по фабрикам колеблется в пределах

7-20 кВтЧч/т руды, расход стали - от 1 до 3 кг/т руды. Подсчитано, что в настоящее время одна двадцатая часть электроэнергии, производимой в мире, расходуется на измельчение твёрдых материалов.

Данный процесс является наиболее энергоемким и дорогостоящим, так как капитальные и эксплуатационные затраты на них могут достигать 60-70% всех затрат на обогащение. Поэтому рациональное размещение (компоновка) оборудования в корпусах измельчения, использование традиционных и нетрадиционных его способов, применение совершенного измельчительного оборудования имеет важное значение в условиях рыночной экономики.

Целью данной работы - изучить процесс дробления строительных материалов.

Основными задачами данной работы являются:

провести литературно-патентный анализ на основе различных источников литературы;

изучить процесс дробления строительных материалов с применением основных законов измельчения и рассмотреть дробилку как аппарат для дробления;

провести эксперимент и проанализировать результаты.



Теоретические основы измельчения

Теоретическая прочность

Инженерная практика показала, что разрушение любых материалов зависит от различных локальных повреждений или дефектов, имеющихся в образце или конструкции. Однако оставался открытым вопрос, насколько существенно снижается прочность из-за наличия в материале тех или иных дефектов [1].

На свойства строительных материалов, в том числе и на прочность, решающее влияние оказывает их строение. Под строением подразумевается взаимное сочетание и распределение кристаллической, стекловидной (аморфной) и газовой (т.е. пор) фаз, их физико-химическая природа и количественное соотношение. Особенности строения любого строительного материала оценивают его микро- и макроструктурой. Микроструктура устанавливает природу кристаллических фаз, характер их строения и сочетания со стекловидной фазой и порами. Макроструктура определяет объём пор, их размеры, строение, форму, взаимное расположение в материале.

В большинстве случаев свойства неорганических материалов обусловливаются особенностью фазового состава и характером строения фаз. Под фазовым составом подразумевают природу и характер строения кристаллических фаз и их сочетание в количественном соотношении со стекловидной фазой. Для материалов органического происхождения фактором, определяющим основные свойства, является наличие аморфной фазы и характер её связей с кристаллическими и стекловидными фазами (наполнителями). Для плотных материалов свойства определяются в основном микроструктурой, а для пористых - макроструктурой [1].

Прочность реальных материалов следует сравнивать с твёрдыми телами, имеющими идеальную структуру, прочность которых может быть найдена расчётом (теоретическая прочность) [1].

Теоретическая прочность - это критическое напряжение, которое надо приложить квазистатически (медленно) к бездефектному материалу или телу при низких температурах, чтобы получить необратимые структурные изменения [1].

Теоретическая прочность кристаллических твёрдых тел и их твёрдость зависят от величины сил взаимодействия между ионами, атомами или молекулами, образующими решётку кристалла данного тела [2].

Твёрдые тела, как правило, имеют кристаллическое строение, в котором элементы - атомы, ионы, молекулы - расположены в узлах кристаллической решётки, образующей пространственную структуру правильной повторяющейся геометрической формы. Твёрдые тела не кристаллического строения (стёкла, пластмассы и т.п.) имеют лишь ближний порядок [2].

При нормальных условиях все твёрдые металлы, а также большинство природных минералов относятся к категории кристаллических материалов. Некоторые из горных пород являются полностью или частично аморфными (некристаллическими) (3). В зависимости от природы сил, удерживающих атомы, ионы и молекулы около центров равновесия, обычно рассматривают четыре типа кристаллических структур: атомные, ионные, молекулярные и металлические(1).

Рис. 1. Основные типы структур.

В узлах ионных кристаллов размещаются противоположно заряженные ионы, каждый из которых находится в совершенно одинаковом отношении ко всем окружающим его ионам противоположного знака. Они взаимодействуют между собой по закону Кулона. Притяжению разноимённо заряженных частиц препятствуют силы отталкивания между одноимённо заряженными электронными оболочками. Последние проявляются на малых расстояниях и очень быстро увеличиваются с уменьшением этого расстояния.

На рис. 2 приведён график энергии связи для ионных кристаллов. Кривая 3 результирующей энергии связи имеет характерный вид с минимумом (потенциальная яма) при r = r0. Именно этот минимум и объясняет удержание элементов твёрдого тела около центров равновесия на расстоянии r0 между ионами в молекуле. При r = r0сила притяжения равна силе отталкивания, а результирующая сила взаимодействия частиц равна нулю.

Рис. 2. Схема энергии связи притяжения и отталкивания:

1 - энергия отталкивания; 2 - энергия притяжения;

3 - результирующая энергия; r0- равновесное расстояние.

Ионная (электростатическая) связь характерна для кристаллических решёток солей типа NaCl, KCl, NaBr и др [1].

При атомной (ковалентной) связи электроны принадлежат одновременно двум ядрам молекул. Если силы обобществлённых электронов направлены в противоположные стороны (антипараллельны), то возникают силы притяжения и энергия связи по Лондону может быть подсчитана по уравнению

ЕS = 2Е0 + (K + W) / (1+ S2), (1.1.1)

измельчение строительный дробление аппарат

где 2Е0- суммарная энергия двух изолированных атомов; K - электростатическая (кулоновская) энергия связи; S - интеграл ортогональности, изменяющийся от 0 до 1. Атомная (валентная, обменная) связь характерна для силикатных материалов и большинства горных пород. Характер графика энергии связи аналогичен представленному на рис. 2, однако при большей величине потенциальной ямы [1].

Металлическая структура характеризуется относительно малой связью внешних валентных электронов в атомах металлов с ядром. В жидком и твёрдом состоянии вещества атомы располагаются настолько близко друг от друга, что валентные электроны приобретают способность покидать свои атомы и свободно перемещаться внутри решётки. Связь в решётке металла возникает в результате взаимодействия положительных ионов с электронным газом. Электроны, находясь между ионами, стараются стянуть их, стремясь уравновесить силы отталкивания, действующими между положительно заряженными ионами. С уменьшением расстояния между ионами увеличивается плотность электронного газа и, как следствие, возрастает сила притяжения. С другой стороны, с уменьшением расстояния между положительно заряженными ионами увеличиваются силы отталкивания, которые стремятся удалить друг от друга. Решётка становится устойчивой на таком расстоянии между ионами, когда силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Металлическая связь имеет сходство с валентной. В основе этих связей лежит обобществление внешних валентных электронов, но при валентной связи участвуют пары электронов от пары ближайших соседних атомов, а в металлической связи участвуют все атомы кристалла, в то время как свободные электроны перемещаются не у своих атомов, а внутри всей решётки [1].

Наиболее общим видом связи, возникающей между любыми атомами и молекулами, являются силы Ван-дер-Ваальса. Они возникают между электрически нейтральными системами и системами, не обладающими электрическим моментом. Различают три вида ван-дер-ваальсового взаимодействия между молекулами: ориентационное - в случае дипольной молекулы; индукционное - при возникновении наведённых электрических моментов; дисперсионное - возникающее между нейтральными молекулами при синхронном движении электронов и антипараллельной направленности спинов. Разновидностью ориентационного ван-дер-ваальсового взаимодействия является водородная связь, имеющая энергию связи больше, чем другие виды связи [1].

Характер взаимодействия между молекулами при связях Ван-дер-Ваальса, в том числе и при водородных, соответствует рис. 2, хотя величина потенциальной ямы значительно меньше. Таким образом, характер кривых, представленных на этом графике, отражает характер взаимодействия между частицами твёрдого тела при всех видах связи [1].

Рассматривая взаимодействие структурных элементов (ионов, атомов, молекул), расположенных внутри тела и на его поверхности, следует отметить, что они взаимодействуют между собой. Структурные элементы, находящиеся на поверхности, взаимодействуют только с некоторой частью соседних элементов, и часть их энергии остаётся некомпенсированной. Следовательно, эти частицы, находящиеся на поверхности, по сравнению с теми, что находятся в объёме, обладают избыточной энергией. Избыточную (свободную) энергию, отнесённую к единице поверхности, называют поверхностной энергией. На основе полученных расчётных значений поверхностной энергии ряда веществ можно сделать вывод, что для жидкостей она характеризует межмолекулярное взаимодействие, а для твёрдых тел - прочность кристаллической решётки [2].

Таблица 1. Поверхностная энергия и прочность некоторых материалов

Материал	Поверхностная энергия, Дж/м2	Модуль упругости, Па	Прочность при растяжении, Па
			реальная	теоретическая
Сталь	1,0	2 • 1011	5-3 • 108	30 • 109
Алмаз	5,4	12 • 1011	-	21 • 109
Кремнеземистое стекло	0,56	0,73 • 1011	15-20 • 106	1 • 1010
Оксид алюминия	1,0	4,6 • 1011	-	47 • 109
Каменная соль	0,115	0,44 • 1011	1 • 107	4,35 • 109

Первую попытку связать механические свойства материалов с их кристаллическим строением сделал Гриффитс. Сила сцепления (взаимодействия двух атомов) определяется суммой сил притяжения и отталкивания. При малых расстояниях наклон кривой сил отталкивания больше, чем для кривой притяжения. Потому наклон кривой суммарного взаимодействия положителен и его значение становится равным нулю при достижении межатомного расстояния, равного r0, соответствующего условию равновесия двух атомов. Для увеличения расстояния между атомами необходимо приложить растягивающее напряжение. Считая силу взаимодействия равной этому напряжению, его можно выразить в виде гармоничной функции расстояния

у = уmaxsin(2р/л), (1.1.2)

где уmax - теоретическая прочность; л/2 - половина длины волны, аппроксимирующей синусоиды [2].

Напряжению у и перемещению соответствует работаА на единицу площади, которая при разрушении равна площади под отрезком кривой суммарного воздействия в пределах от = 0 до= л/2

А = = л уmax/р (1.1.3).

Если энергия на единицу площади, расходуемая при образовании новой поверхности U, связана только с работой разрушения, то

луmax/р = 2U(1.1.4).

При малых перемещениях в пределах линейной упругости справедливы уравнения (1.1.2), с одной стороны, и закон Гука, с другой, т.е.

у = Е (1.1.5)

Исключая , получим уmax = лЕ / 2р, что в комбинации с уравнением (1.1.4) даёт уравнение для определения теоретической расчётной прочности

уmax= , (1.1.6)

гдеЕ - модуль упругости (2).

Учёный Орован также занимался вопросом теоретической прочности и предложил подсчитывать её по следующей формуле

ут = , (1.1.7)

где Е - модуль упругости Юнга; - свободная поверхностная энергия твёрдого тела; - равновесное расстояние между атомами [1].

Если подставить значение удельной поверхностной энергии натяжения для стали U = 1,0 Н/м, Е = 2 • 1011Па и межатомное расстояние r= 2 • 10-10 м, то получим теоретическую прочность уmax= 3 • 1010 Па. В то же время известно, что прочность стали у = 5 • 108 - 5 • 109 Па. Аналогичное несоответствие наблюдается и для других материалов [2].

По внутренней структуре и внешнему строению кристаллы различных соединений характеризуются значительным разнообразием, что, безусловно, отражается на их свойствах. Большое влияние на свойства твёрдых фаз оказывают структурные несовершенства в кристаллах.Их наличие и объясняет описанное выше несоответствие прочности стали [3].

В реальных материалах всегда содержатся различного рода дефекты, связанные с дефектами кристаллической решетки и микротрещинами Гриффитса [1].

Дефекты в кристаллах подразделяются на:

точечные;

одномерные;

двумерные;

трёхмерные [3].

Точечные (нульмерные) дефекты бывают энергетическими, электронными и атомными. Энергетические дефекты (фононы) - временные искажения регулярности решётки кристалла, вызванные тепловым движением или воздействием различных радиаций (светового, рентгеновского и других излучений). К электронным дефектам относятся избыточные электроны или их недостаток (незаполненные валентные связи в кристалле - дырки) и парные дефекты (экситоны), состоящие из электрона и дырки, связанные между собой кулоновскими силами. Атомные дефекты проявляются в виде вакансий или вакантных узлов (дефекты Шоттки) (рис. 3, а), в виде смещения атома из узла в междоузлие (дефекты Френкеля) (рис. 3, б), в виде внедрения в решётку чужеродного атома или иона (рис. 3, в) [1].

Рис. 3. Атомные дефекты кристаллической решётки

К одномерным (линейным) дефектам относятся дислокации. Дислокация представляет собой одномерный дефект, выявляющийся лучше всего при рассмотрении среза кристалла в электронный микроскоп после сдвига [1].

Рис. 4. Дислокация, образовавшаяся в результате сдвига

Простейшими случаями дислокаций являются краевая и винтовая. На рис. 5, а, изображено строение идеального кристалла в виде семейства параллельных друг другу атомных плоскостей. Если одна из них обрывается внутри кристалла, то место её обрыва образует краевую дислокацию. Искажение решётки, максимальное вблизи дислокации, быстро рассасывается по мере удаления от неё (рис. 5, б). В случае с винтовой дислокации нет отрыва внутри кристалла какой-нибудь из атомных плоскостей, но сами атомные плоскости представляют собой систему, подобную винтовой лестнице. По существу, это одна атомная плоскость, закрученная по винтовой линии. Винтовая дислокация может быть представлена в виде дезориентации блоков (рис. 5, в). Участок, примыкающий к оси дислокации, представлен в виде двух блоков, один из которых как бы соскользнул на один период по отношению к соседнему блоку. Как и в случае краевой дислокацией, наибольшие искажения решётки находятся вблизи оси дислокации. Область наибольших искажений решётки называется ядром дислокации. Любая конкретная дислокация может быть представлена как сочетание краевой и винтовой дислокаций [1].

Рис. 5. Схемы дислокаций:

а - кристалл идеальной структуры; б - то же, с краевой дислокацией; в - то же, с винтовой дислокацией; ? - ядро дислокации.

Двумерные (плоскостные или поверхностные) дефекты присущи поликристаллам. Поликристаллы - твёрдые тела, состоящие из множества различно ориентированных зёрен, отделённых друг от друга границами, рядами линейных дислокаций [3]. Сама поверхность кристалла может рассматриваться как двумерный дефект [1]. Границей, в данном случае, называется поверхность раздела, по обе стороны от которой кристаллические решётки различаются пространственной ориентацией. Вблизи границ нарушается правильность расположения атомов, скапливаются дислокации, имеет место повышенная концентрация примесей [3].

К поверхностным дефектам относят также симметричные переориентации областей кристаллической решётки, то есть эффекты двойникования [3].

Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зёрен. В частности, пределы прочности и текучести зависят от размера зёрен [3].

В качестве трёхмерных (объёмных) дефектов выступают поры и трещины, которые ухудшают прочностные свойства кристаллических тел, служат стоками для линейных и точечных дефектов, местами зарождения микротрещин в материале [3].

Точечные дефекты типа вакансий имеются в каждом кристалле, они постоянно зарождаются и исчезают под действием тепловых флуктуаций [1].

Дислокации, являясь протяженными дефектами кристалла, охватывают гораздо больше узлов, чем атомные дефекты. Энергия дислокации оценивается величиной порядка 4 • 10-19 Дж на 1 м длины дислокации. Такая большая энергия, необходимая для создания дислокаций, делает их практически атермичными, т. е. не зависящими от температуры. В отличие от вакансий возможность появления дислокаций от тепловых флуктуаций исчезающее мала для всего интервала температур кристаллического состояния вещества [1].

Предположим, что дислокация при своём перемещении встречает какие-либо препятствие (чужеродный атом, пересечение другой дислокации и т.п.). При приближении к препятствию дислокация постепенно искривляется и образует петлю, огибающую его. За препятствием петля замыкается и дислокация становится прямолинейной. Огибание дислокацией препятствия связано с увеличением её длины и резким искажением решётки, требующим затраты дополнительной работы. Сущность упрочнения кристалла при возникновении дефектов и состоит в том, что на участке преодоления дефекта дислокация испытывает значительно большее сопротивление перемещению, чем в искажённых областях решётки. Особенно сильное тормозящее действие оказывают границы блоков, зёрен и обособленные включения, содержащиеся в решётке [1].

Явления упрочнения при холодном деформировании (наклёп), при введении примесных атомов (легирование), искусственное формирование в сплавах обособленных включений (закалка) находят широкое практическое применение [1].

Из всего сказанного следует, что дефекты решётки оказывают на сопротивление кристалла деформации двоякое влияние: способствуя образованию дислокаций, они ослабляют кристалл, а препятствуя свободному перемещению дислокаций, упрочняют его [1].

Таким образом, дефекты кристаллической структуры во многом определяют поведение материала под нагрузкой [3].

Работа измельчения

Определение зависимости между затратами энергии (работы) на единицу получаемой продукции является одной из наиболее важных задач при выборе рационального способа измельчения [2].

Сложность явлений, наблюдающихся при измельчении, практически исключает возможность создания единого универсального закона измельчения, хотя проводилось достаточно большое количество исследований [1].

Существует несколько теорий, в той или иной степени объясняющих затраты энергии на измельчение [1].

Первую попытку решить этот вопрос сделал Риттингер, предположив, что «работа, затраченная при измельчении, пропорциональна вновь полученной поверхности». Если принять, что на образование единицы новой поверхности при измельчении определённого материала затрачивается постоянная работа Ау, которая может быть названа удельной, тогда полная работа измельчения равна

= АуF = Ay6 (1.2.1).

Удельную работу измельчения Ау можно определить опытным путём, поскольку она зависит от природы материала, наличия в нём дефектов, трещин, а также степени и способа измельчения. Ряд авторов удельную работу измельчения обозначают как коэффициент пропорциональности , имеющий тот же смысл. Тогда полная работа измельчения



F (1.2.2),

где - коэффициент пропорциональности, равный работе, затрачиваемой на образование единицы новой поверхности; F - вновь образованная поверхность [2].

Если измельчение материала производится резанием, распиливанием (например, измельчение древесины, получение стружки и др.), то эта зависимость, не учитывающая объём измельчаемого материала, практически справедлива. При измельчении раскалыванием, ударом, раздавливанием, и их сочетанием эта зависимость не учитывает работу, затрачиваемую на деформацию тела до начала разрушения [2].

Рис. 6. Деление куба.

Как следует из данных рис. 6., прирост поверхности на единицу затрат энергии одинаков в значительном интервале дисперсности для кварцевого песка, клинкера и угля. При более тонком измельчении эта закономерность нарушается. Величина прироста поверхности на единицу затраченной на измельчение работы служит комплексным показателем, характеризующим измельчаемость материала [2].

По гипотезе «объёмов» (Кирпичёва-Кика), при дроблении куски твёрдого материала сначала подвергаются объёмной деформации, а затем разрушаются по ослабленным местам (дефектам, трещинам) с образованием более мелких зёрен. При этом энергия, необходимая для одинакового изменения формы геометрически подобных тел, пропорциональна объёмам или массам этих тел [2].

Работа упругого деформированиятел одинакового состава с объёмами , и массой , будет

= = ; = = ;= = (1.2.3),

где - плотность материала [2].

Из этого следует, что работа упругого деформирования разрушаемого куска пропорциональна изменению его объёма

= (1.2.4),

- коэффициент пропорциональности, - изменение объёма разрушаемого куска (деформированный объём) [2].

Последующие исследования не подтвердили ни одну из рассмотренных гипотез. При крупном и среднем измельчении более достоверные данные получены при использовании зависимостей Кирпичёва-Кика, при тонком и сверхтонком - Риттингера [2].

В действительности работа, затрачиваемая на дробление, расходуется как на объёмную деформацию разрушаемых кусков, так и на образование новых поверхностей. Учитывая это, П.А. Ребиндер обобщил ранее изложенные гипотезы: «полная работа измельчения равна сумме работы деформаций в деформированном объёме разрушаемого куска и работы образования новых поверхностей», т.е.



А = + = + F (1.2.5).

При крупном и среднем дроблении, когда работа, затрачиваемая на образование новых поверхностей, незначительна и ею можно пренебречь (F > 0), приведённое уравнение А = выражает гипотезу Кирпичёва-Кика. Учитывая, что изменение объёма куска пропорционально его первоначальному объёму или его характерному размеру в третьей степени

А = = (1.2.6).

При тонком и сверхтонком измельчении, когда вновь образованная поверхность относительно велика, можно пренебречь работой деформирования объёма, а учитывая, что изменение поверхности тела пропорционально его начальной поверхности , или квадрату характерного размера , получим

А = (1.2.7).

Это уравнение отвечает гипотезе Риттингера.

Для среднего дробления, когда проявляется влияние как объёма, так и поверхности, Бонд предложил учитывать оба фактора, определяя среднегеометрическую величину произведения объёма V и поверхности F куска. Если = и = , то работа измельчения

А = = (1.2.8).

Рундквист эту зависимость представил в более обобщённом виде



А = (1.2.9),

где - меняется от 2 до 3, а - от до [2].

Приведённые уравнения не позволяют вычислить работу измельчения, поскольку неизвестны значения коэффициентов , . Эти уравнения используются для сравнительной оценки при условии проведения (экспериментального) измельчения данного материала на аналогичной дробилке (мельнице) и их последующего сравнения [2].

Со стороны современных учёных-механиков имеются достаточно глубоко обоснованные подходы к энергетическим оценкам материалов. Но тем не менее, ни одна из известных теорий не отражает в полной мере всех явлений, происходящих при измельчении, поэтому ни одна из них не нашла практического применения при создании методов расчёта измельчителей. Проектирование такогооборудования основывается, как правило, на опытных данных. Но даже в этой ситуации знание механизмов разрушения материалов уже даёт основу для целенаправленного проектирования и оптимального использования в строительных технологиях созданного парка машин [3].

Способы разрушения

Для различных видов материалов в зависимости от их состояния и структуры выбирается соответствующий способ измельчения [3]:

Раздавливание (рис. 7, а) - тело под действием нагрузки деформируется по всему объему и, когда внутреннее напряжение в нем превысит предел прочности сжатию, разрушается. В результате такого разрушения получают частицы различного размера и формы.

Раскалывание (рис. 7, б) - тело разрушается на части в местах концентрации наибольших нагрузок, передаваемых клинообразными рабочими элементами измельчителя. Образующиеся при этом частицы более однородны по размерам и форме, хотя форма, как и при раздавливании, непостоянна. Способ раскалывания по сравнению с раздавливанием позволяет регулировать крупность получаемых частиц.

Разламывание (рис. 7, в) - тело разрушается под действием изгибающих сил. Размеры и форма частиц, получающихся при разламывании, примерно такие же, как и при раскалывании.

Резание (рис. 7, г) - тело делится на части заранее заданных размеров и формы. Процесс полностью управляемый.

При распиливании (рис. 7, д) результаты получаются такие же, как и при резании. Процесс полностью управляем, и частицы имеют заранее заданные размер и форму.

Истирание (рис. 7, е) - тело измельчается под действием сжимающих, растягивающих и срезающих сил. При этом получают мелкий порошкообразный продукт.

Удар (рис. 7, ж) - тело распадается на части под действием динамической нагрузки. При сосредоточенной нагрузке получается эффект, подобный тому, что происходит при раскалывании, а при распределении нагрузки по всему объему эффект разрушения аналогичен раздавливанию [3].

Из перечисленных способов пригодными для промышленного измельчения оказались раскалывание, разламывание, раздавливание, истирание и удар. Раскалывание применяют для получения кусковых материалов; разламывание обычно сопутствует другим способам при крупном, среднем и мелком измельчении, а разрезание и распиливание применяют в тех случаях, когда нужно получить куски материала определенного размера и заданной формы.

Истирание применяют для тонкого измельчения мягких и вязких материалов. При этом его всегда комбинируют с раздавливанием или ударом. Истирание улучшает процесс тонкого измельчения и перемешивания материалов, но при этом увеличиваются, расход энергии и износ рабочих элементов измельчителя. Продукты износа попадают в измельченный материал, а это нежелательно как с точки зрения ведения самого процесса, так и получения продуктов измельчения высокой чистоты [3].

Рис. 7. Способы измельчения:

а - раздавливание; б - раскалывание; в - разламывание; г - резание;

д - распиливание; е - истирание; ж - стесненный удар; з - свободный удар.

Виды измельчения

В производстве строительных материалов измельчение разделяют на дробление и помол. В зависимости от размеров продуктов измельчения различают следующие его виды.

Таблица 2 - Возможные степени измельчения при дроблении

Вид грубого измельчения	Размер кусков, мм
	До измельчения	После измельчения
Крупное	1500 - 300	300 - 1000
Среднее	300 - 100	50 - 10
Мелкое	50 - 10	10 - 3

Таблица 3 - Возможные степени измельчения при помоле

Вид тонкого измельчения	Размер кусков или частиц материала до измельчения , мм	Размер частиц материала после измельчения , мкм
грубый	5 - 1	100 - 40
средний	1 - 0,04	15 - 5
тонкий	0,1 - 0,04	5 - 1
сверхтонкий (коллоидный)	? 0,1	? 1,0

Как уже отмечалось, дробление и в особенности помол является энергоёмким процессом. Поэтому стремятся снизить объём перерабатываемого материала и не измельчать ту часть, которая мельче требуемой. Если в материале, подлежащем измельчению, есть часть материала, не требующая помола, её целесообразней предварительно отделить. Разделение осуществляется на специальных машинах, грохотах, сепараторах. Существует способ дробления высокопрочных горных пород, включающий в себя две или более стадии дробления, рассев на грохотах продуктов дробления и возврат на додрабливание сверхмерного материала в замкнутом цикле с грохотом (5). Результатом является получение зерен щебня изометрической формы, близкой к кубовидной (6,7).

Дробилка как аппарат для дробления

Материалы (горные породы, полуфабрикаты), применяемые для производства строительных материалов, подразделяются на высокопрочные, если предел прочности при их сжатии усж ? 50 МПа; средней прочности, если 10 ? усж? 50МПа и малой прочности при усж? 10 МПа.

При выборе типа дробильного оборудования следует исходить из таких факторов, как твёрдость и размеры исходного материала, а также производительность оборудования и необходимую степень измельчения. Есть и другие нюансы. Например, при измельчении породы у одного типа дробилок содержание пластинчатых зёрен в конечном продукте может отличаться от другого. Чем меньше количество таких зёрен, тем более прочен щебень [5].

Для дробления прочных материалов более эффективными являются машины раскалывающего и раздавливающего действия, для материалов средней прочности - раздавливающего и ударного действия, для материалов малой прочности - ударного, раздавливающего и истирающего действия.

Для дробления горных пород в строительной сфере применяются следующие типы дробилок [4]:

Щёковая

Конусная

Валковая

Молотковая (ударного действия)

Они различаются между собой по такому критерию, как способ воздействия на породу [5].

Щёковые дробилки

Щёковая дробилка предназначена для измельчения материалов различной прочности. Суть работы такой установки проста - порода располагается между двумя рабочими поверхностями, именуемыми щеками, при помощи которых и осуществляется измельчение. Подобный тип оборудования плодотворно используется на стартовой стадии дробления. В число первостепенных характеристик щёковых дробилок входят размер загрузочного отверстия и ширина выходной щели. Щёковые дробилки применяются для крупного и среднего дробления. Использовать щековые дробилки можно в комплексе с дробилками другого типа, в первую очередь конусными - фракция получиться более мелкой по размеру [5].

Рис. 8. Щёковая дробилка

Конусные дробилки

В конусной дробилке материал измельчается раздавливанием при сближении поверхностей внутреннего подвижного и неподвижного наружного конусов. Применяются для крупного, среднего и мелкого дробления. Дробилки с пологим или грибовидным конусами (короткоконусные) применяют для мелкого и среднего дробления, с крутым конусом - для крупного. Конусные дробилки служат для измельчения каменных материалов средней и большой твердости и предназначены для крупного и мелкого дробления. Процесс дробления в них в отличие от щековых дробилок происходит непрерывно. В конусных дробилках в отличие от щёковых процесс разрушения материла и его удалении происходит непрерывно и относительно равномерно. Особенно эффективны крупноразмерные дробилки. В нижний конус подаётся материал, а второй, постоянно вращаясь, измельчает его до необходимой фракции. Дробильное оборудование данного типа в основном используется для вторичного и третичного дробления [5].

Рис. 9. Конусная дробилка

Валковые дробилки

В валковой дробилке материал измельчается при раздавливании и частичном истирании между валками, вращаюшимися навстречу друг другу.

Применяют для среднего и мелкого дробления или вторичного дробления каменных материалов, а также для предварительного измельчения глин и других материалов. Валковые дробилки служат для измельчения мягких пород, а также для вторичного дробления каменных материалов средней и большой твердости [5].



Рис. 10. Валковая дробилка

Молотковые дробилки (ударного действия)

Для получения щебня кубовидной формы с невысоким показателем лещадности (характеристики формы зёрен) наилучшим образом подходит дробильное оборудование ударного типа. Ударные дробилки, в соответствии со своим названием, осуществляют измельчение материалов за счёт ударов и сдавливания. В молотковых дробилках материал измельчается от ударного воздействия молотков или бил, закреплённых на роторе, находящегося в корпусе. Они служат для дробления известняков и хрупких каменных материалов с прочностью на сжатие до 150 МПа [5].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Молотковая дробилка

Экспериментальная часть

Цель работы: Исследовать эффективность дробления в зависимости от размера щеки зазора щёковой дробилки.

Объектом исследования является щебень.

Методика проведения опыта

Применяемые приборы и приспособления

щековая дробилка со сложным качением щеки;

мерный цилиндр объемом 1 л;

весы торговые с точностью взвешивания 2,5 г;

секундомер;

линейка;

набор сит с отверстиями 5-70 мм.

Методика работы

Устанавливаем зазор щеки. Взвешиваем мерный цилиндр (1 л) с материалом и без него, вычисляем насыпную плотность с = m/V. Затем измельчаем и измельчённый материал просеиваем через сито с определённым диаметром отверстий, вновь взвешиваем и вычисляем с. Далее меняем размер зазора щеки, измельчаем взвешенный материал и повторяем пройденные операции, доводя материал до крупности 5 мм.

Обработка исходных данных

Таблица 2. Экспериментальные и расчетные результаты испытаний

№	Расстояние между щеками , мм	Время дробления t, сек	Масса навески m, кг	Начальная насыпная плотность ,	Конечная насыпная плотность ,	Степень измельчения
1	6	25	1330	1,33	1,22	0,92
2	10	25	1220	1,22	1,18	0,97
3	15	25	1180	1,18	1,11	0,94
4	20	25	1110	1,11	1,07	1,04

Результаты работы

Анализ: из полученных результатов и графика видно, что насыпная плотность материала увеличивается с уменьшением зазора щеки. При большом размере щеки плотность изменяется медленно, а при уменьшении размера щеки плотность резко увеличивается.

Размер щеки 5-10 мм - плотность большая

Размер щеки 10-20 мм - плотность меньшая

Заключение

На основе литературно-патентного анализа можно сделать вывод, что дефекты кристаллической структуры во многом определяют поведение материала под нагрузкой, а также наиболее приемлемыми для промышленных дробилок оказались раскалывание, разламывание, раздавливание и удар. При выборе типа дробильного оборудования следует исходить из таких факторов, как твёрдость и размеры исходного материала, а также производительность оборудования и необходимую степень измельчения.

На основе всего можно сделать вывод, что поставленные задачи были решены, процесс дробления строительных материалов и рассмотрена дробилка как аппарат для дробления. Был проведён эксперимент и проанализированы результаты. Подводя итог, можно сказать, что насыпная плотность материала увеличивается с уменьшением зазора щеки



Список используемой литературы

1. Еремин, Н.Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов: Учеб. Для вузов по спец. «Пр-во строит. Изделий и конструкций». - М.: Высш. шк., 1986. - 280с.: ил.

2. Шмитько, Е.И. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов и изделий: Учеб.пособие для вузов по спец. «Пр-во строит. Изделий и конструкций». - М.: Высш. шк., 2010. - 736с.: ил.

3. Борщевский А.А., Ильин А.С., Механическое оборудование для проиводства строительных материалов и изделий: Учеб.для вузов по спец. «Пр-во строит. изделий и конструкций» - М.: Высш. шк., 1987. - 368 с.: ил.

4. Дробильно-сортировочное оборудование [Текст]: кто есть кто и что есть что / ЮГСПЕЦТЕХНИКА, Общероссийский иллюстрированный журнал о спецтехнике. - 2013. - №53

5. Пат. 2183994 Российская Федерация, B02C21/00. Способ дробления высокопрочных горных пород / Дубов В.А.; Солодков Н.В; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество "Волгоцемсервис" - № 2000111333/03; заявл. 06.05.2000 опубл. 27.06.2002.

6. Дубов, В.А. Кубовидный щебень - это реальность / В.А. Дубов // Строительные материалы - 2002. -№11

7. Вайсберг, Л.А., Шулояков, А.Д., Спиридонов, П.А. Сокращение стадиальности дробления - оптимальный путь снижения себестоимости производства высококачественного щебня / Л.А. Вайсберг, А.Д. Шулояков, П.А. Спиридонов // Строительные материалы - 2002. -№11

Размещено на Allbest.ru

...