2016

Итак, изложенный анализ показал, что при современном уровне развития техники формирование сырцовых гранул из порошков с удельной поверхностью порядка 3000F5000 см2/г возможно только по способу влажного гранулирования. Влажное гранулирование можно производить как методом окатывания, так и методом экструзии.

Всилу специфики способа при гранулировании окатыванием поры

впастах гранулы заполняются водой не более чем на 80F90 %. При гранулировании методом экструзии пористость пасты практически равна нулю. Отсюда следует важный вывод: при гранулировании окаF тыванием связь частиц осуществляется преимущественно жидкостныF ми мостиками; при гранулировании методом экструзии – капиллярF ным давлением. Прочность гранул, сформованных методом окатываF ния, зависит не только от среднего размера зерен порошка, но, не в меньшей степени, от плотности упаковки зерен, а это определяется выбором глины и ее количеством.

3.2.2. Формование сырцовых гранул окатыванием порошков

Окатывание объединяет группу процессов, которые характериF зуются перемещением гранулируемого порошка по поверхности аппаF рата. При гранулировании окатыванием совмещаются процессы формирования керамической пасты из порошков и формирования сырцовых гранул.

Агломерация порошков при окатывании была замечена давно и использовалась для практического осуществления процесса гранулиF рования. При окатывании из многих возможностей сцепления частиц осуществляются только те, которые обеспечивают относительно больF шую прочность. Следовательно, происходит выбор самых благоприятF ных возможностей сцепления, чему способствуют увеличение точек соприкосновения при возможно более плотной укладке частиц.

Непрерывное движение гранулируемого материала приводит как к образованию и росту гранул, так и к деструкции наименее прочных из них. При одновременном протекании этих противодействующих проF цессов должны образовываться и сохраняться прочные и примерно одинаковые гранулы.

При окатывании возможны все основные процессы гранулироF вания: сухое, граничное и влажное. ФизикоFхимическая сущность этих процессов на микроуровне рассмотрена выше. Рассмотрим кинетику и механизм гранулообразования на макроуровне, который действует при осуществлении любого процесса окатывания.

111

В производстве пористых заполнителей наибольшее распростраF нение получили тарельчатые (чашевые) грануляторы. Попытаемся описать характерные элементы процесса гранулирования окатыванием.

Типичная схема гранулирования окатыванием выглядит следуюF щим образом. Во вращающийся аппарат (барабанный, тарельчатый, конический), установленный горизонтально или с небольшим наклоF ном, поступает порошок, обычно орошаемый на входе связующей жидкостью. Смоченные частички агломерируются и, окатываясь, приобретают необходимые плотности и размеры. Но возможны отклоF нения от нормального роста гранул в результате соединения отдельных гранул друг с другом, а также деструкции их. Эти отклонения ухудF шают качество гранул.

При вращении чаши часть порошка захватывается ее стенкой и днищем и поднимается на некоторую высоту, а затем скатывается вниз. Высота подъема и количество захваченного порошка зависят от нескольких факторов: отношения величин внутреннего и внешнего трения, скорости вращения, степени заполнения агрегата. При подъеме гранулы движутся совместно с днищем, не перемещаясь друг относиF тельно друга до определенной точки, где начинается скатывание, в процессе которого гранулы увеличивают размеры, формуются и уплотF няются. Для гранулируемого материала процесс окатывания, осущеF ствляется ли он по периодической или непрерывной схеме, всегда является циклическим в смысле роста частиц.

Для успешного окомкования шихты необходимо наличие в увлажF ненном материале зародышей гранул. В пересыпающемся окатываемом материале зародыши подвергаются воздействию при ударе о неподвижный слой материала или о гарнисаж, имеющийся на стенке гранулятора. В дальнейшем зародыши в грануляторе в результате многократных ссыпания и ударов о неподвижный слой материала уплотняются. При этом более мелкие частицы в окатыше располаF гаются между более крупными, и избыточная влага выдавливается на поверхность окатыша, в результате чего становится возможным налипание на нее неокомкованных частичек. По мере сближения чаF стичек толщина пленки воды уменьшается, и прочность сцепления увеличивается. Для данного режима работы гранулятора существует минимальная толщина водных пленок внутри гранулы. Как только этот предел достигается, гранула перестает увеличиваться в размере, и прочность ее достигает максимальной величины.

Формирование гранулы начинается с переувлажненного комочкаF зародыша. Уплотнение гранулы происходит постепенно под действием большого количества ударов различного направления, в результате

112

чего взаимное перемещение частичек происходит только на тех участках, где сила сцепления минимальная.

По мере продвижения гранулируемого материала от места загрузки к разгрузочному концу рост гранул замедляется и практически прекращается при достижении определенного размера, равного разF меру гранул, выходящих из гранулятора. Конечная величина гранул заF висит от свойств гранулируемых порошков и количества связующего.

Траекторию движения окатышей в тарельчатом грануляторе можно представить как неправильную спираль, в которой витки удаляются от днища и длина витков постепенно уменьшается. Вершина этой суживающейся спирали находится у борта в четвертом или первом квадрате при вращении чаши соответственно по часовой стрелке или против нее. Вращающийся в агрегате материал ограничен поверхноF стями цилиндрического борта и плоского (ступенчатого или сферичеF ского) днища и по форме похож на цилиндрическую «подкову», секущая поверхность которой вогнута в сторону днища в соответствии с изменением коэффициента трения в материале от шихты до готовых гранул.

Ввосходящей ветви траектории материал прижат к борту и днищу

ипоэтому движется по окружности и поднимается с такой же угловой скоростью, с какой вращается гранулятор. Время пребывания материала в обеих ветвях должно быть одинаковым на основании условия неразрывности потока:

– угол наклона днища к горизонту, град;

– угол отрыва окатыша от борта, град;

v0 – линейная скорость вращения чаши, м/с;

R – радиус чаши, м;

f – коэффициент трения материала о поверхность гарнисажа днища.

После преобразования уравнение (3.27) имеет вид

где n – скорость вращения гранулятора, об/мин.

Из формулы, впервые полученной С.В. Базилевичем, следует, что гранулы разных размеров, обладающие различной величиной коэфF фициента трения, имеют разную величину угла отрыва . Чем крупнее гранулы, тем больше угол их отрыва от борта чаши и тем меньше они

113

поднимаются вверх, а нисходящая ветвь траектории приближается к борту.

Общее время пребывания материала в любом агрегате, в том числе в тарельчатом грануляторе, можно определить по следующей очевидF ной формуле:

Объем материала в тарельчатом грануляторе при заданном угле наклона зависит от высоты борта в прямой пропорции, однако высота борта не может превышать максимального значения, при котором плоF щадь сегмента, занятого материалом, будет больше половины площади днища, так как во время вращения в нисходящей ветви траектории будет ухудшаться классификация материала по крупности.

Авторы исследовали работу промышленного тарельчатого грануляF тора с диаметром тарелки 2,8 м; высотой борта тарелки – 0,4 м; наклоF ном тарелки – 45 ; производительность гранулятора – 3 т/час. ГрануF лятор установлен в технологической линии шлакозита на ТольяттинF ской ТЭЦ. Окомкованию подвергали смесь, состоящую из шлакового порошка (90 %), размолотого до удельной поверхности 3000 см2/г, и смышляевской глины (10 %). Смешение компонентов производили в шаровой мельнице одновременно с помолом шлака. Результаты исследований помещены в табл. 3.11.

Т а б л и ц а 3 . 1 1 Влияние скорости вращения гранулятора на размер гранул,

степень заполнения тарелки материалом и длину пути окомкования

Средний объем материала в грануляторе составлял 0,95 м3. Время пребывания материала в тарельчатом грануляторе определяли по

114

формуле (3.29) и после этого рассчитывали время и длину пути окомкования по следующим, также очевидным, формулам

Наиболее интенсивное формование гранулы происходит тогда, когда центр тяжести ее отклоняется от прежнего равномерного двиF жения не благодаря перекатке через частицы, а в результате неравноF мерности самой гранулы. В этом случае возникают как усилия, направF ленные к центру гранулы, уплотняющие ее, так и срезывающие усилия, способствующие получению гранулой шарообразной формы.

При расчетах гранулирующих агрегатов, как и при расчетах шаF ровых мельниц, применяют понятие критической скорости вращения

т.е. такой скорости вращения, при которой частицы материала начинают вращаться вместе со стенкой агрегата. При этом критическая частота вращения агрегата равна

Для шаровых мельниц оптимальная скорость вращения барабана составляет 75 % от критической, т.е. nкрит 32D0.5 . По мнению Н.Н. Бережного, это выражение пригодно и для определения критической скорости вращения грануляторов. Для гранулирующих агрегатов реF комендуются различные скорости – от 10 до 80 % от nкрит . ПримеF

нительно к исследованному агрегату критическая скорость вращения равна nкрит 322,80,5 19,3 об/мин. По результатам экспериментов для производительности агрегата 3 т/час оптимальной оказалась скорость nопт = 15 об/мин (78 % от критической). Время нахождения гранул в

агрегате при такой скорости вращения тарелки составляет 19,4 мин; длина пути, пройденная гранулой за это время, равна 204 м.

Свойства сформованных гранул будут даны ниже в сопоставлении со свойствами гранул, сформованных методом экструзии.

115

3.2.3. Формование сырцовых гранул методом экструзии

Формование гранул методом экструзии производят дырчатыми вальцами и шнековыми прессами, оборудованными специальной форF мующей головкой. Наибольшее распространение получила формуюF щая головка конструкции НИИКерамзита (рис. 3.10). Практика покаF зала, что на дырчатых вальцах практически невозможно получать сырF цовые гранулы размером менее 12 мм, поэтому далее излагаются исслеF дования условий формования экструзией на ленточных шнековых прессах.

Рис. 3.10. Гранулирующая приставка к ленточному прессу

Рассмотрим механизм деформации керамической пасты в шнекоF вом прессе при формовании сырцовых гранул. На рис. 3.11 предF ставлена схема шнекового пресса с разделением на зоны, выполняющие следующие функции.

Рис. 3.11. Схема напряженного состояния пасты в цилиндре и формующем канале ленточного шнекового пресса

116

Взоне I превалирует процесс продвижения материала шнеком в наF правлении формующего канала при частичном заполнении цилиндра пресса по сечению, сопровождающийся сжатием и размягчением материала.

Взоне II, где, вследствие увеличения давления больше опредеF ленного предела, материал переходит либо в состояние пластического течения, либо в пасту высокой пластичности. Вследствие этого пониF жается значение коэффициента его внешнего трения о поверхность винта и стенок цилиндра машины и появляется заметное проскальF зывание размягченного материала (пасты) относительно поверхности винта.

Это обстоятельство (когда коэффициент внешнего трения уплотF ненной пасты станет меньше или близок коэффициенту ее внутреннего трения f ) вызывает обратное движение пасты в зазоре между винтом и

стенкой цилиндра пресса, что нежелательно.

Весь участок цилиндра пресса, на котором происходит пластикация и уплотнение материала, является зоной II – уплотнения и пластикаF ции. Наибольшее уплотнение структуры пасты достигается в области наибольших давлений зоны – на стыке зон II и III, далее давление в прессе с разной интенсивностью уменьшается в зависимости от сопроF тивления каждого последующего звена формующего канала (зона III).

Деление пресса на три зоны является условным, особенно для цилиндрической части пресса, так как в действительности здесь одна зона переходит в другую и протяженность каждой из них в известных пределах может изменяться в зависимости от свойств обрабатываемого материала, режима работы машины и вида получаемой продукции.

На схеме показана условная эпюра изменения давления в прессе на элементарный объем пасты, продвигающийся от загрузочного отверF стия до выхода из машины. Важно понять, что в формующей головке, особенно в боковой ее части, керамическая паста испытывает различF ное давление, и поэтому экструдирование пасты из отверстий решетки происходит с различной скоростью. Несомненно, разная скорость истечения пасты из головки пресса формирует разную структуру гранул, что влечет за собой разное качество пористого заполнителя. Для проверки данного обстоятельства были выполнены специальные эксперименты в лабораторных и промышленных условиях.

В лабораторных условиях опыт проводили на шихте, состоящей из порошка шлака и смышляевской глины. В шихту вводили кузнецкий уголь в количестве 1 % от массы шлака.

117

В качестве факторов были приняты:

X1 – содержание смышляевской глины в шихте, %. Данный фактор

варьировали на трех уровнях: 15; 20 и 25 % (при выполнении исследоF ваний в лабораторных условиях) и 20; 25 и 100 % (при выполнении заводских экспериментов);

X2 – толщина пластины перфорированной части формующей гоF

ловки, мм (высота фильеры). Применяли фильеры высотой 10 и 16 мм; X3 – диаметр фильеры (сырцовой гранулы), мм. Применяли

фильеры диаметром 8; 10 и 12 мм;

X4 – давление прессования пасты, МПа. При выполнении заводF

ских экспериментов давление прессования не являлось независимой величиной, оно являлось функцией содержания глины.

Фиксировали следующие параметры процесса:

Y1 – скорость истечения жгута пасты диаметром X1 из фильеры, м/с; Y2 – плотность вспученных гранул (при проведении исследований

в лабораторных условиях), г/см3;

Y3 – насыпная плотность пористого заполнителя (при проведении

исследований на промышленной установке), кг/м3;

Y4 – прочность пористого заполнителя при сдавливании в

цилиндре, МПа.

Эксперименты выполняли на капиллярном вискозиметре, общий вид которого показан на рис. 3.12. На рис. 3.13 показан разрез рабочей части вискозиметра.

118

Отличительной особенностью примененного вискозиметра являетF ся то, что давление P одновременно передается на керамическую пасту

икольцевой резиновый датчик 5, заполненный водой. Под действием давления подвижный упор 4 перемещается вниз, сжимает кольцевой резиновый датчик и выжимает часть жидкости в манометр. Таким образом, манометр фиксирует истинное давление на пасту; при использовании данного капилляра отпадает необходимость учитывать силы трения пасты о стенки капилляра при ее движении. В капилляр можно вставлять фильеры разной высоты и диаметра.

Опыты выполняли в следующей последовательности. Высушенный

иизмельченный до предельной крупности (2 мм) шлак смешивали на бойке с сухим порошком глины и затем измельчали совместно в лабораторной шаровой мельнице. В смесь вводили воду в количестве, равном формовочной влажности, и тщательно перемешивали. ПолуF ченную керамическую пасту в количестве 200 г помещали в вискозиF метр и уплотняли давлением в 0,1 МПа до появления из фильеры небольшой порции пасты в виде жгута. Фиксировали показания манометра и производили сжатие пасты с заданным давлением. Давление контролировали и регулировали по показаниям манометра. Опыты повторяли несколько раз, добиваясь поддержания давления в пасте на заданном уровне.

Скорость истечения жгута из фильеры определяли делением его длины на время истечения, которое фиксировали секундомером. Из

жгутов острым смоченным ножом нарезали цилиндрики высотой, равной диаметру жгута, которые затем сушили при температуре 200 С до постоянной массы (10F20 минут в зависимости от диаметра гранулы). Для данного состава шихты и размера гранулы подбирали оптимальные значения температуры, времени обжига и охлаждения.

Впромышленных условиях опыты выполняли на Безымянском опытном керамзитовом заводе – экспериментальной базе института НИИКерамзит. Использовали шлак жидкого удаления Тольяттинской ТЭЦ следующего зернового состава: фракция 0F5 мм – 57,3 %; фракция 5F10 мм – 12,8 %; фракция 10F20 мм – 7,7 %, и смышляевскую глину в виде гранул влажностью 10 %, отобранных из действующей линии производства керамзита. Глину и шлак подавали дозаторами в линию помола твердых пород, уголь подавали вручную. Помол составляющих шихты производили в шаровой мельнице СМF6004. Полученную шихту замачивали на заводской площадке вручную и вылеживали в течение 7 суток. В течение этого времени шихту постоянно опрыскиF вали водой. Общий объем шихты равнялся 10 т. Смоченную и выдерF жанную шихту подавали на действующую линию керамзита и получали пористый заполнитель. Формовочную влажность для данного состава шихты определяли лабораторными испытаниями по

119

стандартной методике. Шихту раз в сутки после опрыскивания пеF релопачивали автомобильным ковшовым погрузчиком, добиваясь по возможности однородного состава (по влажности). После перелопаF чивания и вылеживания на заводской площадке влажность шихты составляла 80F90 % от формовочной. Оставшуюся часть воды вводили в глиномешалку. Влажность подготавливаемой и готовой шихты контролировали ускоренными методами.

Давление формования измеряли при помощи датчика, аналоF гичного тому, который был использован в капиллярном вискозиметре. Датчик устанавливался в различных точках формующей головки, что, в принципе, позволило установить тенденции распределения напряжеF ний в керамической пасте при формовании из нее гранул (см. рис. 3.10).

Результаты опытов сведены в табл. 3.12. В последних шести строках помещены результаты промышленных экспериментов. В таблице приведены средние результаты большого количества замеров давления и скоростей истечения жгутов пасты.

Т а б л и ц а 3 . 1 2 Влияние условий формования сырцовых гранул

на качество пористого заполнителя

120