Машины и оборудование для гидравлической классификации и обогащения строительных материалов

Общие сведения о процессе и оборудовании

Значительное влияние на прочность и долговечность бетонных изде­лий оказывает качество заполнителей, и в частности, мелкого заполнителя — песка. Установлено, что использование чистого песка оптимального зернового состава не только повышает прочность и долговечность бетона, но и экономит 20% цемента.

Природные пески чаще всего неоднородны по составу, содержат посторонние примеси и поэтому не могут быть использованы в качестве заполнителя бетона без предварительного обогащения. Подлежащей обогащению исходный материал, обычно разделяют на две, три и более фракций в зависимости от требований к готовой песчаной смеси, а затем полученные фракции смешивают в определенных пропорциях, чтобы получить конечный продукт с желаемым зерновым составом.

Разделение на фракции строительных песков естественной влажности (4—7%) почти всегда нарушает механическую связь между отдельными мелкими зернами, вследствие присутствия в материале глинистых включений. Для диспергации и удаления глины необходима промывка материала в воде. А поскольку вода может быть использована и как среда для разделения на фракции, то, как показала практика, наиболее экономичным и эффективным методом обогащения песков является гидравлическая классификация.

Гидравлической классификацией называют процесс разделения минеральных зерен в жидкости по скоростям их падения. Осуще­ствляют гидравлическую классификацию в аппаратах, называемых классификаторами.

Крупность материала, подвергаемого гидравлической класси­фикации, как правило, не превышает 5,0 мм. Процесс классифика­ции может происходить в вертикальных и горизонтальных струях воды.

В классификационных аппаратах и машинах различного рода процесс разделения происходит под действием сил тяжести или центробежных сил. Для такого оборудования характерно исполь­зование физических свойств материала при осуществлении про­цесса классификации.

По конструктивному исполнению и характеру движения гидросмеси гидравлические классификаторы разделяют на аппараты го­ризонтального и вертикального типа, а по принципу действия на гидроклассификаторы свободного и стесненного падения.

К группе классификаторов относят также спиральные и реечные классификаторы, в которых используется механическое воздей­ствие рабочего органа на материал в процессе разделения его на фракции.

Особую подгруппу составляют центробежные классификаторы, в которых материал разделяется на фракции под действием разницы центробежных сил, действующих на зерна разной крупности во вращательном потоке пульпы.

Некоторые закономерности гидравлической классификации

При гидравлической классификации частицы материала разделяются на фракции по скорости падения частиц, которые при свободном падении определяются размером, формой, плотностью частиц, а также характеристикой жидкости.

От разницы в силе тяжести твердого тела и силе сопротивления жидкости зависит скорость падения твердого тела. Характер сопро­тивления зависит от объема, формы и скорости движения тела.

Сила тяжести (Н) частицы шарообразной формы, погруженной в жидкость,

, (269)

где d — диаметр частицы, м;

— плотность частицы, кг/м³;

— плотность жидкости, кг/м³;

g — ускорение свободного падения, м/с².

При > частица тонет, при < всплывает, а при = находится во взвешенном состоянии.

При падении тела в жидкости возникает два вида сопротивления в зависимости от скорости движения тела, которое может быть турбулентным или ламинарным.

При большей скорости движения тела кинетическая энергия его расходуется главным образом на преодоление динамического сопротивления среды. При медленном движении основным является сопротивление, создаваемое трением жидкости у поверхности данного тела.

Сопротивление жидкости (динамическое сопротивление), (Н) при турбулентном режиме определяется по закону Ньютона

, (270)

где — безразмерный коэффициент пропорциональности (коэффициент

сопротивления);

F — площадь проекции тела, м²;

— скорость движения тела, м/с.

Сила сопротивления трению (H) определяется зависимостью, предложенной Стоксом

, (271)

где — коэффициент вязкости среды, Н·с/м².

Характеристикой режима движения жидкости может служить число Рейнольдса

. (272)

Экспериментами установлено, что при Re > 1000 преобладаем динамическое сопротивление, при Re < 1 — большее значение имеет вязкость среды.

Сила сопротивления возрастает одновременно с увеличением скорости падения частиц. В свою очередь, скорость падения тела изменяется от нуля до постоянной величины , называемой конечной скоростью, которая наступает в момент равенства силы тяжести падающего тела и силы сопротивления.

Чтобы определить скорость для частиц размером более 1,5 мм, достаточно учесть только динамическое сопротивление среды. Тогда приравняв G₀ и [см. уравнения (269) и (270)], найдем конечную скорость падения тела в жидкости (м/с)

, (273)

где k — коэффициент, зависящий от формы частицы; для шара k = 5,12.

Тогда для воды при = 1000 кг/м³ конечная скорость (м/с) падения шара согласно Риттингеру будет

. (274)

При выводе формулы (274) некоторые авторы принимают не половину сечения шара, а 2/3, тогда формула в окончательном виде будет

.

Результаты, полученные по формуле (274), хорошо совпадают с результатами экспериментов для зерен размером 1,5 мм и более. При падении частиц размером 0,012—0,175 мм, скорость которых очень мала, Стокс, учитывая только взаимное трение частиц и жидкости и приравнивая G₀ и , получил формулу для конеч­ной скорости (м/с)

. (275)

Для воды при = 1000 кг/м³

. (276)

Чтобы определить конечную скорость падения в м/с частиц промежуточной крупности, для которых неприемлемы формулы Риттенгера и Стокса, Аллен предложил эмпирическую зависимость

. (277)

Д. Принц приводит следующие данные для скорости выпадения частиц песка в воде:

d, мм 9,42 6,68 4,69 3,33 2,36 1,65 1,17 0,83 0,59 0,21 0,07

, мм/с 600 500 400 320 250 200 170 120 100 35 5

Рассмотренные закономерности падения изолированных частиц в жидкости лишь частично дают представление о явлениях, наблю­даемых при гравитационных процессах обогащения.

В практике обогащения при классификации материала на фрак­ции и других гравитационных процессах происходит массовое дви­жение частиц, когда каждое зерно испытывает механическое воз­действие других движущихся зерен, всей движущейся массы в целом и динамическое воздействие жидкости (воды). В обогатительных процессах падение частиц в жидкости обычно носит стесненный характер.

Вычислить конечную скорость частиц при стесненном падении довольно сложно вследствие многообразия факторов, определяющих ее величину. При стесненном падении частиц на скорость допол­нительно влияют концентрация частиц в суспензии, условия про­цесса, а также конструктивные особенности классификатора. Все это не дает возможности найти общее (универсальное) аналитичес­кое решение процесса классификации и поэтому в частных случаях, для большей достоверности, закономерности стесненного падения устанавливают экспериментальным путем.

Проектирование гидравлических классификаторов и расчет основных параметров

Проработать по учебнику “Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций” В.А.Бауман, Б.В.Клушанцев, В.Д.Мартынов, издательство “Машиностроение” 1975 г. стр. 197 – 223.

Вопросы для самопроверки и контроля

1. Основные виды фильтров для отделения пыли от газов.

2. Какие факторы влияют на степень очистки?

3. Какой коэффициент очистки циклонов от пыли?

4. Назовите основные типы аппаратов для гидро- и пневмоклассификации.