CC BY
8УДК 621.929.6
И.Ф. ШЛЕГЕЛЬ, канд. техн. наук, директор, Г.Я. ШАЕВИЧ, исполнительный директор, А.В. АНДРИАНОВ, начальник отдела, Д.А. ПЕРМЕНЕВ, инженер-технолог
Институт Новых Технологий и Автоматизации промышленности строительных материалов, ООО «ИНТА-СТРОЙ» (644113, г. Омск, ул.1-я Путевая, 100)
Эффективное смешивание инновационным смесителем «ТОРС»
Описан метод определения качества смеси. Рассмотрена запатентованная конструкция торового смесителя и принцип его работы, полностью исключающий застойные зоны. Приведен анализ результатов испытаний на смешивание различных материалов новым смесителем. Показано, что торовый смеситель эффективно перемешивает сухие строительные материалы, имея меньшие энергозатраты и стоимость в сравнении с традиционным смесительным оборудованием. Смеситель «ТОРС» может применяться в различных областях промышленности, где необходимо получение качественных сухих смесей, а также может быть эффективно использован для получении глиняного шликера.
Ключевые слова: эффективность смешивания, смеситель сухих смесей.
I.F. SHLEGEL, Candidate of Sciences (Engineering), Director, G.Ya. SHAEVICH, Executive Director, A.V. ANDRIANOV, Head of Department, D.A. PERMENEV, Engineer-Technologist
Institute of New Technologies and Automation of the Industry of Construction Materials, OOO «INTA-STORY» (100, Putevaya Street, 644113, Omsk, Russian Federation)
Efficient Mixing with Innovative Mixer «TORS»
The method for determining the mixture quality is described. The patented design of a toroidal mixer and principles of its operation, which completely exclude stagnation zones, are considered. The analysis of test results for mixing of various materials with the new mixer is presented. It is shown that the toroidal mixer efficiently mixes dry building materials at smaller energy expenditures comparing with traditional mixing equipment. The mixer «TORS» can be used in different fields of the industry where it is necessary to obtain qualitative dry mixes as well as it can be efficiently used for producing the clay slurry. Keywords: efficient mixing, dry mixes mixer.
Растущие требования к качеству современных строительных смесей приводят к созданию новых смесителей, обеспечивающих высокую однородность конечного продукта. Выбор смесительного оборудования является ответственным шагом на пути получения смеси высокого качества.
Равномерное распределение многокомпонентных добавок в смеси во многом зависит от интенсивности и времени воздействия рабочих органов на материал, оптимальной энергонапряженности процесса, от свойств перемешиваемых компонентов. Однако получение гомогенных смесей — процесс достаточно дорогой, требующий высоких затрат энергии, поэтому зачастую выбирается не оптимальная степень совмещения компонентов, а минимально достаточная или практически достижимая при использовании смесительных агрегатов «классической» конструкции.
Перед коллективом института ИНТА-Строй стояла задача не только создания высокоэффективного смесителя с уменьшенным энергопотреблением, но и разработки методики определения качества смешивания. На основании анализа ряда стандартных методов качественной оценки смеси, был разработан метод, основанный на определении коэффициента вариации с его последующей оценкой [1].
Смешивание различных материалов — сложный механический процесс. Основной качественный критерий завершенности процесса смешивания — однородность конечного продукта. Однородной считается смесь, в которой содержание компонентов в любом ее объеме не отличается от заданного содержания всей смеси.
Невозможно определить, насколько равномерно распределены все компоненты в смеси. Проследить за равномерностью распределения 1—2 компонентов можно. Экспериментально установлено, что если какой-то компонент распределен в смеси равномерно, то и дру-
гие компоненты также распределены равномерно. Однако определить равномерность распределения этих компонентов можно лишь в тех случаях, когда методы их количественного определения сравнительно просты и наличие других компонентов не мешает анализу. Такие компоненты называют «ключевыми».
Эффективность смешивания, которое рассматривают как стохастический (случайный) процесс, определяют на основе статистических характеристик смеси. Такой характеристикой обычно служит коэффициент вариации (неоднородности) распределения «ключевого» компонента в смеси.
Коэффициент вариации определяют по формуле:
Л
УС=]_(П^1)--ш%, (1)
х
где х — среднее содержание «ключевого» компонента в смеси, %; х,- — содержание «ключевого» компонента в каждой из проб, %; п — число проанализированных проб.
Для оценки процесса смешивания следует придерживаться следующих показателей, принятых в пищевой промышленности [2]:
Ус < 5% — качество смеси отличное;
5% < Ус < 7% - хорошее;
7% < Ус < 15% — удовлетворительное;
Ус > 15% — плохое.
Опираясь на принципы, изложенные выше, для определения эффективности смешивания предложена и опробована следующая методика. В шихту вводится известное количество «ключевого» компонента, в данном случае использованы гранулы вспенивающегося полистирола марки FSA, фракции 0,8—1,2 мм. Количество вводи-
научно-технический и производственный журнал |r ('SJÜiil^J-'
30 декабрь 2016 l'j ! ®
7 1 2 3 4 5
Рис. 1. Смеситель торовый «ТОРС-150»: 1 - смесительная камера; 2 - днище; 3 - активатор; 4 - электродвигатель активатора; 5 - поворотное устройство; 6 - мотор-редуктор поворота корпуса; 7 - горловина; 8 - шкаф управления
мого компонента может составлять 1—2% от массы материала. В процессе перемешивания отбираются представительные пробы. Количество проб должно быть не менее трех и масса каждой пробы не менее 3 кг.
Вторым шагом в методике определения качества смешивания является анализ содержания «ключевого» компонента в 5—10 навесках по 100 г каждая, отобранных из каждой представительной пробы методом квартования. Материал и полистирольные гранулы высушиваются при 105оС. В процессе сушки полистирольное зерно вспучивается, что позволяет его легко отделить от остальной (песчаной, цементной и т. д.) составляющей и взвесить. Вычисляется процентное содержание гранул в каждой отдельной пробе. Для полученных значений содержания компонента в пробах по формуле (1) рассчитывается коэффициент вариации. Среднее значение коэффициентов вариации представительных проб и является критерием оценки эффективности смешивания.
В сложившейся ситуации, когда существующее технологическое оборудование, как и сама реализуемая в них модель смешивания, практически полностью исчерпали возможности дальнейшего улучшения, особую опасность представляет распространенное заблуждение, что достигнутый уровень однородности смеси является до-
статочным и дальнейшее его повышение экономически нецелесообразно. При этом забывается тот факт, что производственная практика получения смесей высокой однородности зачастую останавливается именно на грани экономичности, обусловленной самим типом применяемого смесительного оборудования [3]. Вооружившись сравнительным методом оценки качества, специалисты ИНТА-Строй задались целью создания смесительного оборудования, отличающегося простотой конструкции, но в то же время способного за короткое время перемешать сухие смеси с оптимальными энергозатратами. Такой машиной стал торовый смеситель «ТОРС».
Известные смесители циклического действия с горизонтальным валом в зависимости от диаметра активатора и угловой скорости вращения смешивающего органа осуществляют перемешивание компонентов сухих смесей в четырех основных режимах. Условно их можно обозначить как: тихоходный, среднескорост-ной, скоростной и высокоскоростной режимы смешивания [3]. Изобретение ООО «ИНТА-Строй» [4] относится к скоростным смесителям периодического действия.
Для скоростных смесителей характерно, помимо механического воздействия смешивающих органов на обрабатываемый материал, интенсивное воздействие динамических потоков смешиваемых компонентов, что, в свою очередь, обеспечивает глубокое объемное перемешивание массы материала в «мертвых» зонах, однако полностью исключить такие зоны в существующих смесителях не получалось. Эта проблема была решена за счет особенности конструкции смесителя «ТОРС».
Рассмотрим конструкцию и основные особенности смесителя на примере пилотной установки «ТОРС-150», прошедшей комплекс испытаний на производственной базе ООО «ИНТА-Строй» (рис. 1).
Данная модель имеет рабочий объем корпуса 150 л, мощность привода активатора 5,5 кВт, скорость его вращения 1440 об/мин.
Смеситель «ТОРС-150» состоит из смесительной камеры (1), выполненной в форме сектора тора, в днище (2) которого смонтирован активатор (3), установленный на валу электродвигателя (4). К днищу (2) крепится поворотное устройство (5); повороты камеры (1) осуществляются за счет мотор-редуктора (6). Для загрузки и выгру зки материала служит горловина (7), соединенная с торовой камерой (1). При выгрузке материала камера (1) поворачивается за счет устройства (5) вниз горловиной (7), а при загрузке — вверх. При работе смесителя происходит качание корпуса на предварительно настроенный угол в каждую сторону. Для управления активатором и настройки качания служит шкаф управления (8), установленный на раме смесителя.
Таблица 1
Материал Объем загрузки,л Масса загрузки, кг Частота вращения активатора, об/мин Ток нагрузки, А Время смешивания, мин Коэффициент вариации Качество смешивания
Железная окалина 150 45 1440 7-9 5 3,72 отличное
10 1,52 отличное
Песок 130 170 1440 9-10 5 11,48 удовлетворит.
10 6,11 хорошее
Цемент 130 150 900 8-12 3 2,48 отличное
5 2,56 отличное
10 1,82 отличное
Оценка качества перемешивания смесителем «ТОРС-150»
■ '■■Ч'.-: > Л ■ Г;-' научно-технический и производственный журнал ® декабрь 2016
Г
Рис. 2. Объемное окрашивание песка в смесителе «ТОРС»
Смесители серии «ТОРС»
Таблица 2
Технические характеристики Т0РС-50 Т0РС-150 Т0РС-250 Т0РС-500
Рабочий объем корпуса, л 50 150 250 500
Установленная мощность, кВт 2,2 6,6 13,2 18
Частота вращения активатора, об/мин 2000 1500 1000 750
Длина, мм 1220 1470 1980 2760
Ширина, мм 500 960 1250 1540
Высота, мм 1150 1590 1900 2110
Масса без груза, кг 120 390 500 700
Компоненты, приготовленные для смешивания, загружают через горловину, закрывают крышку камеры. Включается электродвигатель, который приводит во вращение активатор с закрепленными на нем лопастями. Начинается процесс перемешивания. Материал захватывается лопастями, развернутыми под острым углом в направлении вращения и формирующими вокруг вала некое подобие шнековой лопасти, способствующей не только закручиванию и радиальному разбросу материала под действием центробежных сил, но и его выталкиванию вперед по периметру днища в объем камеры. В центре активатора создается зона разряжения, где материал снова направляется в зону действия лопастей. В результате создается свободная многократная циркуляция материала по всему объему камеры, в процессе которой происходит аэрация материала — дополнительное насыщение его воздухом, что предотвращает комкование.
Тороидальная поверхность камеры, ограничивающая объем, где происходит перемешивание материала, не препятствует свободе перемещения последнего вверх и вперед, обеспечивая минимальное сопротивление движению материала, чего невозможно добиться, используя цилиндрическую вертикальную или горизонтальную камеры.
Кроме того, во время работы установки происходит качание смесительной камеры относительно горизонтальной оси поворотного устройства на предварительно настроенный угол вправо и влево для лучшего перемешивания материалов и полного устранения застойных зон.
Процесс продолжается до тех пор, пока смесь не станет оптимальной, после чего двигатель отключается, камера смесительная разворачивается на нужный угол (до 180о). Крышку камеры открывают и выгружают полученную смесь через горловину.
Система управления позволяет производить настройку угла качаний, задавать их количество в одном цикле. Встроенный частотный преобразователь позво-
ляет изменять скорость вращения активатора, подбирая оптимальный режим смешивания, и контролировать токовые нагрузки. Допускается ручной запуск активатора и качаний отдельно друг от друга, а также поворот камеры в любую сторону на необходимый угол.
По методике определения качества смешивания была проведена серия экспериментов с различными материалами (легкие, тяжелые и очень тяжелые). Полученные результаты представлены в табл. 1.
По результатам испытаний установлено, что смеситель «ТОРС» качественно перемешивает различные материалы на уровне зарубежных аналогов, при этом он имеет меньшую стоимость и энергоемкость.
Рис. 3. Работа смесителя «ТОРС»
научно-технический и производственный журнал |г
32 декабрь 2016
Для каждой смеси можно подобрать свой оптимальный режим смешивания, экспериментально определяя наилучший результат за определенное время, подбирая скорость вращения активатора с наименьшими показаниями токовой нагрузки.
Кроме того, для визуальной оценки качества смеси в каждый материал добавлялся краситель. Например, в песок вводился оксид железа красного цвета в количестве 0,5% от общей массы; после 5 мин перемешивания наблюдался песок, равномерно окрашенный в красный цвет по всему объему (рис. 2).
Сотрудниками института было принято решение не останавливаться на достигнутых результатах, и в новой герметичной конструкции провели эксперимент по получению глиняного шликера. В установку загружали сухие комья глины из карьера и добавляли воду. При обработке данной смеси на выходе получили однород-
ный шликер с взмученными частицами глинистой составляющей.
При проливе через сита обнаружилось хорошее разделение на тонкодисперсные глиняные частицы и твердые частицы песка. Поэтому установку «ТОРС» можно также рекомендовать как агрегат для глинороспуска и получения качественного шликера.
На основе полученных данных конструкторами института разработан типоразмерный ряд смесителей серии «ТОРС» (табл. 2).
Уточнить информацию и посмотреть видеофильм по испытаниям торового смесителя «ТОРС» приглашаем на сайте фирмы ООО «ИНТА-Строй» (рис. 3). Будем рады видеть коллег в Омске, в Институте новых технологий и автоматизации промышленности строительных материалов, где можно ознакомиться с работой оборудования на опытном заводе.
Список литературы
References
Шлегель И.Ф., Шаевич Г.Я., Рукавицын А.В., Носков А.В., Слемнев Д.А. Определение эффективности смешивания при пластической подготовке сырья // Строительные материалы 2012. № 8. С. 22-23.
Черняев Н. Оценка качества смеси и эффективности работы дозаторов и смесителей // Комбикорма. 2010. № 4. С. 36-37.
Телешов А.В., Сапожников В.А. Производство сухих строительных смесей: критерий выбора смесителя // Строительные материалы. 2000. № 1. С. 10-11.
Патент RU 2538889. МПК: B01F7/00. Смеситель для сыпучих материалов / Шлегель И.Ф. Опубл. 10.01.2015. Бюл. № 1.
Shlegel I.F., Shaevich G.Ya., Rukavitsyn A.V., Nos-kov A.V., Slemnev D.A. Determination of Efficiency of Mixing in the Course of Plastic Preparation of Raw Materials. Stroitel'nyematerialy [Construction Materials]. 2012. No. 8, pp. 22-23. (In Russian). Chernjaev N. Quality evaluation of mix and overall performance of batchers and mixers. Kombikorma. 2010. No. 4, pp. 36-37. (In Russian).
Teleshov A.V., Sapozhnikov V.A. Production of dry construction mixes: criterion of the choice of the mixer. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2000. No. 1, pp. 10-11. (In Russian).
Patent RF 2538889. MPK: B01F7/00. Smesitel' dlja sypu-chih materialov [The mixer for bulks] Shlegel I.F. Published 10.01.2015. Bulletin No. 1. (In Russian).
_^МЫ :'SEHbn ûflHtifl
1
■ ■■■','J'.- : i ^ ■ i Г;-' научно-технический и производственный журнал
® декабрь 2016 33
