CC BY
19УДК 66.041:53-02
А.И. НИЖЕГОРОДОВ, д-р техн. наук (nastromo_irkutsk@mail.ru)
Иркутский национальный исследовательский государственный технический университет (664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83)
Экспериментальное определение коэффициентов трения некоторых потенциально термоактивных минералов*
В связи с появлением новой концепции электрических печей с подвижными подовыми платформами, обладающих удельной энергоемкостью обжига вермикулита 50-60 мДж/м3 и приспособленных для термоактивации других минералов, возникла задача определения их коэффициентов трения скольжения в движении. Это обусловлено необходимостью моделирования движения однослойных потоков термообрабатываемых минералов на вибрирующих поверхностях платформ. В статье приведены результаты экспериментов по определению коэффициентов трения некоторых потенциально термоактивных минералов.
Ключевые слова: вермикулит, электрическая печь с подвижными подовыми платформами, термоактивация минералов, коэффициенты трения скольжения.
A.I. NIZHEGORODOV, Doctor of Sciences (Engineering),
Irkutsk National Research State Technical University (83, Lermontov street, Irkutsk, 664074, Russian Federation)
Experimental Determination of Friction Coefficient of Some Potential Thermosetting Minerals
In view of a new concept of an electric kiln with movable hearths with energy density of vermiculite burning 50-60 MJ/m3 and meant for thermal activation of other minerals the problem appeared to determine their coefficient of kinetic friction during the movement. It is caused by the need of movement modelling of one-layered flows of heat-treated minerals on the vibrating surface of hearths. The experimental results are presented to find friction coefficient of some potential thermosetting minerals.
Keywords: vermiculite, electric kiln with movable hearths, thermal activation of minerals, coefficient of kinetic friction.
В заскладированных вскрышных породах Ков-дорского флогопит-вермикулитового месторождения помимо породообразующих минералов, накоплены сотни тысяч тонн вермикулита и сунгулита [1], являющихся ценным сырьем.
Способы применения вспученного вермикулита известны. Благодаря его слоисто-пористой структуре огнеупорные изделия на его основе отличаются высокими термоизоляционными свойствами [2]. Вермикулит является эффективным теплоизоляционным материалом, пористым наполнителем для легких бетонов, из него готовят сухие строительные смеси, в том числе огнезащитные, его применяют для звукоизоляции, используют при разливке стали, для фильтрации воды, в качестве адсорбента дыма и ядовитых газов, как противорадиационный материал [3, 4].
Сунгулит — сопутствующий минерал, после термоактивации становится эффективным реагентом для детоксикации техногенно загрязненных ландшафтов и водных объектов [5]. Технология переработки данного сырья включает дробление, гравитационное обогащение в гидравлическом сепараторе с отведением слива, сушку, электромагнитную сепарацию и обжиг с пневмосепара-цией [6].
Подобные технологии применяются для получения потенциально термоактивных минералов серпентино-вой группы: антигорита, лизардита, хризотила и др., являющихся исходным сырьем для получения магнезиаль-но-силикатных реагентов, которые могут применяться в природоохранных мероприятиях.
Возможности совершенствования электрических мо-дульно-спусковых печей [4], более десяти лет применяющихся для обжига вермикулита, исчерпаны. Даже применение дополнительных, так называемых «нулевых» модулей, не потребляющих энергии, но повышающих энергоэффективность процесса обжига за счет внутренней эксэргии недовспученных зерен вермикулита, по-
зволило достигнуть энергоемкости 170—175 мДж/м3. Это вдвое меньше, чем в традиционных огневых печах [7], но этого мало: электроэнергия обходится дороже, чем энергия сжигания углеводородного топлива.
Поэтому появилась новая концепция электрических печей с подвижной подовой платформой, способная радикально снизить удельную энергоемкость обжига вермикулита до 50—60 мДж/м3. Кроме того, новые печи имеют и новые возможности — они приспособлены для термоактивации различных минералов, могут использоваться для термоактивации некоторых видов строительных песков, золы-уноса ТЭС, металлургических шлаков, некоторых видов глин и даже для нормализации мелких стальных изделий в машиностроении и др.
Старая и новая концепции.
В модульно-спусковых печах по мере движения зерен вермикулита время прохождения участков модулей сокращалось, интервалы между ними увеличивались, концентрация снижалась, в нижней части она становилась минимальной, а средний интервал частиц для вермику-литового концентрата с условным диаметром зерна D становился равным б = (6...6,5) D. Отношение суммарной площади проекции зерен на поверхность модуля к площади 0,2 м2, занимаемой ими на первом участке при регулярном строении однослойного массива, равнялось 0,785. Это же отношение на пятом участке снижалось до 0,046, а концентрация уменьшалась в 17 раз. Поэтому здесь лишь незначительная часть лучистой энергии поглощалась вермикулитом.
Радикально улучшить условия теплопереноса и теп-лоусвоения можно, изменив характер движения сыпучего материала, при котором на всей поверхности подовой платформы отношение суммарной площади проекции зерен к площади 0,2 м2, взятой на любом участке, будет максимально возможным для модели регулярного по структуре потока и равно примерно 0,785. Этого можно
*Поддержано грантом ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере». Заявка С1—11374. Приказ № 22-39 от 04. 03.2016. Договор № 1243 ГС 1 / 21693
'■■;.;■ \ г j:: j г. ; ; i;-' научно-технический и производственный журнал
® ноябрь 2016 63
9 7 8 6 1
9 7 3 6 1'
Рис. 1. Одиночный модуль с вибрационной подовой платформой трех-модульной электрической печи
движении
достигнуть вибрационным способом организации движения частиц и вспучивающихся зерен вермикулита.
При уклоне 15—20о движение сыпучей среды происходит только под действием приложенных к основанию колебаний. Особенно эффективны несимметричные колебания, вызывающие одностороннее транспортирование без уклона [8]. Организовать такое движение можно за счет установки нелинейных упругих элементов с той стороны, куда должен двигаться поток.
По предварительным расчетам только один однофазный модуль будет обеспечивать производительность по вспученному вермикулиту 1,5—1,6 м3/ч, как модульно-
спусковая печь, рассмотренная в работе [9]. Трехфазная трехмодульная печь из трех таких блоков будет иметь производительность около 4,5 м3/ч при равной потребляемой электрической мощности.
На рис. 1 показан одиночный модуль с вибрационной подовой платформой трехмодульной электрической печи. В модуле 1 находится вибрационная платформа, которая является колебательной системой. Она установлена на подшипниках 2 в направляющих 3 и подпружинена пружинами 4 и 5. Пружина 6 является элементом кинематического возбудителя колебаний, содержащего плунжер 7 с цилиндром 8 и эксцентриковый привод 9. Крепление элементов платформы, выполненной из толстого листового металла, пустотелых балок коробчатого сечения и двух швеллеров, показано на фрагменте I. Соединение элементов обеспечено сваркой через проволочные стержни, способные при нагревании платформы, компенсировать ее температурное расширение.
Конические пружины 4 предназначены для создания несимметричных колебаний платформы и создания вибротранспортного эффекта. Кроме несимметрии колебаний другим важным фактором, определяющим скорость вибрационного транспортирования сыпучей среды, является наклон платформы, который обеспечивается наклоном опытного образца печи, как это показано на нижнем виде, рис. 1.
Внутри модуля установлены нагревательные элементы. В отличие от модульно-спусковых печей между поверхностью платформы и нагревателями есть зазор, который настраивается при переходе от одного вида и размерности сырья к другой. Благодаря зазору исключется контакт нагревателей с термообрабатываемым материалом. Эта особенность позволяет производить термоактивацию других различных минералов кроме вермикулита.
Для различных материалов, о которых уже упоминалось выше, режимы вибрации также должны быть разными, так как все они обладают различными физическими и механическими свойствами, в том числе и коэффициентами трения.
Цель работы состоит в экспериментальном определении коэффициентов трения скольжения в движении некоторых сыпучих минералов, потенциально способных к термоактивации в новых электрических печах с вибрационной подовой платформой.
Эксперименты.
Одним из факторов, определяющих скорость движения частиц минералов (и время их движения) по наклонной колеблющейся поверхности подовой платформы является трение скольжения в движении. Для моделирования динамики движения термообрабатываемых в печи сыпучих сред необходимы значения этих коэффициентов, так как известно, что в движении трение снижается на 5-8 % [10].
На рис. 2 показана наклонная стальная плоскость, имитирующая подовую платформу печи, на которой производились опыты.
Несколько частиц примерно одинаковых размеров того или иного минерала устанавливались на наклонную обезжиренную, хорошо очищенную поверхность. Для вспученного вермикулита, с учетом анизотропии его физических свойств, зерна устанавливались сначала на ребро, а затем на плоскость.
Длина наклонной поверхности была неизменной ^ = 1,098 м), а высота ее правой части h изменялась в широких пределах. При различных значениях h и а на поверхность устанавливалось по пять частиц того или иного минерала или вспученных зерен вермикулита. Затем им сообщалось слабое возмущение в виде сдвига для страгивания из состояния сцепления и возможности дальнейшего схода.
1-Л ®
научно-технический и производственный журнал
64 ноябрь 2016
Таблица 1
Вермикулитовый концентрат кокшаровский. Средний условный диаметр частиц 8,7 мм
№ опыта Высота h, м Число сходов и зависаний
1 0,468 Зависло 5 частиц
2 0,473 1 сход, 4 зависания
3 0,49 4 схода, 1 зависание
4 0,498 4 схода, 1 зависание
5 0,51 5 сходов
Результаты: hcp = 0,504 м, Sina = 0,459, а = 27° 20',/= tga = 0,52.
Таблица 2
Вермикулитовый концентрат ковдорский. Средний условный диаметр частиц 5,2 мм
№ опыта Высота h, м Число сходов и зависаний
1 0,518 2 схода, 3 зависания
2 0,544 3 схода, 2 зависания
3 0,605 4 схода, 1 зависание
4 0,628 5 сходов
Результаты: ^р = 0,617 м, Sina = 0,56, а = 34° 20', f = да = 0,68 .
Таблица 3 Вермикулитовый концентрат Татарский Средний условный диаметр частиц 2,75 мм
№ опыта Высота h, м Число сходов и зависаний
1 0,557 Зависло 5 частиц
2 0,633 2 схода, 3 зависания
3 0,659 2 схода, 3 зависания
4 0,689 5 сходов
Результаты: hcp = 0,674 м, Sina = 0,61, а = 37° 30', /= tga = 0,76.
Рис. 4. Вспученные зерна вермикулита Ковдорского (слева), Кокшаровского и Татарского (справа) месторождений
Таблица 5 Вермикулит вспученный кокшаровский.
Установка зерен на ребро Средний условный диаметр зерен 6,5 мм
№ опыта Высота h, м Число сходов и зависаний
1. 0,496 Зависло 5 зерен
2. 0,502 2 схода, 3 зависания
3. 0,522 3 схода, 2 зависания
4. 0,547 3 схода, 2 зависания
5. 0,555 5 сходов
Результаты: hcp = 0,551 м, Sina = 0,502, а= 30° 5', /= tga= 0,579.
Таблица 6
Вермикулит вспученный кокшаровский.
Установка зерен на плоскость. Средний условный диаметр зерен 5,7 мм
№ опыта Высота h, м Число сходов и зависаний
1 0,455 Зависло 5 зерен
2 0,462 1 сход, 4 зависания
3 0,485 3 схода, 2 зависания
4 0,502 4 схода, 1 зависание
5 0,513 5 сходов
Результаты: hcp = 0,467 м, Sina = 0,462, a = 27° 30', /= tga = 0,52.
Таблица 4
Сунгулит очищенный ковдорский. Средний условный диаметр частиц 3,2 мм
№ опыта Высота h, м Число сходов и зависаний
1 0,46 2 схода, 3 зависания
2 0,48 3 схода, 2 зависания
3 0,502 4 схода, 1 зависание
4 0,519 5 сходов
Результаты: hcp = 0,51 м, Sina = 0,465, a = 27° 45',/= tga = 0,526.
Таблица 7
Вермикулит вспученный Татарский. Установка зерен на ребро Средний условный диаметр зерен 3,9 мм
№ опыта Высота h, м Число сходов и зависаний
1 0,54 3 схода, 2 зависания
2 0,544 4 схода, 1 зависание
3 0,551 5 сходов
Результаты: hrp) = 0,55 м, Sina = 0,5, a= 30° 0', /= tga= 0,577
Первый опыт производился при наименьших значениях h и а, потом угол наклона плоскости увеличивался. При минимальном наклоне возмущение вызывало стра-гивание одной-двух частиц или не вызывало страгивания ни одной частицы. По мере увеличения угла наклона количество начавших движение частиц увеличивалось, а количество зависших — снижалось. Последним опытом был тот, в котором сходили все частицы.
По двум опытам — предпоследнему, максимально близкому к пограничному состоянию, и последнему, определялось среднее значение Ь,ср, рассчитывалось значение синуса угла наклона:
Sina = hc / 1.
Таблица 8
Вермикулит вспученный Татарский. Установка зерен на плоскость Средний условный диаметр зерен 3,6 мм
№ опыта Высота h, м Число сходов и зависаний
1 0,537 3 схода, 2 зависания
2 0,561 4 схода, 1 зависание
3 0,584 4 схода, 1 зависание
4 0,603 5 сходов
Результаты: hcp = 0,594 м, Sina= 0,54, a= 32° 45', /= tga = 0,644.
. иг)'.: > ^ ; ];■' научно-технический и производственный журнал
® ноябрь 2016 65
/
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
5 - кр «[Ку.ИП ОЗДИ' №
4 -
О
7 1 я - су 1^,1111 1 ОЛИ КИ Н-Ммрок хсн
6- флогоп ИТ 2 •
ст ■к г-- •
/
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
1111 7 V * ■ уегано»ка «|«|р на ртеро 1111
о о 1 - уста 1КЩКЭ срс-и ни илссни стъ
6 1
А ч: 7
4 5 \ X
• Я
2 3 4 5 6 7 й, усл, мм
Рис. 5. Поле значений коэффициентов трения скольжения в движении сырьевых материалов, развернутых по условным диаметрам
2 3 4 5 6 7 й, усл, мм
Рис. 6. Поле значений коэффициентов трения скольжения в движении вспученных материалов, развернутых по условным диаметрам
Далее определялся tga, угол наклона поверхности а и коэффициент трения скольжения в движении:
/ = tga.
В таблицах выборочно приведены результаты опытов и расчетов.
Приведенный в них массив данных не дает возможности увидеть некоторые закономерности, проявляющиеся в графических иллюстрациях. На рис. 5 показано поле значений коэффициентов трения скольжения в движении / сырьевых материалов, развернутых по размерам условных диаметров частиц йусл, рассчитанных по формуле для плоских частиц (вермикулит, флогопит):
¿уа = \1а1'а2-
На рис. 6 — поле значений коэффициентов трения скольжения в движении f вспученных материалов, развернутых по размерам условных диаметров зерен йусл, определенных по формуле для объемных частиц (сунгу-лит, пироксен, оливин):
¿уа1 - а
2 ' аЪ '
где а1, а2 и а3 — произвольные размеры частиц в двух или трех направлениях.
На рис. 5 линия 1—2 (кокшаровские концентраты) и линия 3—4 (ковдорские концентраты) показывают тенденцию к увеличению коэффициента трения для относительно мелких частиц. Хотя изменение незначительно, следует иметь в виду, что это обстоятельство потребует корректировки режима колебаний вибрационной подовой платформы печи.
Кроме того, из рис. 5 видно, что коэффициенты трения частиц вермикулита-сырца заметно отличаются для концентратов различных месторождений. Так, минимальным трением обладают частицы кокшаровского концентрата, а максимальным — частицы концентрата Татарского месторождения (точка 5). Промежуточное положение занимают ковдорские концентраты.
Точка 6 на рис. 5 соответствует флогопитовым частицам Ковдорского месторождения. Наименьшим трением отличаются частицы сунгулита и пироксен-оливиновой фазы, точки 7 и 8 на рис. 5.
Аналогичные тенденции проявляют вспученные зерна вермикулитов различных месторождений, рис. 6, но здесь на коэффициент трения оказывает влияние их положение на поверхности. Круглыми точками обозначены зерна, положенные на плоскость, когда их слои парал-
лельны наклонной плоскости, а треугольниками обозначены зерна поставленные на ребро.
Линия 1—2 на рис. 6 показывает увеличение коэффициента трения для относительно мелких зерен кокша-ровского вермикулита, установленных на ребро. Ту же тенденцию мы видим и для зерен, положенных на плоскость, линия 3—4. Но зерна, положенные на плоскость, отличаются несколько меньшим трением.
Линия 5—6 показывает тенденцию к увеличению коэффициента трения для относительно мелких зерен Татарского вермикулита, поставленных на ребро. Непарными точками 7 и 8 обозначены зерна ковдорского вермикулита, а точкой 9 — татарского вермикулита.
Во вспученном состоянии расхождение в коэффициентах трения для зерен Вермикулитов различных месторождений становится меньше.
Заключение.
Эксперименты производились на холодной поверхности, так как провести их на раскаленном до 500—600оС металлическом листе не представлялось возможным. Вполне вероятно, что высокая температура несколько изменит трение, поэтому окончательные результаты дадут эксперименты на работающей печи.
Тем не менее имеющиеся данные будут использоваться при моделировании движения сыпучих массивов термооб-рабатываемых материалов по поверхности вибрационной подовой платформы печи, что позволит получить алгоритм воздействия на параметры ее колебаний для управления скоростью движения потока и в конечном итоге — для управления производительностью печного агрегата.
Список литературы
1. Афанасьев Б.В. Минеральные ресурсы щелочно-ультраосновных массивов Кольского полуострова. СПб: Изд-во «Роза ветров». 2011. 224 с.
2. Ахтямов Р.Я. Вермикулит — сырье для производства огнеупорных теплоизоляционных материалов // Огнеупоры и техническая керамика. 2009. № 1—2. С. 59-64.
3. Попов Н.А. Производство и применение вермикулита М.: Стройиздат, 1964. 128 с.
4. Нижегородов А.И. Технологии и оборудование для переработки вермикулита: оптимальное фракционирование, электрический обжиг, дообогащение. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. 172 с.
5. Кременецкая И.П., Беляевский А.Т. Аморфизация серпентиновых минералов в технологии получения
научно-технический и производственный журнал Й/уу\\(Х 66 ноябрь 2016
магнезиально-силикатного реагента для иммобилизации тяжелых металлов // Химия в интересах устойчивого развития. 2010. № 1. С.41—49.
6. Терещенко С.В. Направления комплексного использования отходов добычи флогопита. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Горный институт Кольского научного центра РАН. Апатиты. СПб.: Реноме. 2014. С. 272-279.
7. Ахтямов Я.А., Бобров В.С. Обжиг вермикулита. М.: Стройиздат, 1973. 54 с.
8. Вибрации в технике: Справочник: В 6-ти т. М.: Машиностроение. Т. 4. Вибрационные процессы и машины / Под ред. Э.Э. Лавендела, 1981. 509 с.
9. Нижегородов А.И. Третье поколение электрических модульно-спусковых печей для обжига вермикули-товых концентратов серии ПЭМС // Строительные материалы. 2008. № 11. С. 84-85.
10. Генералов М.Б. Механика твердых дисперсных сред в процессах химической технологии. Калуга: Изд-во Бочкаревой, 2002. 592 с.
References
1. Afanas'ev B.V. Mineral'nye resursy shchelochno-ul'traosnovnykh massivov Kol'skogo poluostrova [Mineral Resources of the Ultrabasic-Alkaline Massifs of the Kola Peninsula]. St. Petersburg: Roza Vetrov, 2011. 224 p.
2. Akhtyamov R.Ya. Vermiculite Is a Raw Material to Produce Fireproof and Heat-Insulating Material. Ogneupory i tekhnicheskaya keramika. 2009. No. 1-2, рр. 59-64.(In Russian).
3. Popov N.A. Proizvodstvo i primenenie vermikulita [ Production and Applications of Vermiculite]. Moscow: Stroiizdat. 1964. 128 p.
4. Nizhegorodov A.I. Tekhnologii i oborudovanie dlya per-erabotki vermikulita: optimal'noe fraktsionirovanie, elek-tricheskii obzhig, doobogashchenie.[Technologies and Equipment for Processing Vermiculite: Optimum Granulation, Electric Firing, Additional Enrichment]. Irkutsk: ISTU. 2011. 172 p.
5. Kremenetskaya I.P., Belyaevskii A.T. Amorphization of Serpentines Used to Produce Magnesia Silicate Agent for High-Density Metal Immobilization. Khimiya v intere-sakh ustoichivogo razvitiya. 2010. No. 1, pp. 41—49. (In Russian).
6. Tereshchenko S.V. Napravleniya kompleksnogo ispol'zovaniya otkhodov dobychi flogopita [Tendency of Multipurpose Use of Phlogopite Extraction Waste. Materials of All-Russian scientific and technical conference]. Miming institute of Kola Science Center of Russian Academy of Sciences. — Apatity. St. Petersburg: Renome. 2014, pp. 272-279.
7. Akhtyamov Ya.A., Bobrov V.S. Obzhig vermikulita [Technology of Vermiculite Calcination]. Moscow: Stroiizdat. 1973. 54 p.
8. Vibrations in Engineering. Handbook in 6 Volumes. Moscow: Engineering. 4 V. Vibration Processes and Machine, Lavendelis, E.E., Ed., 1981. 509 p.
9. Nizhegorodov A.I. The Third Generation of Electric Kilns with Module Release Used to Burn Vermiculite Concentrates a Series of RAW. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2008. No. 11, pp. 84-85. (In Russian).
10. Generalov M.B. Mekhanika tverdykh dispersnykh sred v protsessakh khimicheskoi tekhnologii [Mechanics of Solid Dispersive Mediums in the Chemical Process Engineering]. Kaluga: Bochkarev publishing house. 2002. 592 p.
_HZZPMAmZ
Научно-техническое совещание «Применение керамзита и керамзитобетонных изделий и конструкций в жилищно-гражданском, промышленном и дорожном строительстве»
28-29 сентября 2016 г. в Самаре состоялось научно-техническое совещание «Применение керамзита и керамзитобетонных изделий и конструкций в жилищно-гражданском, промышленном и дорожном строительстве», организованное Некоммерческой организацией «Союз производителей керамзита и керамзитобетона» (НО «СПКиК).
Участники совещания - ученые, производственники, машиностроители и потребители, всесторонне обсудили актуальные проблемы производства и применения керамзита и керамзитобетона в строительстве, как долговечных, энергоэффективных, пожаробезопасных, экологически чистых, надежных в эксплуатации и доступных строительных материалов и изделий в свете реализации решений заседания Госсовета РФ по вопросам развития строительного комплекса и совершенствования градостроительной деятельности и концепций «Стратегии инновационного развития строительной отрасли на период до 2030 года» и «Стратегия развития промышленности строительных материалов Российской Федерации на период до 2030 года».
Важным направлением расширения применения керамзита признано дорожное строительство, этому вопросу были посвящены доклады
В.М. Горина, канд. техн. наук, председателя Совета НО «СПКиК», генерального директора АО «НИИКерамзит»; М.К. Кабановой, канд. техн. наук, ведущего научного сотрудника АО «НИИКерамзит» (Самара); А.З. Вибе, руководителя направления ООО «Русское техническое общество» (Москва).
С предложениями о поставке технологического оборудования выступили руководители машиностроительных предприятий: В.Л. Уткин, президент НПЦ «Стройтех» (Москва); В.В. Петрин, зам. генерального директора ЗАО ТД «Строммашина» (Самара), В.В. Чуб, главный конструктор агломерационного оборудования АО «Машиностроительный концерн ОРМЕТО-ЮУМЗ» (Оренбургская обл.).
Об опыте применения керамзита и керамзитобетона в строительстве рассказали руководители керамзитовых заводов и строительных организаций.
По результатам работы участники научно-технического совещания приняли Решение, в котором изложены рекомендации по выводу производства керамзита на новый качественный уровень и расширении сфер его эффективного применения, которые будут направлены в Минстрой РФ, Минпромторг РФ, ГК «Автодор», ОАО «Новатэк» и др. оргганизации.
■Ü wy. : s ^ ; ];■' научно-технический и производственный журнал
® ноябрь 2016 67~
