Формирование массива дисперсного материала, содержащего слои разной плотности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 624.138.22

DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-161-166

ФОРМИРОВАНИЕ МАССИВА ДИСПЕРСНОГО МАТЕРИАЛА, СОДЕРЖАЩЕГО СЛОИ РАЗНОЙ ПЛОТНОСТИ

Алексей Васильевич Морозов

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, научный сотрудник лаборатории вибротехники, тел. (383)205-30-30, доп. 169, e-mail: alex02@ngs.ru

Людмила Ивановна Гендлина

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории вибротехники, тел. (383)205-30-30, доп. 317, e-mail: gen@misd.ru

Самуил Яковлевич Левенсон

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, зав. лабораторией вибротехники, тел. (383)205-30-30, доп. 312, e-mail: lev@misd.ru

Владимир Михайлович Усольцев

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, научный сотрудник лаборатории вибротехники, тел (383)205-30-30, доп. 168, e-mail: vovchik_big@list.ru

Представлено техническое решение, позволяющее формировать в уплотняемом массиве сыпучего материала слои разной плотности за один цикл воздействия уплотняющего оборудования. Оценено влияние параметров разделяющей поверхности на плотность слоев. Установлено, что волны отражения от поверхности способствует увеличению плотности компакта над ней.

Ключевые слова: дисперсный материал, вибровозбудитель, режим вибровоздействия, уплотнение, затухание колебаний, разделяющая поверхность, виброскорость.

FORMATION OF DISPERSED MATERIAL MASS CONTAINING LAYERS OF VARIOUS DENSITIES

Aleksey V. Morozov

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Researcher, Vibration Equipment Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 169, e-mail: alex02@ngs.ru

Lyudmila I. Gendlina

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Senior Researcher, Vibration Equipment Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 317, e-mail: gen@misd.ru

Samuil Ya. Levenson

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Head of Vibration Equipment Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 312, e-mail: lev@misd.ru

Vladimir M. Usol'tsev

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Researcher, Vibration Equipment Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 168, e-mail: vovchik_big@list.ru

A technical solution is presented making it possible to form layers of different densities in a compacted mass of loose material in one cycle of action of the sealing equipment. The influence of the separation surface parameters on the layers density is estimated. It is established that the reflection wave from the surface contributes to an increase in the density of the compact above it.

Key words: dispersed material, vibration exciter, vibration mode, compaction, vibration damping, separation surface, vibration velocity.

Уплотнение - одна из важнейших операций технологических процессов в металлургии, горной и строительной отраслях промышленности [1, 2]. Этой операции уделяется особое внимание, так как от качества уплотнения зависит конечный результат, что является особенно важным на фоне повышения цен на все виды сырья, увеличении стоимости энергоресурсов и готовой продукции.

Используемые для уплотнения машины и механизмы разнообразны как по своему конструктивному исполнению, так и по принципу воздействия на обрабатываемый массив. Постоянно совершенствуются их конструктивные схемы, усложняются режимы воздействия на материал. Однако оборудование, изготавливаемое разными фирмами, в своей основе содержит однотипные конструктивные схемы и обладает близкими параметрами [1-3].

Результаты исследований многих авторов показывают, что среди большого разнообразия существующих методов уплотнения вибрационный является достаточно эффективным и сравнительно легко осуществимым [1, 3, 4]. Вибрация влияет на поведение уплотняемого материала, а проявляющиеся при ее воздействии реологические эффекты приводят к изменению сил трения и сцепления между частицами материала и снижают сопротивление его деформированию.

В Институте горного дела СО РАН разработан способ уплотнения дисперсных и порошковых материалов в замкнутом объеме с использованием вибрации, новизна которого защищена патентами [5, 6], проводятся исследования по определению влияния внешних вибрационных нагрузок на процесс уплотнения.

Несмотря на многообразие существующих технических средств для уплотнения сыпучих материалов получить высокую плотность без серьезных энергетических затрат не удается. Необходимы как новые подходы к решению этой проблемы, так и поиск путей совершенствования существующих методов уплотнения сыпучих сред, позволяющих улучшить технологические показатели процесса без серьезного увеличения энергопотребления.

При уплотнении слоев материала небольшой толщины в стесненных условиях поверхности, ограничивающие уплотняемый массив, могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на процесс уплотнения.

Некоторые технологические процессы включают в себя операции по формированию слоев материала разного функционального назначения (например, теп-

лоизоляционного и огнеупорного) и, как правило, разной плотности. Получение таких слоев за один проход уплотняющего оборудования позволило бы уменьшить затраты и увеличить производительность работ при их формировании, что является особо актуальным при постоянно растущей стоимости ресурсов.

Цель исследований заключалась в экспериментальном определении влияния волн отражения от поверхностей, ограничивающих заполняемый объем, на процесс вибрационного уплотнения дисперсного материала, а также в поиске решения, позволяющего осуществлять формирование слоев разной плотности.

Экспериментальные исследования выполнялись на стенде, представленном на рис. 1.

4 3 1

5

8

7

6

Рис. 1. Схема стенда:

1 - вибрационный рабочий орган; 2 - емкость; 3 - рамка; 4 - направляющая втулка; 5 - стержень; 6, 7 - упругий лист; 8 - пьезодатчики

2

Стенд (см. рис. 1) включает рабочий орган 1, выполненный в виде металлической плиты с установленным на ней вибровозбудителем, и емкость 2 прямоугольного сечения 500 х 500 мм. Для обеспечения вертикального перемещения рабочего органа в процессе уплотнения материала на нем установлена рамка 3 с направляющими втулками 4, которые скользят по стержням 5 в направлении действия вынуждающей силы. В качестве исследуемого материала использовалась сухая барьерная смесь (СБС). Высота слоя материала в емкости изменялась от 100 до 400 мм.

Ограничивающая поверхность представляла собой упругий лист 6 (см.

л

рис. 1), жесткость которого изменялась от 0,2 до 1 100 Нм . Он изготавливался из материалов, которые обладали разной поглощающей и отражающей способ-

ностью. Упругий лист укладывался на дно емкости или размещался посередине массива уплотняемого материала (см. рис. 1 позиция 7). Во втором случае он разделял материал на две части и являлся ограничивающим элементом для одной части материала снизу, а для другой - сверху.

Параметры колебаний рабочего органа и локальных участков уплотняемого материала измерялись с помощью пьезоэлектрических акселерометров 8, один из которых располагался на рабочем органе, а два других в материале на расстоянии от дневной поверхности столба засыпаемого материала, равном 0,5 и 0,8 его высоты. Сигнал с датчиков подавался на персональный компьютер через усилители заряда типа 2635 (фирма Брюль и Къер, Дания) и аналого-цифровой преобразователь Е-440 (ЗАО Л-Кард, Россия). Сбор информации и последующая ее обработка осуществлялись с помощью «Программного комплекса автоматизации экспериментальных и технологических установок ACTest©».

В качестве измеряемого параметра была принята вибрационная скорость колебаний.

Исследуемый диапазон частот вибровоздействия был выбран в пределах от 35 до 40 Гц, так как согласно исследованиям, выполненным в предшествующие годы, в этом интервале частот процесс формирования уплотненного массива происходит наиболее эффективно.

Плотность получаемого уплотненного массива материала оценивалась по изменению его объема.

Экспериментально установлено, что затухание колебаний в материале по глубине при прочих равных условиях зависит от параметров отражающей поверхности (рис. 2). Как следует из графиков в средних слоях материала происходит увеличение амплитуды колебаний, при этом возрастает скорость процесса перераспределения частиц материала с образованием равномерно уплотненного массива по всей высоте слоя.

V, м/с 0,23

Рис. 2. Изменение виброскорости в уплотняемом материале по глубине:

1 - металлическое основание жесткостью 1 100 Н м ; 2 - резиновое основание же-

2

сткостью 0,2 Нм

Установлено, что при повышении жесткости отражающей поверхности амплитуда колебаний в средних слоях материала (табл. 1) увеличивается, что способствуют эффективному формированию компакта материала. Кроме этого следует отметить, что поверхность, выполненная из металлического листа, обеспечивает не только отражение волн, но и может работать как источник колебаний, оказывая дополнительное воздействие на уплотняемый материал.

Таблица 1

Основание (жесткость) Металл (1 100 Н-м2) Резина большой жесткости (2,7 Н-м2) Резина средней жесткости (1,3 Н-м2) Резина малой жесткости (0,2 Н-м2)

а 1,14 1,07 0,94 0,85

Для оценки затухания колебаний в глубь материала был принят безразмерный коэффициент а, представляющий отношение виброскорости в среднем слое материала к виброскорости у виброисточника. Как видно из табл. 1, с увеличением жесткости упругого листа в рассмотренном интервале коэффициент а возрастает, что приводит к повышению плотности материала не только в этом, но и в нижележащих слоях.

Размещение отражающей поверхности внутри массива уплотняемого материала делит его на два слоя. При этом было установлено, что вибрация, проникая через сыпучий материал, отражается от поверхности и способствует увеличению плотности компакта над ней, а материал под ней имеет меньшую плотность (табл. 2).

Таблица 2

Зависимость плотности сыпучего материала от расположения упругого листа с разной жесткостью

Плотность материала р, кг/м3

Металл (1 100 Н-м2) Резина малой жесткости (0,2Н-м )

Расположение упруго листа Середина емкости Над листом 2 040 1 830

Под листом 1 890 1 732

Результаты исследования были использованы и подтверждены при уплотнении дисперсных материалов в катодном устройстве алюминиевого электролизера, где было выполнено уплотнение неформованных футеровочных материалов с использованием ограничивающего элемента, разделяющего уплотняемый массив на два различных по назначению слоя. По технологии после уплотнения верхний огнеупорный слой должен иметь более высокую плотность, а нижний теплоизоляционный слой - меньшую.

В ходе испытаний была выполнена засыпка материала, как с использованием ограничивающего элемента, так и без него. Насыпная плотность нижнего

Л -5

слоя составила 550 ... 580 кг/м , а верхнего - 1 600 ... 1 650 кг/м . При проведении испытаний установлено, что уплотнении массива без ограничивающего элемента осадка верхнего и нижнего слоев составила 22 и 47 мм соответственно. При использовании ограничивающего элемента, разделяющего массив, осадка верхнего слоя увеличилась почти в два раза (с 22 до 39 мм), а осадка нижнего слоя уменьшилась с 47 до 26 мм.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Захаренко А. В. Теоретические и экспериментальные исследования процессов уплотнения катками грунтов и асфальтобетонных смесей : дис. ... д-ра техн. наук: 05.05.04 Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия. - Омск, 2005. - 320 с.

2. Бауман В. А., Быховский И. И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. - М. : Высшая школа, 1977. - 255 с.

3. Зубкин В. Е., Коновалов В. М., Королев Н. Е. Способ нагнетающей укатки и классические дорожные катки // Строительные и дорожные машины. - 2001. - № 3. - С. 12-15.

4. Неформованные огнеупоры : справочное издание : в 2 т. Т. 1. Книга 1. Общие вопросы технологии / Ю. Е. Пивинский. - М. : Теплоэнергетик, 2004. - 448 с.

5. Патент РФ 2296819. МПК8 С 25 С 3/06, С 25 С 3/08. Способ формирования бесшовных футеровочных слоев в алюминиевых электролизерах и устройство для его осуществления / Прошкин А. В., Пингин В. В., Тимофеев В. С., Левенсон С. Я., Гендлина Л. И., Еременко Ю. И., Голдобин В. А. № 20051266100/02 ; заявл. 17.08.2005 ; опубл.10.04.2007, Бюл. № 10.

6. Патент РФ № 2553145. МПК8 С 25 С 3/08. Способ футеровки катодного устройства электролизера неформованными материалами и устройство для его осуществления / Прош-кин А. В., Левенсон С. Я., Пингин В. В., Морозов А. В. - БИ № 16 от 10 июня 2015 г.

© А. В. Морозов, Л. И. Гендлина, С. Я. Левенсон, В. М. Усольцев, 2018