CC BY
15alexx [email protected] Синица Е.В., аспирант, Севастьянов B.C., д.т.н., проф.,
Уральский В.И., к.т.н., доц., Бухало А.Б., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
МАЛОТОННАЖНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС И АГРЕГАТЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АКТИВИРОВАННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В статье рассмотрен технологический комплекс с организацией постадийного измельчения материалов с различными физико-механическими свойствами при производстве активированных композиционных материалов.
Основополагающими технологическими процессами многих отраслей промышленности строительных материалов (цементной, стекольной, керамической, огнеупорной и др.) являются: тонкое и сверхтонкое измельчение материалов с различными физико-механическими свойствами и минералогическим составом, гомогенизация композиционных смесей, полусухое или пластическое формование материалов в компактные тела заданной геометрической формы и размеров и др. Особое значение данные процессы имеют на современном этапе интенсивного развития малотоннажных технологических комплексов (МТК) и научно-технического предпринимательства (производство сухих строительных смесей, высокодисперсных микронаполнителей, механо-активированных композиционных смесей из природных и техногенных материалов, а также высокоэффективных теплоизоляционных материалов и изделий). Применение механоактивацион-ных технологий является перспективным направлением для получения строительных материалов высокого качества с необходимыми эксплуатационными характеристиками.
Механоактивация общестроительных и декоративных цементов [1] позволяет увеличить рабочую поверхность цементов и скорость их растворения в 3-4 раза. Кинетика твердения цементного камня позволяет производить строительные работы и выпускать изделия без принудительной тепловлажностной обработки за счет быстрого нарастания прочности (за 1 сутки - 50 %, за 3 суток - 70%, за 7 суток - 90 % от марочной прочности на сжатие). Водопотребность цемента снижается почти вдвое до значения нормальной густоты 17-18 %. Увеличивается исходная марочная прочность цемента в 1,75 раза. Упрощается процесс уплотнения и гидратации цементного теста при комнатной температуре. Изучено влияние на гид-
ратацию портландцемента размера частиц доменного шлака и других минеральных добавок. Установлено, что более мелкие частицы минеральных добавок реагируют быстрее и способствуют достижению большей прочности.
Кварцевый песок, как наиболее распространенный природный материал, считающийся инертной добавкой, при тонком измельчении приобретает химическую активность и вяжущие свойства. Механоак-тивация кварцевого песка [2] позволяет значительно повысить его структурообразующую роль. На месте выхода дислокаций на поверхности кристаллов кварцевого песка идет закрепление зародышей новообразований продуктов гидратации цемента за счет увеличения рабочей поверхности в 2-3 раза. При этом повышается химическая активность песка при нормальных условиях.
Механоактивация функциональных добавок различного назначения [2, 3] позволяет увеличить их рабочую поверхность в несколько раз, повысить их химическую активность настолько, что показатели качества сухих строительных смесей улучшаются на 15% по сравнению со смесями на импортных добавках аналогичного назначения. Наибольший экономический и технический эффекты достигаются в случае применения механоак-тивации в технологии получения полифункциональной комплексной добавки, состоящей из двух и более механоактивированных добавок различных классов.
Механоактивация неорганических и (или) органических цветоносителей и их смесей [4], входящих в состав смеси с прозрачными минералами, открывает новую страницу в технологии получения дешевых пигментов для строительной индустрии и развития производства декоративных материалов, в том числе сухих смесей, с применением механоактивированных пигментов.
Рнс. 1 Схема технологического комплекса для механоактмвацмм природных н техногенных материалов 1- приемный бункер сыпучих материалов; 2,13 - элеватор; 3 - распределительное устройство; 4 - бункер исходного материала; 5 - ячейковый питатель; 6,8,15,20 - шнековый конвейер; 7 - барабанно-винтовой СВЧ-сушильный агрегат; 9,14 - приемный бункер; 10 - пресс-валковый измельчитель; 11 - просеивающее устройство; 12 - ленточный питатель; 16 - центробежный помольно-смеснтельный агрегат; 17 - трубопровод сжатого воздуха; 18 - турбо-вихревой сепаратор; 19 - вихре-акустнческий днспергатор;
21 - весовой дозатор.
Для получения высокодисперсных порошков необходимо осуществлять комплексный подход при создании техники и технологии предизмельчения материалов, заключающийся в следующих технологических процессах [5]:
- организация постадийных процессов измельчения с реализацией объемно-сдвигового деформирования материала и обеспечения его микродефектной структуры на каждой стадии;
- осуществление внутреннего или внешнего рецикла измельченных материалов;
- использование эффективных методов воздействия на микродеформированные частицы (ультразвуковое, гидродинамическое, СВЧ воздействие и др.).
Поэтому задача рациональной организации малотоннажного технологического комплекса (МТК) и оборудования является весьма актуальной.
Основными требованиями, предъявляемыми к МТК, являются: высокая эффективность составляющих агрегатов и качество готового продукта, незначительные удельные энергозатраты, компактность и невысокая металлоемкость оборудования.
На рис. 1 представлена схема малотоннажного энергосберегающего технологического комплекса. Основное оборудование, входящее в комплекс, защищено патентами [6-9].
Малотоннажный технологический комплекс состоит из основных технологических блоков:
- прием и дозирование исходных материалов;
- сушка;
- предварительное разрушение материалов;
- тонкое и сверхтонкое измельчение;
- классификация тонкоизмельченных материалов;
- упаковка и складирование.
Технологический комплекс работает следующим
образом: исходный материал порционно доставляется в приемный бункер сырьевых компонентов 1, откуда элеватором 2 по распределительным узлам 3 попадает в бункера компонентов 4. Каждый бункер разделен на две части. Через ячейковый питатель 5 и шнековый конвейер 6 материал подается в приемный бункер 9, из которого попадает в пресс-валковый измельчитель 10 (при необходимости ма-
Рис. 2. Опытно-промышленный образец ЦПСА
териал проходит сушку в барабанно-винтовом сушильном агрегате 7). В пресс-валковом измельчителе происходит предварительное разрушение материала (создание микродефектной структуры частиц материала). Далее материал проходит через просеивающее устройство 11, затем ленточным питателем 12 и элеватором 13 подается в приемный бункер 14, откуда шнековым конвейером 15 направляется в центробежный помольно-смесительный агрегат 16, в котором осуществляется тонкое измельчение. На выходе из помольно-смесительного агрегата измельченный материал поступает в трубопровод 17, где подхватывается потоком сжатого воздуха и направляется в турбо-вихревой сепаратор (ТВС) 18, где происходит разделение тонкоизмель-ченного материала на фракции. Крупная фракция возвращается на доизмельчение в центробежный по-мольно-смесительный агрегат 16, а мелкая фракция направляется в вихре-акустический диспергатор (ВАД) 19, в котором происходит сверхтонкое диспергирование материала. Готовый продукт шнековым конвейером 20 подается в весовой дозатор 21 и далее на упаковку.
Основным измельчителем в данном комплексе является центробежный помольно - смесительный агрегат ЦПСА) [9,10]. Общий вид опытно - промышленного образца ЦПСА для МТК представлен на рис. 2.
Таблица 1
Результаты опытно-промышленных испытаний
№ п/п Наименование материала пви ЦПСА ВАД
Q, кг/ч х103 S, м2/кг q> кВтч/т Q, кг/ч S, м2/кг q> кВтч/т Q, кг/ч S, м2/кг q> кг/кг
1 кварцитопесчаник до 2 - 3 100 710 11 35 1890 0,7
2 песок до 2 - 3 100 750 11 35 1800 0,7
3 портландцемент до 2 - - 100 630 11 35 1750 0,7
Таблица 2
Сравнительные характеристики вяжущих
Вяжущее Тонкость помола НГ Сроки схватывания, мин Прочность
на изгиб (суг.) на сжатие (сут.)
начало конец 3 28 ТВО (1 сут.) 3 28 ТВО (1 сут.)
Проход через сито №008, % Удельная поверхность, м2/кг
ВНВ-100 МеШих 97,9 623 21,1 23 76 7,3 8,6 6,5 49,4 63,8 54,9
ВНВ-100 Ме1теП; 97,1 620 21,2 25 80 7,1 7,9 6,1 44,1 63,1 51,4
ТМЦ-100 97,3 510 25,8 30 78 6,5 8,3 6,0 38,2 57,4 48,7
ЦЕМ I 42,5 Н 91,1 310 24,7 67 167 5,3 8,3 5,7 34,2 53,5 39,4
Помольно - смесительный агрегат работает следующим образом.
Исходный материал через загрузочный патрубок поступает в верхнюю помольную камеру, перемещение которой осуществляется в вертикальном направлении. В результате этого мелющим телам сообщается высокая энергия, способствующая их интенсивному ударному воздействию на материал. Продольное перемещение материала внутри помольной камеры обеспечивается за счет подпора загружаемым материалом, в результате чего переработанный материал поступает во вторую помольную камеру, внутри которой расположены мелющие тела. Во второй помольной камере материал вместе с мелющими телами осуществляет движение по эллипсовидной траектории. Далее материал поступает в третью помольную камеру, снабженную соответствующими мелющими телами. В третьей помольной камере материал вместе с мелющими телами перемещается по круговой траектории. Выход материала из нижней помольной камеры происходит через разгрузочный патрубок.
Использование предлагаемого агрегата позволяет сократить на 15 - 20 % энергозатраты на измельчение и расширить область применения мельницы при помоле материалов, обладающих различными физико-механическими свойствами.
В отличие от существующих помольных агрега-
тов подобного типа разработанный нами ЦПСА позволяет:
• воздействовать на траекторию движения мелющих тел, соответственно, на характер динамического разрушения измельчаемых материалов по длине мельнице в зависимости от крупности материала;
• исключить застойные зоны в мелющей загрузке, а следовательно, за счет включения в работу «бездействующих» ранее мелющих тел уменьшить их массу на 15-20%;
• за счет повышения эффективности воздействия мелющей среды на измельчаемый материал повысить производительность агрегата, а следовательно, при меньшей потребляемой мощности - уменьшить удельный расход электроэнергии (на 15-20 %).
Разработанный малотоннажный технологический комплекс может быть использован не только в различных отраслях промышленности строительных материалов (цементной, керамической, огнеупорной и др.), но и в смежных отраслях промышленности (горнодобывающей, химической, энергетической, топливной и др.).
Были проведены исследования по измельчению наиболее используемых сырьевых компонентов при производстве строительных материалов: портландцемента и различных генетических типов кварцевых пород (кварцитопесчаника зеленосланцевой фации метаморфизма и песка осадочных пород). По результатам проведенных испытаний процесса измельчения получены следующие показатели (табл.1).
С использованием МТК было получено модифицированное вяжущее, которое применялось в составе теплоизоляционного пеногазобетона, образец изделия из которого представлен на рис. 3.
Рис. 3. Образец теплоизоляционного пеногазобетона на основе модифицированного вяжущего
Проведенный анализ показал, что по сравнению с теплоизоляционным пеногазобетоном на портландцементе (ЦЕМ I 42,5 Н) (рис. 4) на образцах с применением модифицированного вяжущего получена оптимальная поровая структура, образцы не подвержены усадочным деформациям. При использовании такого вяжущего значительно сокращаются сроки схватывания, уменьшается водопотребность и повышаются прочностные характеристики.
Рис. 4. Образец теплоизоляционного пеногазобетона на основе портландцемента (ЦЕМ I 42,5 Н)
В таблице 2 приведены сравнительные характеристики полученного модифицированного вяжущего, которые подтверждают сделанные выводы о значительном улучшении технологических свойств изделий.
Представленные в данной работе результаты научных исследований показывают эффективность создания малотоннажного технологического комплекса для реализации процессов механоактивации природных и техногенных материалов, получения из них композиционных смесей различного технологичес-
кого назначения, утилизации техногенных материалов промышленных производств, получения пори-зованных теплоизоляционных материалов и изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузьмина, В. П. Механоактивация цементов / В. П. Кузьмина // Строительные материалы. -2006. - № 5. - С. 7-9.
2. Кузьмина, В.П. Механохимическая активация полупродуктов для сухих строительных смесей / В. П. Кузьмина // Современные технологии строительной химии: Сб. докладов. - Киев, 2005. - С. 84-88.
3. Авакумов, Е.Г. Механические методы активации химических процессов / Е.Г. Авакумов. - Новосибирск: Наука, 1986. - С.88-89.
4. Кузьмина, В.П. Механоактивация добавок для ССС / В. П. Кузьмина // Популярное бетоноведение. - 2007. - № 2. - С. 18-20.
5. Гридчин, А.М. Технологический комплекс для производства активированных композиционных смесей и сформованных материалов/ А.М. Гридчин, В. С. Севостьянов, В. С. Лесовик , М. В. Севостьянов // Строительные материалы, 2004. - №9 - С.34-36.
6. Пат. 2116129 Российская Федерация, В 02С 17/18. Пресс-валковый измельчитель /Севостьянов В.С., Ханин С.И., Колесников С.Л., Долгий С.А. ; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова, опубл. 1998, Бюл. №21.
7. Пат. 2226432 Российская Федерация, В 02С 17/18. Вихре-акустический диспергатор / Севостьянов В.С., Лесовик В.С., Перелыгин Д.Н., Горлов А.С. Нечаев С.П.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова, опубл. 10.04.04, Бюл. №10.
8. Пат. 2250138 Российская Федерация, В 02С 17/18. Вихре-акустический диспергатор / Севостьянов В.С., Лесовик В.С., Перелыгин Д.Н., Горлов А.С.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова, опубл. 20.04.05, Бюл. №11.
9. Пат. 2277973 Российская Федерация, В 02С 17/18. По-мольно-смесительный агрегат / Гридчин А.М., Севостьянов В.С., Лесовик В.С., Уральский В.И., Синица Е.В.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова, опубл. 20.06.06, Бюл. №17.
10. Уральский, А.В. Технологические модули для комплексного измельчения материалов / А.В. Уральский, А.В. Колесников, Д. Н. Перелыгин, Е.В. Синица. // Вестник БГТУ им.
B.Г. Шухова: научно-теоретический журнал, 2007. - № 3.
C. 10-11.
