Особенности процесса уплотнения связного материала в замкнутом объеме Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 624.138.22

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА УПЛОТНЕНИЯ СВЯЗНОГО МАТЕРИАЛА В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ

Самуил Яковлевич Левенсон

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, заведующий лабораторией вибротехники, тел. (383)217-06-76, e-mail: lev@misd.nsc.ru

Людмила Ивановна Гендлина

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории вибротехники, тел. (383)217-06-12, e-mail: gen@misd.nsc.ru

Алексей Васильевич Морозов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, научный сотрудник лаборатории вибротехники, тел. (383)217-05-19, e-mail: alex02@ngs.ru

Михаил Александрович Ланцевич

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории вибротехники, тел.(383)220-14-98

Рассмотрены проблемы, связанные с созданием техники для уплотнения дисперсных материалов. Представлены некоторые результаты исследования процесса вибрационного уплотнения связных материалов. Показано влияние режимов вибровоздействия на плотность формуемого материала.

Ключевые слова: эксперимент, связный материал, вибровозбудитель, вибрация, режим вибровоздействия, уплотнение.

FEATURES OF COHERENT MATERIAL COMPACTION IN CLOSED SPACE

Samuil Ya. Levenson

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, Head of Vibration Equipment Laboratory, tel. (383)217-06-76, e-mail: lev@misd.nsc.ru

Lyudmila I. Gendlina

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, Senior Researcher, Vibration Equipment Laboratory, tel.(383)217-06-12, e-mail: gen@misd.nsc.ru

Aleksey V. Morozov

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Researcher, Vibration Equipment Laboratory, tel. (383)217-05-19, e-mail: alex02@ngs.ru

Mikhail A. Lantsevich

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, Senior Researcher, Vibration Equipment Laboratory, tel. (383)220-14-98

The authors discuss issues relating design of compaction equipment for dispersion materials. Some findings of the research into vibration compaction of coherent materials are reported. The influence of vibration modes on the material density is demonstrated.

Key words: experiment, coherent material, vibration generator, vibration, vibration mode, compaction.

Уплотнение является одной из важнейших операций технологических процессов, использующихся в металлургии, горной и строительной отраслях промышленности [1], так как от плотности упаковки зависит прочность и работоспособность всей конструкции или изделия. Развитие экономики на современном этапе предполагает снижение энергетических затрат, рациональное и эффективное использование всех видов ресурсов. В частности, в настоящее время в металлургической промышленности осуществляется замена футеровок, выполненных из формованных материалов (например, кирпича), неформован-ными (сыпучими или связными). Применение в технологических процессах не-формованных материалов позволяет снизить затраты на производство, повысить долговечность и эффективность укладки благодаря отсутствию швов, пустот и т.д. [2].

К неформованным материалам относятся огнеупорные бетоны (бетонные массы и смеси), торкрет-массы, набивные и пластичные массы, мертели, сухие смеси и материалы на их основе. Наиболее востребованными среди них являются огнеупорные бетоны и торкрет-массы.

Огнеупорные бетонные смеси успешно используются как в черной, так и в цветной металлургии, например для выполнения футеровок рабочих или теплоизоляционных слоев в конструкциях тепловых агрегатов. Формуемые изделия почти всегда имеют сложную форму. Для повышения их прочности и термостойкости применяются различные армирующие элементы, а образующиеся между ними пространства должны быть заполнены без пустот уплотненным материалом.

Например, при футеровании ванн электролизеров в алюминиевой промышленности строго регламентируется влажность используемых материалов. В связи с этим применение подвижных смесей (с большим содержанием влаги) становится нежелательным, так как усложняется процесс сушки. Несоблюдение требований к выполнению этого процесса приводит к появлению пустот или трещин в футеровочных слоях, что недопустимо.

Использование связных дисперсных материалов с малым содержанием влаги позволяет исключить отмеченные недостатки, но при этом возникают сложности как при заполнении формуемого изделия смесью, так и во время уплотнения (могут оставаться пустоты).

Устройства и механизмы, используемые для укладки и последующего уплотнения связных дисперсных материалов, разнообразны по конструкции и взаимодействию исполнительного органа с обрабатываемым материалом. Однако в настоящее время отсутствуют устройства, способные обеспечить высокую плотность и исключить пустоты между армирующими элементами в конструкциях сложной пространственной формы.

В ИГД СО РАН разработан и защищен патентом РФ [3] способ уплотнения дисперсных материалов в замкнутом объеме с использованием вибрации. Проведены экспериментальные исследования процесса формования высокоплотного компакта мелкодисперсного материала этим способом. Установлены некоторые закономерности изменения плотности дисперсного материала при статическом нагружении с наложением вибрации различного частотного спектра [4].

Особенностью связных материалов является наличие существенного внутреннего сцепления, а при его уплотнении в замкнутом объеме сложной формы с армирующими элементами необходимо создать условия для уменьшения сил трения между частицами и обеспечить материалу подпор, который способствует заполнению пространств сложной формы.

Целью проводимых исследований является разработка и создание устройства, позволяющего производить укладку и уплотнение связных дисперсных материалов с малым содержанием влаги в армированных конструкциях с узкими проходными сечениями.

Для исследования процесса формирования компакта связного материала разработан и изготовлен стенд, на котором предусмотрена возможность независимого изменения амплитудно-частотных характеристик источников колебаний в диапазоне частот вибровоздействия от 35 до 100 Гц и продолжительности воздействия от 5 до 25 секунд. Изменение этих параметров в указанном диапазоне позволяет выбрать такой режим работы установки, при котором процесс формирования компакта из связного дисперсного материала протекает наиболее интенсивно.

Схема экспериментального стенда представлена на рисунке 1. Он состоит из канала 1 прямоугольного сечения с армирующими элементами 2 (различной формы), которые образуют полости с узкими проходными сечениями, и уплотняющего устройства, осуществляющего укладку и уплотнение связного материала. Рабочий орган устройства представляет собой уплотняющую площадку 3 с раструбом 4, обеспечивающим подачу материала под нее и далее в пространство между армирующими элементами и под них. Уплотнение смеси под площадкой осуществляется вибровозбудителями, установленными на раструбе. К верхней части раструба крепится подводящий канал 5 с вибровозбудителем и бункер 6 для материала. Подводящий канал обеспечивает также предварительную обработку материала (вытеснение воздуха, разжижение). Кроме этого материал, находящийся в канале, обеспечивает подпор, что способствует интенсификации процесса уплотнения.

Для визуального наблюдения за процессом формирования компакта на боковых стенках рабочего органа и канала с армирующими элементами имеются смотровые окна.

На стенде (рис. 1) реализуется процесс уплотнения в замкнутом объеме, суть которого заключается в следующем. В фиксированный момент времени часть предварительно уплотненного материала оказывается замкнутой в ограниченном пространстве. Его перемещению препятствует вновь поступающий, предварительно уплотненный материал из подводящего канала 5 (сверху), уже уплотненный материал в канале 1 (слева) и армирующие элементы, создающие сопротивление его свободному продвижению в еще не заполненное пространство (справа).

Рис. 1. Схема экспериментального стенда

Эффективность передачи вибровоздействия обрабатываемому материалу обеспечивается за счет того, что вибровозбудители раструба и подводящего канала установлены на ложных днищах 7, соединенных с корпусом при помощи упругих элементов 8, которые позволяют уменьшить нежелательное вибрирование всего рабочего органа.

В качестве связного дисперсного материала в экспериментах использовалась сухая барьерная смесь. Наличие глинистой составляющей в ее составе позволяет изменять сцепление полученного материала за счет количества добавляемой в смесь воды.

Была выполнена серия экспериментов, в процессе которых изменялись параметры вибрационного воздействия: частота, вынуждающая сила и продолжи-

тельность процесса уплотнения и оценивалось их влияние на плотность полученного компакта материала.

Эксперименты показали (рис. 2), что наиболее интенсивно процесс формирования компакта протекает при вибровоздействии силой 3,0 - 4,0 кН в частотном диапазоне 40 - 55 Гц.

Рис. 2. Зависимость плотности дисперсного материала от силы вибровоздействия частота вибровоздействия: 1 - 32 Гц; 2 - 35 Гц; 3 - 45 Гц; 4 - 50 Гц; 5 - 40 Гц;

6 - 55 Гц

1

2

3

4

5

6

Для частот с наибольшей эффективностью уплотнения (40 - 55 Гц) исследовалась зависимость плотности компакта от времени вибровоздействия.

Установлено, что плотность достигает своего постоянного значения через 18 - 20 секунд после начала вибровоздействия, что соответствует скорости перемещения рабочего органа в пределах 0,35 - 0,4 м/мин. Дальнейшее увеличение времени приводит к незначительному изменению указанного параметра. Иллюстрация этого вывода приведена на рисунке 3 для частоты 40 Гц.

Визуальное наблюдение за ходом процесса уплотнения показало, что материал под воздействием вибрации хорошо разжижается и заполняет все предоставленное ему пространство, в том числе и под армирующими элементами.

Полученные предварительные результаты показывают, что при обоснованном выборе амплитудно-частотных характеристик вибровоздействия и геометрических параметров уплотняющего рабочего органа можно обеспечить качественное формирование компакта из связного дисперсного материала с малым содержанием влаги в армированных конструкциях с узкими проходными сечениями.

р, кг/м 2200 ~1-

2100 2000

1900 -1800 -0

Рис. 3. Зависимость плотности связного дисперсного материала от продолжительности вибровоздействия: частота колебаний f = 40 Гц; вынуждающая сила F: 1 - 2,0 кН, 2 - 3,5 кН, 3 - 4,0 кН

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

2. Пивинский Ю.Е. Неформованные огнеупоры. / Справочное издание. В 2-х томах. Т. 1. Книга 1. Общие вопросы технологии. - М.: Теплоэнергетик, 2004. - 448 с.

3. Патент на изобретение 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 / А.В. Прошкин, В.В. Пингин, В.С. Тимофеев, С.Я. Левенсон., Л.И. Гендлина, Ю.И. Еременко, В.А. Голдобин. № 20051266100/02; заявл. 17.08.2005; - опубл.10.04.2007, Бюл. № 10.

4. Гендлина Л.И. Результаты исследования процесса уплотнения дисперсных материалов вибрационным способом / Л.И. Гендлина, С.Я. Левенсон С.Я., Ю.И. Еременко,

B.В. Виданов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М. - 2011 - № 8 -

C. 255-259.

© С. Я. Левенсон, Л. И. Гендлина, А. В. Морозов, М. А. Ланцевич, 2015