CC BY
49Труды Инсторфа 12 (65)
13
УДК 662.641.004.14:622.732:517.958
Королев И.О.
Королев Илья Олегович, аспирант кафедры геотехнологии и торфяного производства Тверского государственного технического университета (ТвГТУ). Тверь, ул. Академическая, 12
Пухова О.В.
Пухова Ольга Владимировна, к. т. н., доцент кафедры геотехнологии и торфяного производства ТвГТУ. owpuhova@mail.ru
ПРИБОР И МЕТОДИКА УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОСТИ ФОРМОВАННОГО ТОРФА
Аннотация. Рассмотрены основные характеристики, которыми оценивается дисперсность. Представлены исследования по изменению дисперсности и предельного напряжения сдвига переработанного торфяного сырья в процессе механической переработки при производстве формованной торфяной продукции. Дано объяснение процессов, происходящих в процессе механической переработки торфяного сырья. Получены уравнения, связывающие предельное напряжение сдвига с влагосодержанием и степенью переработки, которые позволяют ускоренно в процессе переработки торфяного сырья управлять физико-механическими свойствами готовой продукции за счет оперативной переналадки перерабатывающего оборудования.
Ключевые слова: влагосодержание, торф, механическая переработка, дисперсность, условная удельная поверхность, предельное напряжение сдвига.
Korolev I.O.
Korolev Ilya О., graduate student of the Chair of Geotechnology and Peat Production of the Tver State Technical University. Tver, Academicheskaya, 12
Puchova O.V.
Pukhova Olga V., PhD, Associate Professor, Chair of Geotechnology and Peat Production of the TvGTU
THE DEVICE AND METOD OF THE ACCELERATED DETERMINATION OF DISPERSION OF THE FORMED PEAT
Abstract. The main characteristics by which dispersion is estimated are considered. Researches on change of dispersion and limit tension of shift of the processed peat raw materials in the course of mechanical processing while production of the formed peat production are presented. The explanation of the processes happening in the course of mechanical processing of peat raw materials is offered. The equations connecting the limit tension of shift with moisture content and extent of processing are received which allow operating physicomechanical properties of finished goods due to expeditious readjustment of the overworking equipment.
Key words: moisture content, peat, mechanical processing, dispersion, conditional specific surface, limit tension of shift.
14
Труды Инсторфа 12 (65)
Механически переработанная торфяная масса является сложной полидисперсной системой, включающей в себя дисперсионную среду (воду) и дисперсную фазу, состоящую из частиц различных размеров. В работах С.Г. Солопова [1] было установлено, что размер частиц торфа определяет технологические свойства и дает возможность оценить эффективность его переработки различными механизмами. Таким образом, при изменении степени измельчения торфа появляется возможность управления процессами структурообразования при формовании и сушке [2], которые оказывают непосредственное влияние на конечные свойства готовой продукции.
Основной характеристикой дисперсных торфяных систем является их дисперсность - степень измельченности материала, выраженная в процентах, которую часто связывают с условной удельной поверхностью частиц. Площадь поверхности, отнесенная к единице массы сухого вещества, характеризует собой глубину процесса диспергирования. Определение степени дисперсности и оценка ее влияния на физико-химические и механические свойства торфа необходимы для обоснования его использования в качестве исходного сырья для различных технологических процессов. Основными характеристиками дисперсности торфа служат:
• содержание фракций определенных размеров Pi , %;
• полная удельная поверхность частиц, SY , м2/кг; • средневзвешенный диаметр частиц грубодисперсной фракции (>1 мкм) d>1 = YAiPt /2 Pi, где di - средний диаметр частиц, содержание которой равно Pi ;
• средневзвешенный диаметр частиц высокодисперсной фракции (<1 мкм) d<i = IdiPi /2 Pi;
• процентное содержание частиц менее 1 мкм;
• кривые распределения частиц по размерам; • условная удельная поверхность S, м2/кг.
Для вычисления условной удельной поверхности С.Г. Солоповым была установлена эмпирическая зависимость:
S = Атс (1 + к) х 104,
где Атс - содержание фракций размером менее 4 мкм; к - коэффициент, зависящий от Атс: к = 0,2, при Атс = 0,2...0,3; к = 0,15, при Атс = 0,3...0,5; к = 0,1, при Атс > 0,5.
В экспериментах степень переработки торфа оценивали по показателю условной
удельной поверхности. Она вычислялась по результатам сокращенного ситового анализа. Подготовка проб к сокращенному ситовому анализу состояла в суточном замачивании навески торфа массой 15 г в стеклянном стакане с дистиллированной водой. Сухое вещество пробы определялось по параллельно взятой навеске такой же массы. Перед началом опыта содержимое стакана переносили в литровую колбу, заливали до половины объема водопроводной водой. Затем колбу закрывали резиновой пробкой и встряхивали в течение 10 мин до получения однородной суспензии на механическом встряхивающем устройстве. После встряхивания суспензию сливали из колбы через сито с ячейками 0,25 х 0,25 мм. Остаток на сите промывали вертикальными колебательными движениями в течение 6-10 мин в кристаллизаторе с водопроводной водой, заменяя ее с периодичностью 1 мин. Отсутствие коллоидной фракции в воде являлось признаком хорошей отмывки фракций размером меньше 250 мкм. Перед тем как остаток на сите перенести в чашку Петри, его промывали в кристаллизаторе с дистиллированной водой. Выпаривание и сушку содержимого чашки Петри велось в сушильном шкафу при температуре 145-150 °С. Показатель содержания фракций размером менее 250 мкм Р<250 (%) рассчитывался по формуле:
Р<250 = 100 (-т0) / тс
где тс - масса сухого вещества, г; т0 - остаток на сите, г. По показателю Р<250 вычисляется условная удельная поверхность: для верхового и переходного переработанного торфа
lg S = 2,19 lg P<250 - 0,53, для низинного переработанного торфа lg S = 3,6 lg P<250 - 3,39.
Для оценки структурно-механических свойств переработки торфа используется величина предельного напряжения сдвига 0. Она достаточно чувствительна к изменению состава и структуры дисперсных материалов. Величина предельного напряжения сдвига отображает особенности структуры торфа, физико-механических свойств торфяных систем в широком диапазоне влагосодержаний. Метод статической микропенетрации с применением пенетрометра позволяет быстро определять локальные значения предельного
Труды Инсторфа 12 (65)
15
напряжения сдвига в вязкопластичном и в твердообразном состояниях (рис. 1).
Рис. 1. Схема пенетрометра: 1 - конический наконечник; 2 - измерительная линейка длиной 40 мм; 3 - кольцевой индикатор; 4 - пробка;
5 - пружина; 6 - шток; 7 - металлический цилиндр
Fig. 1. Scheme of a penetrometr: 1 - conic tip; 2 -measuring ruler 40 mm; 3 - ring indicator;
4 - stopper; 5 - spring; 6 - rod; 7 - metal cylinder
В качестве упругого элемента прибора использован набор пружин с жесткостью 0,1-3,0 Н/м. Плавным нажатием на цилиндр наконечник погружают в исследуемый материал на всю рабочую длину (10 мм). При этом происходит перемещение цилиндра и индикаторного кольца относительно штока. После снятия нагрузки и извлечения наконечника из материала фиксируют перемещение кольца относительно измерительной линейки. Усилие сопротивления проникновению наконечника в материал, оказываемое структурой торфа, в соответствии с законом Гука, равно произведению жесткости пружины на величину ее сжатия.
В пенетрометре устанавливали пружину с жесткостью 0,1 кН/м и наконечник в виде конуса с константой 0,214. Конус внедряли в
куски торфа на всю высоту. Величину предельного напряжения сдвига в МПа рассчитывали по формуле:
0 = 0,1 1и,
где 1и - показания индикатора, мм.
Переработку торфяного сырья осуществляли лабораторным шнековым механизмом. Изменение дисперсности достигали за счет многократного пропускания торфяного сырья через перерабатывающее устройство, а также применением различных режущих элементов и приспособлений.
В процессе механического диспергирования происходит уменьшение содержания в торфе волокнистых и грубодисперсных фракций и увеличивается количество тонкодисперсных. С уменьшением размера частиц растет их концентрация в единице объема, что приводит к росту числа связей между частицами через молекулы воды. Торфяная система переходит из вязкопластичного в упругопластичное состояние с образованием новых связей.
Экспериментально установлено, что при механической переработке торфа на одном и том же механизме с различными значениями влагосодержания дисперсность получаемой массы различна (рис. 2) из-за проявления сил различной природы [3] и, соответственно, условий разрушения структуры.
3,5 4,5 5,5 W
2
1,5
1
Рис. 2. Зависимость условной удельной поверхности S (1, 2) (м2 /кг) и предельного напряжения сдвига 0 (1', 2') (кПа) от влагосодержания торфа: верховой магелланикум R = 20 (1, 1')%; низинный осоковый R = 30 (2, 2')%
Fig. 2. Dependence of a conditional specific surface of S (1, 2) (m2 /kg) and the limit tension of shift of 0 (1', 2’) (kPa) from moisture content of peat: magellanikum peat R = 20 (1, 1’) %; sedge peat R = 30 (2, 2’) %
16
Труды Инсторфа 12 (65)
Зависимость предельного напряжения сдвига от степени дисперсности и влагосодержания, на основе обработки данных (рис. 2, 3), может быть выражена через экспоненциальную функцию:
в = 00W exp[- cs (So - S)],
где 0OW, CS -константы структурообразования.
При более низких значениях влагосодержания происходит лучшее измельчение частиц. При увеличении влагосодержания торфяной массы предельное напряжение сдвига уменьшается (рис. 2).
350 450 550 S
Рис. 3. Изменение предельного напряжения сдвига 0 (кПа) от удельной поверхности S (м2/кг) верхового магелланикум торфа R = 20% при различных значениях влагосодержания формования W = 3,5 (1), 3,9 (2), 4,6 (3) и 5,7 (4) кг/кг
Fig. 3. Change of limit tension of shift of 0 (kPa) from a specific surface of S (m2 /kg) of magellanikum peat R = 20% at various values of moisture content of formation of W = 3,5 (1), 3,9 (2), 4,6 (3) and 5,7 (4) kg/kg
Это происходит из-за малого сопротивления при движении торфа в перерабатывающем устройстве. Однократная переработка торфа шнеком без противодавления незначительно изменяет значения предельного напряжения сдвига (рис. 3), из-за разрушения его макроструктуры. Увеличение механической переработки (S0 = 490-550 м2/кг) приводит к значительному снижению предельного напряжения сдвига, что вызвано разрушением растительных остатков и высвобождением внутриклеточной и иммобилизованной воды. Система становится подвижной и пластичной, что приводит к уменьшению числа дефектов структуры и росту прочности формованной продукции.
Анализ результатов исследований показал, что предельное напряжение сдвига зависит от степени переработки, влагосодержания и температуры. Если принять, что в полевых условиях температура меняется незначительно, то в результате обработки экспериментальных данных методом математической статистики можно получить уравнения, связывающие предельное напряжение сдвига 0 (кПа) с влагосодержанием W (кг/кг) и степенью переработки S0 (м2/кг). Уравнения с коэффициентом корреляции 0,97 принимают вид: для верхового торфа
S0 = 100 (9 - 2 ln0 - 0,1 W) ± 5, (1),
для низинного торфа
S0 = 100 (15 - 1,5 ln0 - 2 W) ± 5, (2)
при изменении влагосодержания в пределах от 3,5 до 5,7 кг/кг; предельного напряжения сдвига - от 2,04 до 10,7 кПа.
На основе уравнений разработан метод ускоренного определения дисперсности в процессе формовании торфяного сырья для получения различной продукции.
Определение дисперсности формованных образцов из торфяного сырья производится по следующей методике.
С помощью пенетрометра определяется предельное напряжение сдвига. Для этого плавным нажатием на цилиндр наконечник погружается в исследуемый материал на всю рабочую длину. При этом происходит перемещение цилиндра и индикаторного кольца относительно штока. После снятия нагрузки и извлечения наконечника из материала фиксируют перемещение кольца относительно измерительной линейки.
Для пружины с жесткостью 0,1 H/м (конический наконечник в виде конуса с константой 0,214) предельное напряжение сдвига рассчитывается по формуле 0 = 0,1 х 1и, где 1и - показания индикатора в мм.
Для пружины с жесткостью 0,2 H/м (конический наконечник в виде конуса с константой 0,214) предельное напряжение сдвига определяется зависимостью: 0 = 0,36 х1и.
Следующими этапами является определение влагосодержания формованного образца и расчет его дисперсности по формулам (1) и (2).
Таким образом, способ ускоренного определения дисперсности позволяет оперативно контролировать степень переработки при производстве формованной продукции из торфа.
Труды Инсторфа 12 (65)
17
В конечном итоге это дает возможность управлять физико-механическими свойствами готовой продукции за счет быстрой переналадки или замены типа перерабатывающего оборудования.
Библиографический список
1. Солопов, С.Г Основания комплексной механизации добычи торфа на топливо экскаваторным способом с пониженной эксплуатационной влажностью: Автореф. дис. ... д. т. н. - М., 1955. - 40 с.
2. Afanas'ev, A.E., Gamayunov, S.N., Misnikov, O.S. Structurization processes drying of sapropels with varying ash content // Colloid Journal. -1999. - Т. 61. - № 3. - P. 274-279.
3. Технический анализ торфа / Е.Т. Базин, В.Д. Копенкин, В.И. Косов и др. - М.: Недра, 1992. - 431 с.
4. Пухова О.В. Закономерности изменения физических свойств торфа при его переработке и сушке: Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.15.05 / О.В. Пухова; Тверской государственный технический университет. -Тверь, 1998. - 20 с.
