CC BY
9
ИЗВЕСТИЯ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
т. 268 1976
РАЗВИТИЕ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ФОРМОВАННОМ ТОРФЕ ПРИ ЕГО СУШКЕ
С. И. СМОЛЬЯНИНОВ, Г. Г. КРИНИЦЫН, Ю. А. ДВОРЯНКИН
(Представлена научно-методическим семинаром химико-технологического факультета)
•Процесс сушки ¡различных кипиллярно-пористых ¡коллоидных тел или дисперсных систем вообще сопровож д а ется 'изменением их структуры :и объема. Деформация усадки является (следствием в основном сил .капиллярной контракции (сумма сил 'Поверхностного натяжения !на микроменискак жидкости ¡в 1по;рах, структуры по всему 'поперечному ¡сечению об раз да) и сил адгезионного !и ¡котезишнаго взаимодействия, появляющихся ¡в точках вторичных ¡контактов частиц твердой фазы. Соотношение между силами, (вызывающими усадку ¡материала, и (прочностью ¡структуры, ^характеризующейся предельным ¡напряжением сдвига, определяет темп и величину усадки, ответственных за формирование прочного образца. При этом 1в ¡материале возникает ¡напряженное состояние, которое является следствием взаимодействия сил молекулярного притяжения и отталкивания. Усадочные напряжения могут вызвать нежелательные деформации, приводящие к падению (прочности образцов [1—6].
По М. С. Остри ков у и Г. Д. Диброву [2] усадочным напряжением называют экспериментально определяемую величину, представляющую собой равнодействующую величин сил.капиллярной контракции и упругого сопротивления структуры. Кинетика роста усадочных напряжений рассмотрена теоретически и определена экспериментально для ряда дисперсных систем. ¡Кривые усадочных напряжений как функция времени имеют ¡характерный 5-образный вид [2, 3].
Принципиально иной подход к определению внутренних напряжений развит в работе Н. И. Гамаюнова и А. Л. Королевой [б]. Они измеряли внутреннее напряжение в сохнущих образцах формованного торфа с помощью сферического датчика диаметром 4—6 мм, преобразующего давление в электрический сигнал. Датчик помещался внутрь образца в момент формования. Детали конструкции датчика не описаны.
Нами в связи с изучением окислов железа на структур ообр азов а -тельные процессы в торфяных дисперсные системах проведено исследование изменения внутренних напряжений в процессе сушки образцов формованного торфа с различным количеством минеральных добавок/
Торф осоково-гипновый низинный имел степень разложения 25— 30%, рабочую влажность — 87%, зольность на сухое вещество — 11,62%. ¡Перед формованием он подвергался трехкратной переработке на шнековом иетирателе.
<В качестве минеральных добавок использовалась реактивная окись железа (измельчение — под сито 0,05 мм) и магнетитовый ¡концентрат
Абагурской обогатительной фабрики с содержанием железа 62,7% ;и степенью измельчения 0,08 мм.
Тензодатчик сопротивления типа ПКП-5 ^цилиндрической формы (ЗХ'Ю мм) 'помещался е центр цилиндрического образца (40x60 мм) торф-a или ело смеси с ошеломи железа. Оушка ¡проводилась в лабораторных условиях 'при температуре окружающей среды 21—23°С и относительной 'влажности воздуха G2—68%. Сигнал с тензометрического усилителя УТЧ-1 регистрировался автоматически.
Результаты экспериментов 'представлены «а рис. 1—3. Как видно из приведенных графиков (paie. 1), разработанный нами 'метод определения усадочные напряжений в сохнущих дисперсных системах дает
й
12
tu
S ïfl
. 8 eu 5S î:
«u
43
*
0
0 / ■ 2 я 3 4 У 6 !
Рис. 1. Зависимость внутреннего напряжения в образцах формованного торфа и смесей его с различным количеством окиси железа от влагосодержания. 1—торф, 2— смесь с 5% окиси железа, 3 — то же с 13%, 4 — то же
с 20%
более наглядную картину изменения этого параметра в широком диа-пазоте влажности, чем описанные ранее [2, б].
Для вюех испытанных ¡образцов сохраняется характерная общая картина изменения внутреннего напряжения в процессе сушки, хорошо отражающая происходящие при этом структурные изменения. ,
Первый участок (до влагосодержания 2—3 г/г) кривой характеризуется сравнительно невысоким темпом роста усадочных напряжений и соответствует физико-химическим и структурным изменениям системы, где преобладают коагуляционньге ¡контакты и силы капиллярной кон- *
тращии. З-атем наступает период, когда «превалируют молекулярные силы. Этот момент соответствует переходу от коагуляционных структур к конденсационным и характеризуется резким возрастанием внутренних напряжений до (максимального значения, соответствующего клало -содержанию 0,25—0,75 г/г. Этот момент, по-видимому, соответствует полному 'исчезновению капиллярных менисков, а следовательно, сил капиллярной ¡контракции, в торфе остается только физико-химически связанная влага, и удаление воды прекращается.
Интересно отметить заметное увеличение значений максимальных внутренних напряжений в зависимости от количества минеральной до-
F
It п \
1 Y'J
o£F\ _ \ \ X
! Ч ч \ \ N V5, ! \ i ! v i i
il » ^
N
банки. Эта зависимость (рис. 2) приближает к прямой и показывает изменения, происходящие в торфяной дисперсной системе под влиянием активно/го шаколпиттеля. Эти изменения, как показано нами ранее {7, 8], приводят к уменьшению пи.дра;в лического радиуса .пар, увеличению предельного напряжения сдвига ¡и росту числа контактов в единице
^ ¿5
9-
К;
^ 4
\............ ! ....... 1 | ' У у/
о/ г
о !
15
соо:?:1еанцз оШлоВ ок слеза, £'/о
Рис. ' ЗаВи.си.мостпЬ максимального Внутреннего напряжения о ссхнуцих образцах формованного торфа § смеси с магнепш -том (о) и о кис Но окне за (о) от со1'?докания шнералШ/х компонентов
§ М
35 I-
/К
.И »¡— - ____
^ ¡,1 '1
с \
15
О 4 В П максимзлЬное Пнут -р с и нее напряжение,1д5и/см2
Рис. 5 ЗаксияостЬ -прочности Воздушно-сухих о Враз цо В формованного торфа и его смесей с окислами Железа от максимальной Вели-чинЬ/ Внутренних напряжений .
объема и, как следствие, ¡к повышению прочности воздушно-сухих формовок. По мере увеличения содержания окислов железа максимальное усадочное ¡напряжение достигается при меньшем влагосодержании, что, в согласии со сказанным выше, отражает соответствующие изменения в форме связи влаги с торфом.
Однако следует отметить, что чрезмерное возрастание внутренних напряжений при их неравномерном распределении может привести к появлению ослабленных мест, появлению трещин и ¡к уменьшению прочности структуры тела или полному ее разрушению. 'Весьма наглядную картину в этом отношении дает построенный по нашим экспериментальным данным график (рис. 3), связывающий максимальные внутренние напряжения и прочность на «сжатие воздушно -¡сух ого материала. Ярко выраженный максимум прочности в зависимости от величины уеадочиьих напряжений, по всей вероятности, являет общую закономерность для дисперсных систем. Это может быть успешно использовано при разработке структур, обладающих заданными свойствами.
Выводы
1. Разработана методика тензометрического определения усадочных напряжений в дисперсных структурах.
2. Показано, что в процессе сушки торфа усадочные напряжения отражают физико-химические и структурные изменения, происходящие в дисперсных системах при потере влаги.
3. (При до-батаке к сырьевой торфяной массе окислов железа усадочные 'напряжения возрастают, что приводит вначале \к увеличению прочности структуры, а затем, по достижении критического * значения этого показателя, \к уменьшению прочности воздушно-сухих Образцов.
ЛИТЕРАТУРА
1. П. А. Ребиндер, И. Н. Влодавец. Физико-химическая механика пористых и волокнистых дисперсных структур. Сб. «Проблемы физико-химической механики волокнистых и пористых дисперсных структур и материалов». Рйга, «Зинатне», 1967, стр. 5—43.
2. М. С. Ос греков, Г. Д. Дибров. О влиянии усадочных напряжений на формирование структур высыхающих волокнистых и пористых материалов. Там же, стр. 205—219.
3. А. С. Аведиков, М. С. Оетриков, Г. Д. Дибров, Ю. М. Куприн. Усадочное напряжение как равнодействующая ряда составляющих. Там же, стр. 225—232.
4. А. И. Федотов, Н. В. Ч у р а е в, Н. С. Ш а б а н. Исследование структурооб-разовательных процессов при сушке вязко-пластичного торфа. Там же, стр. 399, 406.
5. Н. И. Г а м а ю н о в, Н. Л. Королева. Исследование напряжений в процессе усадки волокнистых материалов. Там же, стр. 439—448.
6. А. В. Л ы к о в. Теория сушки. М., «Энергия», 1968.
7. С. И. Смольянинов, Г. Г. Криницын. Сушка торфяных топливо-плавильных материалов. Изв. ТПИ, т. 233, (в печати).
8. С. И. Смольянинов, Г. Г. Криницын. Капиллярные явления в торфе. Изв. ТПИ, т. 233.
