CC BY
121
concretes and highway engineering. The agloporit as compared with used extensively haydite has follow advantages: high strength, low prime cost, possibility of producing from wastes.
Key words: wastes of coal preparation, agloporit, light concrete, agloporit-concrete.
Abramov Anatoly K., director, v.efimov@mirtrade.ru, OOO Russia, Moscow, NPP "Krona-CM",
Efimov Victor I., doctor of technical sciences, Full Professor, v.efimov@,mirtrade.ru Russia, Moscow, Moscow State Mining University
УДК 622
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В БРИКЕТАХ ЭКСТРУЗИИ (БРЭКСАХ) ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
А.М. Бижанов, И.Ф. Курунов, Д.В. Ивонин, В.И. Ефимов
Предложено на основе гидродинамического подхода объяснение явления выдавливания мелкой фракции на поверхность в процессах экструзионного окускования углеродсодержащих материалов. Изученное явление может оказывать заметное влияние на процесс сушки брэкса. Предложенная модель может применяться для изучения этого явления при производстве керамических изделий и брикетов экструзии (брэксов) способами жесткой и пластической экструзии.
Ключевые слова: брикет экструзии (брэкс); жесткая вакуумная экструзия; мелкая фракция; гидродинамическая модель.
Технология жесткой вакуумной экструзии компании «J.C. Steele & Sons, Inc.» успешно начала применяться для производства брикетов экструзии (брэксов), эффективно используемых в составе шихты доменных и ферросплавных печей [1-2].
Одним из отличительных свойств брэксов является высокая степень однородности их фазового состава, обеспечиваемая применением шнеко-вой транспортировки и формования гомогенной смеси на всех стадиях технологического процесса, от питателя равномерной подачи до экструде-ра.
Вместе с тем, в зависимости от гранулометрии и процентного содержания исходных компонентов шихтовой смеси в процессе ее экструзи-онного окускования могут происходить явления структурообразования, приводящие к неоднородному распределению частиц разного размера по радиусу брэкса. В частности, может наблюдаться выдавливание мелкой фракции шихтовой смеси на его поверхность.
Такие явления иллюстрируются рис. 1, на котором приведены фотографии брэксов, изготовленных из смеси углеродсодержащего материала и мелочи строительных материалов (рис. 1, а). Хорошо видно, что угле-
родсодержащая часть смеси образовала внешний слой брэкса. На рис. 1,б изображен коксовый брэкс связанный эпоксидной смолой, мельчайшие частички которой выдавлены наружу.
Эти явления хорошо знакомы специалистам по производству керамических кирпичей. Считается, что мельчайшие частицы глины действительно выдавливаются на поверхность экструдированного бруса и образуют тонкий слой суспензии коллоидных частиц на его поверхности, наличие, которого, в силу свойств этой поверхностной массы, препятствует эффективной сушке и последующему обжигу кирпичей. Поэтому непосредственно на выходе бруса из экструдера этот поверхностный слой срезается, что называется у специалистов «глажка» ("уе1оипг^") [4].
а б
Рис. 1. Брэксы со слоем мелкой фракции на поверхности: а - уголь (поверхностный слой) и мелкая фракция строительных материалов; б - коксовый брэкс с эпоксидной смолой в качестве связующего
В приложении к экструзионному окускованию углеродсодержащих материалов такое явление может иметь свое негативное последствие, поскольку в большинстве случаев, например, угольные брикеты подлежат обязательной сушке, которая при наличии такого поверхностного слоя может быть затруднена.
Структурообразование в брикетах из твердых горючих материалов было описано в работе [3], в которой механизм образования слоистой структуры такого брикета объяснялся миграцией сложных флюидных систем. К сожалению, в работе не приведены более подробные данные о составе и свойствах таких флюидных систем, позволяющие растворенным в них компонентам связующего, в частности, цемента, образовывать при сушке брикета, по мнению авторов, «концентрические поверхности (флук-туаций прочности), что обеспечивает армирование и упрочнение брикета...». По мнению авторов, подобная «миграция флюидов» есть не что иное, как описываемое нами явление выдавливания мелкой фракции при экструзионном окусковании. Вероятно, подобное выдавливание может
иметь место и при иных прессующих воздействиях.
Возвращаясь к выводам работы [3], заметим, что наличие в брикете промежуточных слоев концентрических поверхностей из затвердевшего связующего приведет к росту затрат на сушку брикета. Проведенные расчеты для случая расположения такого слоя на равном удалении от центра и поверхности брикета и в предположении о том, что величина теплопроводности такого слоя в 6 раз меньше теплопроводности основной массы брикета, показали, что время, необходимое для полного прогрева такого брикета возрастет почти вдвое по сравнению с однородным брикетом.
Перейдем к объяснению явления выдавливания мелкой фракции и при экструзионном окусковании. Рассмотрим феноменологию процесса экструзии при производстве кирпича. Те же выводы будут действительны и при экструзионном изготовлении брэксов. В самом деле, сама возможность изготовления брэкса предполагает, что смесь, из которой он произведен, проявила приемлемую степень экструдируемости. Для обеспечения достаточной степени пластичности в смесь могут быть добавлены пластификаторы (бентонит), вследствие чего оба эти процесса (производства кирпича и брэкса) проявляют схожую природу.
Рис. 2. Визуализация процесса формирования ламинатных слоев [4]
На рис. 2 [4] показан пример образования ламинатных слоев, возникающих в процессе формовки материала. Хорошо видны изолинии движения частиц. Центральная часть среза, по-видимому, формируется в результате схода материала с лопаток шнека. У стенок наблюдается значительное уплотнение материала. Видимый поперечный размер изолиний у стенок намного меньше, чем в центральной части. Кроме этого, поток материала у стенок имеет гораздо более упорядоченный и однородный вид. В отличие от центральной части, где присутствуют как продольно направленные изолинии, так и поперечно направленные. Ближе к центральной части виден периодический ряд вихреобразных «лепестков», которые образуются в результате схода керамической массы с периодически расположенных лопаток шнека.
На рис. 3 представлен другой пример - выдавливание глины через щель. В этом примере отсутствует влияние шнека (лопаток и его центральной части). По этой причине центральная часть потока глины имеет более регулярную часть, без завихрений и «лепестков». Изолинии течения напоминают течение Пуазейля, которое возникает в трубах, щелях и каналах, и хорошо теоретически описано для случая движения Ньютоновской жидкости (газ, вода и т. п.) [5].
По результатам анализа рис. 2 - 3 можно сделать следующие выводы. Пластический материал, который находится вблизи стенок формы, гораздо дольше находится в форме и гораздо дольше испытывает воздействие формовочного давления. Видимо, это является одним из определяющих факторов на формирование более плотных слоев у стенок формы. Соотношение плотностей центра и периферии брэксов должно в значительной мере определяться соотношением времен прохождения материалом центральной и периферийной частей формовочной насадки. Данное соотношение времен определяется профилем течения. Профиль течений определяется вязкостью материала. Последняя является переменной величиной поперек потока из-за переменного, поперек потока, распределения фракций формовочной массы. Определение вязкости материала (или используемая теоретическая модель для нее) является ключевым параметром для проведения дальнейших количественных вычислений.
Рис. 3. Слои проскальзывания, формирующиеся в глине [4]
На рис. 4 показана структура формовочной массы из глины. Частицы глины имеют вытянутую конфигурацию. На их поверхности адсорбируется тонкая пленка воды (порядка нескольких нанометров [7]) - «связанная вода», а часть свободного пространства между частицами заполняется так называемой «свободной» водой, поскольку она может самостоятельно перемещаться. Остальное пространство заполнено воздухом, который образует поры и может по ним перемещаться свободно, если поры связаны друг с другом.
Воздух также может адсорбироваться поверхностью. В результате ухудшается смачивание. Известно[9], что воздух, адсорбированный поверхностью глинистых частиц в виде полимолекулярных слоев, удерживаемых ван-дер-ваальсовыми силами, замедляет смачивание их водой, препятствует равномерному уплотнению массы, способствует повышению упругих деформаций при пластическом формовании, образуя расслоения, а также микротрещины, выявляемые при сушке и обжиге изделий. Заполняя поры, воздух также препятствует проникновению в них влаги, разъединяет частицы массы, действуя как отощитель.
Рис. 4. Структура массы: 1 - частицы глины; 2 - связанная вода;
3 - пора; 4 - инертный материал1; 5 - свободная вода [6]
Относительные размеры, которые занимают глина, вода и воздух, зависят от множества факторов. Главные среди них - это внешнее давление, величина поверхностного натяжения на границе раздела «вода/воздух», величина контактного угла смачивания глины водой. Две последние величины зависят также от температуры и примесей в воде (например, от ПАВ - поверхностно активных веществ).
При вакуумировании, имеющем место в процессах жесткой и пластической экструзии [2, 4], воздух удаляется из порового пространства. Вследствие этого поры, помеченные цифрой "3" на рис. 4 должны уменьшиться в размере. Поскольку частицы глины имеют продолговатую форму, то только при их сближении в варианте, изображенном на рис. 5, в, может быть достигнуто снижение размера пор. Таким образом, при вакуумирова-нии в массе должно происходить упорядочивание частиц глины.
5
1 1 3
О) б) в)
Рис. 5. Схема образования дефектов структуры: а - первоначальное строение массы; б - упорядочение пластинчатых частиц; в - образование плоскостей скольжения [9]
Для понимания процессов, происходящих при движении смеси крупных и мелких частиц, в данном разделе предлагается первоначально рассмотреть такое движение с точки зрения упрощенной гидродинамической модели движения крупных частиц в жидкости. Последняя модель является хорошо разработанной в работах по сепарации частиц в системах пылеочистки и т.п. [8]. При применении гидродинамической модели делаем упрощение, согласно которому более мелкая фаза заменяется жидкостью. В действительности, поведение твердой мелкой фазы отличается от поведения жидкости, главным образом, поскольку твердая фаза трудно деформируема и не может перетекать так легко как жидкость, а также легко обтекать препятствия. Необходимо учитывать влияние формы и т.д. Однако для общего понимания принципов движения частиц сырца и сил, влияющих на частицы, и их предварительной оценки применение такого упрощения допустимо.
При движении сырца в головке мундштука формируется профиль течения (см. рис. 4), напоминающий профиль Пуазейля для течений воды в трубах (рис. 6).
У
Рис. 6. Профиль течений Пуазейля
Характерными особенностями таких профилей являются большой градиент скорости у стенки и нулевой градиент у центра (трубы). При движении частиц конечных размеров в градиентном течении в обычной (ньютоновской) среде возникает подъемная сила. Ее возникновение полностью аналогично возникновению подъемной силы, действующей на крыло самолета. Последняя образуется за счет разности давлений внизу крыла самолета и сверху плоскости крыла [5] (рис. 7).
Согласно закону Бернулли вдоль линии тока идеальной жидкости сохраняется величина, равная сумме гидростатического и динамического давлений,
.2
Р +
pu
2
const
(1)
Поскольку снизу крыла воздух движется медленнее (рис. 7), то гидростатическое давление должно быть больше, чтобы сохранить постоянным интеграл Бернулли (1). Сверху крыла - наоборот.
Рис. 7. Обтекание пластины [5]
Для частицы круглой и не обязательно круглой формы, находящейся в потоке с градиентом скорости (рис. 8, а), возникает аналогичная ситуация - давление снизу частицы будет больше, чем сверху.
а б
Рис. 8. Подъемный «эффект Магнуса»: а - обтекание частицы потоком у стенки; б - частица,
вращаемая потоком
уди ,
^ — (4)
При этом частица может быть приведена во вращение градиентом скорости. Тогда дополнительно возникает подъемный «эффект Магнуса», который имеет место при обтекании потоком вращающейся частицы (рис. 8, б).
Согласно теореме Жуковского подъемная сила [5] определяется плотностью потока р, циркуляцией скорости вокруг частицы J и скоростью набегающего потока и (считаем, что поток имеет горизонтальную компоненту скорости и, а вертикальная v = 0):
=Р^- (2)
Циркуляция потока вокруг частицы при ее вращении в потоке определяется выражением
жг2 ёи
=лГгёУ (3)
Здесь жг2 - миделево сечение частицы; г - линейный размер частицы; ёи/ёу - градиент скорости потока.
В результате подъемная сила Магнуса пропорциональна кубу размера круглой частицы, скорости набегающего потока и градиенту скорости потока [8]:
жг3 ёи —и — 2 ёу
В действительности, необходимо учесть, что частица увлекается потоком и имеет горизонтальную скорость и (т.е. относительную скорость и - и). Поэтому окончательно имеем
жг3 ёи
=Р—(и - (5)
Как видно из формулы (5), подъемная сила больше для более крупных частиц. Сила также возрастает с ростом градиента скорости. Последний достигает максимального значения у стенки и равен нулю в центре потока. Поэтому наибольшие смещения крупных частиц к центру потока будет наблюдаться около стенки и меньшие вдали от стенки. За счет этого и должен формироваться профиль неравномерного распределения частиц: крупные - в центре, мелкие - у стенки.
При медленном движении частицы относительно жидкости (в данном случае относительно мелкой фазы) возникает сила сопротивления Стокса [5]
^оке^х = 6жКи - и) (6)
где ц - вязкость жидкости (аналог силы трения мелких частиц о крупные), (И - и) - относительная горизонтальная скорость движения частицы относительно потока.
Аналогично в вертикальном направлении сила Стокса имеет ком-
П0НеНТУ FStokes,y
FStokes,y = бя^ (7)
где V - вертикальная скорость движения частицы. Из баланса подъемной силы Магнуса и вязкой силы сопротивления Стокса
F = F (8)
1 Magnus 1 Stokes, y' \ У
Получаем формулу для оценки скорости поперечного (вертикального) перемещения частицы
V = JL (u - U)dV. (9)
12ß dy
Из формулы видно, что скорость смещения пропорциональна квадрату размера частицы.
Теперь можно провести простую качественную оценку относительных смещений больших и малых частиц. Можно сказать, что в формуле (9) разность (u - U) - это скорость малых частиц относительно больших. Градиент скорости потока du/dy одинаков и для малых, и для больших частиц. Для примера возьмем два сорта частиц «large» и «small», размеры которых отличаются в 3 раза (rlarge = 3rsmall). Поскольку V ~ r2 и все остальные множители равны, то поперечные скорости больших и малых частиц будут отличаться в 9 раз:
r2
V =__iarg^V =-9V (10)
Marge 2 Vsmall 9 vsmall' (10)
rsmall
Знак «минус» возникает из-за разнонаправленного движения больших и малых частиц в формуле (9). По сути, можно считать, что малые частицы остаются на месте, а большие выдавливаются к центру потока. Скорости относительного поперечного движения частиц пропорциональны квадрату отношения размеров этих частиц.
Заключение
В работе были продемонстрированы возможности использования гидродинамического подхода для моделирования процесса вытеснения мелких частиц на периферию экструдируемого материала. Было показано, что в рамках предлагаемого гидродинамического подхода с использованием частиц двух разных размеров можно успешно объяснить это явление. Для получения конкретных количественных величин необходимо дальнейшее развитие предлагаемой модели. В частности, в модель необходимо будет ввести корректный учет поверхностных сил трения, учет влияния формы частиц и влияние конкретного распределения частиц по размерам.
Список литературы
1. Производство и проплавка в доменной печи брикетов нового поколения/ Й.К. Далмиа [и др.]// Металлург. 2012. № 3. С. 39-41.
2. Курунов И.Ф., Бижанов А.М. Жесткая вакуумная экструзия Steele -перспективный способ окускования металлургического сырья и отходов // Черная металлургия: бюл. НТиЭИ. 2012. № 4. С. 46-49.
3. Получение топливных брикетов из твердых горючих материалов /Р.А. Азимов [и др.]// Горный информационно-аналитический бюллетень. 205. № 2. С 128-131
4. Extrusion in Ceramics. Frank Handle (Ed.) // Springer. 2007. 468 с.
5. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М., 1973. 848 с.
6. Французова И.Г. Общая технология производства фарфоровых и фаянсовых изделий бытового назначения. М.: Высшая школа, 1991. 192 с.
7. Дерягин Б.В., Н.В. Чураев, В.М. Муллер. Поверхностные силы. М.: Наука. 1985. 400 с.
8. Соболев А.А., Мельников П.А., Тютюнник А.О. Движение частиц в воздушном потоке // Вектор науки ТГУ. № 3(17). 2011.
9. Мороз И.И. Технология строительной керамики. М.: Эколит, 2011. 384 с.
БижановА.М., J.C. Steele & Sons, Inc., NC, abizhanov@jcsteele.com
Курунов Иван Федорович, v.efimov@mirtrade.ru, Россия, Липецк, ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат»,
Ивонин Дмитрий В., канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр., v.efimovamirtrade.ru, Россия, Москва, Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН,
Ефимов Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., v.efimovamirtrade.ru, Россия, Москва, Московский государственный горный университет
STRUCTURE-FORMING
IN EXTRUSION BRIQUETTES FORM CARBON-BEARING MATERIALS
A.M. Bijanov, I.F. Kurunov, D.V. Ivonin, V.I. Efmov
The explaining small fraction fines extrusion on a surface during carbon-bearing materials extrusion agglomerating processes with using hydrodynamic approach was proposed in this paper. The studied phenomenon can influence upon drying process of a briquette. Proposed model can be used for researching this phenomenon of production pottery works and extrusion briquettes by hard and plastic methods.
Key words: extrusion briquette, hard vacuum extrusion, small fraction fines, hydro-dynamic model.
Bijanov A.M., J.C. Steele & Sons, Inc., NC, E-mail:abizhanov@jcsteele.com,
Kurunov I.F., Company of the «Novolipeckiy Metallurgicheskiy Kombinat», v.efimovamirtrade.ru, Russia, Lipeck City,
Ivonin D.V., Oceanology Institute of P.P. Shirshiova, v.efimovamirtrade. ru, Russian Academy of Sciences, Moscow City,
Efimov V.I., doctor of technical science, professor, v.efimovamirtrade.ru, Russia, Moscow, Moscow State Mining University
УДК 658.5.012.7
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ШИН НА УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗАХ
ОАО «ХК «СДС-УГОЛЬ»
В.И. Ефимов, О.В. Кротиков
Рассмотрены актуальные вопросы эксплуатации крупногабаритных шин на угольных разрезах ОАО «ХК «СДС-Уголь». Приведены зависимости между «правильным» давлением в шине и сроком ее службы. Показаны экспонентальные кривые остаточной глубины протектора в зависимости от величины пробега различных брендов и моделей КГШ. Особое внимание уделено организации работ по мониторингу ремонта и оптимальному подбору шин.
Ключевые слова: добыча угля, крупногабаритная шина, организация работ, износ, срок службы, пробег, побор оптимального давления, мониторинг, металокорд, повреждение, ремонт.
Транспортировка горной массы при добыче полезных ископаемых является неотъемлемой частью процесса. Существующие методы добычи открытым способом, в основном, основаны на использовании карьерных самосвалов для перевозки пустой породы и полезных ископаемых. При добыче каменного угля открытым способом доля затрат на приобретение крупногабаритных шин для карьерного транспорта значительна и достигает 20.25 % в себестоимости перевозок.
Кроме этого, на рынке продолжается глобальный мировой дефицит крупногабаритных шин, особенно в сегменте высокоэффективных радиальных шин для использования на карьерных самосвалах грузоподъемностью 130.136 тонн и выше. Дефицит крупногабаритных шин иногда вынуждает добывающие компании отказаться от приобретения карьерных самосвалов особо большой грузоподъемности - 220.320 тонн, так как нет уверенности в обеспечении транспорта необходимым количеством шин.
Высокая стоимость крупногабаритных шин увеличение парка карь-
