CC BY
68
УДК 622.273.2 М.В. Тишков
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЗАКЛАДОЧНОЙ СМЕСИ С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕЗИНОКОРБОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Семинар № 17
Я а сегодняшний день в мире существует множество технологий по переработке резиносодержащих и резокордовых материалов. Основная задача всех этих технологий заключается в переводе резины в псевдо-хрупкое состояние посредством охлаждения до температур стеклования, так как, в противном случае процесс измельчения является крайне энергозатратным и продолжительным во времени за счет пластичных свойств резины.
Влияние температуры и скорости деформации на разрушение полимеров
Энергозатраты на разрушение полимерного материла могут быть условно представлены как сумма двух величин:
А = А + А
-^полн -^хр 1 -^ву?
где Ахр - энергия, необходимая для разрушения материала, являющегося твердым телом; Аву - энергия, дополнительно затрачиваемая при разрушении вследствие специфического поведения полимерного тела в вязкоупругом состоянии; (Ахр ) затрачивается на упругую деформацию тела и на образование новых поверхностей, происходящих за счет реализации имеющихся в теле микродефектов, роста размеров первичных трещин до критических под действием сил, вызывающих перенапряжение в теле. (Аву) является суммой механических энергий, затрачиваемых на эластические и пла-
стические деформации тела, на внутреннее трение в полимерном теле, вызываемое деформационными и релаксационными свойствами, на преодоление дополнительных связей, препятствующих разрушению полимерного тела в результате молекулярной ориентации цепей макромолекул в процессе деформации, на разрыв межмолекулярных связей в полимере при сохранении геометрической формы и на механодеструкцию.
Обобщенное уравнение энергетических затрат при единичном акте измельчения полимерного тела формулируется таким образом:
Аполн = ктё,Е,т,1,п,У,Т) т.е. энергозатраты при измельчении полимерного тела зависят от его физикомеханических свойств (3, Е), количественного результата измельчения (1), размеров тела и условий проведения процесса (т, п,У,Т),
где т - длительность измельчающих воздействий; п - кратность испытанных до разрушения деформаций; V - скорость воздействия механических сил (скорость деформации); Т - температура.
Для уменьшения энергозатрат, эластической и пластической деформацией, а также затратами на разрушение дополнительных связей, вызванных молекулярной ориентацией, необходимо
уменьшить температуру процесса (Т) при повышении оптимальной скорости (V). Для снижения затрат энергии, вызванных деформационными и релаксационными свойствами, уменьшить
кратность деформации (п) до разрушения материала при оптимальной скорости (V), для снижения затрат энергии, затрачиваемой на разрыв межмолеку-лярных связей в полимере и механодеструкцию, уменьшить до минимума время воздействия измельчающих сил (т), понизить температуру (Т) при оптимальной скорости (V).
Таким образом, энергозатраты на измельчение зависят помимо свойств материала от двух групп параметров, одна из которых отражает режим измельчения, другая - влияние конструктивных факторов.
Считают, что в качестве основного параметра, по которому должен быть оптимизирован процесс измельчения, нельзя брать только энергозатраты. С учетом кинетики измельчения, фракционного состава образующейся полидис-персной системы, энергозатараты следует относить к единице вновь получаемой поверхности:
где А - удельный расход энергии,
кВт*ч/т; АБ -вновь полученная удельная
2/
поверхность, м /т.
По мере понижения температуры в зоне перехода от высокоэластичного состояния к стеклообразному состоянию происходит рост удельных затрат на разрушение материала и в связи с этим рост параметра измельчения (К).
После прохождения максимума в связи с переходом полимера в застекло-ванное состояние начинается уменьшение работы разрушения и параметра (К).
В связи с переходом к механизму хрупкого разрушения полимерного материала энергозатраты на разрушение минимальны, что выражается в минимуме на кривой К = Г(Т). При дальнейшем понижении температуры хрупкие свойства полимера практически не меняются, происходит монотонное увеличение прочностных свойств полимера, параметр (К) увеличивается.
На описанную зависимость накладывается изменение работы измельчения, связанное со свойствами рабочей среды: по мере увеличения скорости воздействия происходит сдвиг оптимальной температуры в зону более высоких температур, что объясняется явлением механического стеклования.
Процесс измельчения резины необходимо вести при условиях, обеспечивающих минимальное значение гистерезисных потерь. Последнее связано с интенсивностью межмолекулярного воздействия и соответствует условиям, при которых достигается минимальное значение дополнительной ориентации.
Таким образом, минимум в работе разрушения связан с резким снижением деформируемости полимера.
Следовательно, затраты энергии на разрушение можно снизить понижением температуры или увеличением скорости деформации, т. е. переходом к деформации ударного типа. Что касается реализации механизма хрупкого разрушения вязкоупругих полимеров путем повышения только скорости взаимодействия рабочих органов без применения охлаждения, то она сильно затруднена, так как связана с большими конструктивными осложнениями и дополнительным резким увеличением тепловыделений, что в свою очередь вызывает необходимость более интенсивного теплоотвода.
Низкотемпературное (криогенное)
измельчение позволяет перевести из-
мельчаемый полимер в псевдохрупкое состояние и сохранить его в течение всего процесса измельчения. При этом измельчение полимера, находящегося в хрупком состоянии, происходит не только с поверхности, но и по всему объему из-за наличия микродефектов, которые при переводе полимера в хрупкое состояние будут первичными очагами разрушения.
Поскольку для разрушения эластомеров при температуре глубокого холода оказываются справедливыми основные закономерности измельчения хрупких тел, степень дисперсности получаемого продукта возрастает с увеличением энергонапряженности аппарата, используемого для измельчения.
Так как положение минимума на кривых, изображающих температурную зависимость энергетических затрат, разрушающего напряжения и максимального удлинения зависит не только от скорости деформации, но и от интенсивности межмолекулярного взаимодействия, то положение этих максимумов для каучука и волокнообразующих полимеров при одинаковых условиях деформации не должно совпадать. Следовательно, при соблюдении условий, соответствующих наиболее легкому разрушению резины (температура, скорость деформации), волокнообразующий полимер почти не будет разрушаться, что позволит получить сравнительно малоповре-жденные волокна.
С понижением температуры уменьшается адгезия одного полимера к другому, что облегчает процесс разделения измельченного вулканизата и текстильного волокна. В случае металлокорда также происходит ослабление связей между металлическим кордом и резиной за счет различия коэффициентов термического расширения, последнее приво-
дит к растрескиванию и частичному отделению резины от металлокорда.
Охлаждение с использованием готовых хладореагентов
В качестве хладореагентов могут применяться жидкий азот, аргон, воздух, метан, фреон (предварительное охлаждение до -20 0С с применением фреона, а затем до -60 0С с жидким азотом), твердая и жидкая углекислота, метанол с твердой углекислотой, твердая углекислота с ацетоном, фреоном.
Считают, что хладоагенты должны соответствовать следующим требованиям: создание в рабочей зоне низких температур; возможно большая поверхность контакта с измельчаемым материалом; удобство в хранении и дозировании; минимальная стоимость; отсутствие токсичности; инертность в химическом отношении, что предотвращает окисление и деструкцию полимера; безопасность процесса измельчения (наличие инертной среды устраняет пожа-ро- и взрывоопасность).
Исходя из этого, практически непригодны фреоны, особенно учитывая их токсичность и высокую стоимость. Жидкая и твердая углекислота малопригодна, так как позволяет охлаждать материал лишь до -70 0С, неудобна в обращении, дорога.
В наибольшей мере указанным выше требованиям к хладореагентам отвечает жидкий азот, позволяющий охлаждать резину до -196 0С, безопасный в обращении, инертный в химическом отношении. Применение жидкого азота обеспечивает быструю теплопередачу от продукта к охладителю, в течение 10 минут температура в рабочей зоне может быть снижена с +60 0С до -90 0С и, как следствие этого, - резкое увеличение производительности, повышение степени измельчения материала.
Затраты на жидкий азот зависят от способа охлаждения, использования энтальпии паров; конечной дисперсности продукта.
Расход жидкого азота при получении тонкого помола в несколько раз больше, чем при получении грубого помола: 0,30,5 кг/кг при грубом измельчении; 1-2 кг/кг при тонком измельчении. В зависимости от степени помола расход жидкого составляет от 0,5 до 2 кг/кг измельчаемого материала.
Так, например, для получения резинового порошка, содержащего не менее 98 % частиц 500 мкм из крошки с размерами частиц 0,5-4 мм, требуется 1,21,5 кг азота на кг исходного материала. Для получения из кусков покрышек размерами 150x150 мм резиновой крошки 8 мм помола требуется 0,45 кг жидкого азота на килограмм измельчаемых кусков покрышек (или 0,67 кг азота на кг крошки) и 1.25 кг жидкого азота на 1 кг крошки 8 мм помола при получении из нее крошки, содержащей 15 % частиц размерами более 1,65 (мм), 70,6 % частиц размерами от 0,37 до 1,65 мм и 14,4 % частиц размерами менее 0,37 мм. При измельчении легковых шин в стержневой мельнице с производительностью 325 кг/ч и получении резиновой крошки, содержащей 96 % частиц размерами менее 500 мкм, в том числе 83 % частиц менее 315мкм, расход жидкого азота составил 0,9 кг/кг. При отсеве частиц размерами менее 315 мкм расход азота -1,13 кг/кг. При получении за один проход 99 % частиц размерами менее 315 мкм (без просева) и производительности менее 150 кг/ч необходимо израсходовать 1,5 кг азота/кг. Расход жидкого азота при дроблении шинной резины составляет 0,55-0,6 кг/кг резины, но и о степени получаемого помола не сообщается. Источниками потерь хладоагента являются: превращение хладоагента в
газ без контакта с охлаждаемым материалом. Эти потери зависят от давления, при котором хранится хладоагент. Чем меньше давление, тем меньше эти потери; проход тепла через стенки холодильной камеры и трубопровод подачи хладоагента; проникновение теплого воздуха в камеру при выходе охлажденного материала из нее, это может приводить не только к расходу хладоагента, но и к образованию льда внутри камеры вследствие конденсации и замораживания паров воды); низкая температура хладоагента, выходящего из камеры вследствие плохого теплообмена в камере. Потери пропорциональны разнице между этой температурой и температурой окружающей среды;потери при начале работы установки, т.е. перерывы в ее работе; замораживание шин или их отдельных участков до более низких температур, чем это необходимо для перевода резины в псевдохрупкое состояние; захват некоторого количества жидкого хладоагента шинами, если они измельчаются не в виде кусков, или не имеют перфорации.
Для экономии жидкого азота необходимы высокоэффективная теплоизоляция камер и трубопроводов, предотвращение попадания воздуха в камеры, применение вместо целых шин кусков шин, ввод жидкого хладоагента в холодильную камеру таким образом, чтобы обеспечить максимальный контакт между хладоагентом и резиной.
В качестве дополнительного источника экономии хладоагента предлагается пропускать нагретый газообразный азот, выходящий из холодильной камеры, через холодный раздробленный материал, после чего охлажденный таким образом азот используется для предварительного охлаждения материала, подлежащего измельчению. С этой целью после лопастного шлюзового затвора,
расположенного поле дробилки, устанавливается сборник измельченного материала, устроенный как противоточный теплообменник. Однако для таких сборников необходимо много места, они дороги из-за затрат на изоляцию. Кроме того, их применение не позволяет осуществлять непрерывный процесс дробления.
С аналогичной целью предложено сжижать газообразный азот, выходящий из холодильной камеры.
Охлаждение с использованием холодильных машин
Наиболее распространенными являются фреоновые, аммиачные и другие холодильные машины. Однако для того, чтобы создать температуры ниже - 80 0С, необходимые для эффективного замораживания резины, и обеспечить большие хладопроизводительности для переработки амортизованных шин в больших масштабах, требуется сделать подобные холодильные установки многоступенчатыми, очень громоздкими, сложными в обслуживании. При этом эффективность их использования будет мала.
Считают, что наиболее пригодными для подобных целей могут быть трубовоздушные холодильные машины.
Принцип действия воздушной трубохолодильной машины состоит в том, что засасываемый из атмосферы воздух проходит через холодильный регенератор, где предварительно охлаждается до
- 50 0С. Затем дополнительно охлаждается до - 80 0С вследствие расширения в турбодетандере, после чего может быть напрвлен в технологический процесс. Нагретый до - 50 0С воздух с помощью переключающих клапанов направляется по второй, параллельный регенератор, охлаждая его, после чего с помощью турбокомпрессора горячий воздух выбрасывается в атмосферу. Через некото-
рое время происходит переключение потока воздуха - он направляется в охлажденный регенератор, происходит порционное предварительное охлаждение воздуха.
Воздушная турбохолодильная машина (ТХМ) отличается высокой холодо-производительностью, компактностью, не требует ни хладоагента, ни охлаждающей воды.
НИИ шинной промышленности, Чеховским регенераторным заводом, СКБ турбохолодильных машин и ВНИИР-ТМАШ в опытно-промышлен-ных условиях были проведены опыты дробления кусков изношенных шин с текстильным кордом размерами б0*б0 мм с применением холодного воздуха, генерируемого турбохолодильной машиной ТХМ-1-25.
Куски резины, охлажденные в вертикальной холодильной камере до - 85 0С, дробили в молотковой дробилке при частоте вращения ротора 1000об/мин. Установленная колосниковая решетка дробилки имела щели шириной 10 мм. Производительность дробилки составила 1920 кг/ч по загружаемой резине, а удельный расход электроэнергии на дробление при получении резиновой крошки, содержащей 18 % частиц размерами 5-10 мм и 82 % размерами 0-5 мм, составил 58 кВт*ч/т.
На получение из кусков 60x60 мм одной тонны резиновой крошки близкого фракционного состава на дробильных вальцах при комнатной температуре было израсходовано 142 кВт*ч электроэнергии, т.е. в 2,5 раза больше.
На основании этих данных был сделан вывод, что дробление изношенных шин с текстильным кордом (после вырезки бортовых колец) при использовании для охлаждения резины не только жидкого азота, но и холодного воздуха, генерируемого ТХМ, экономически неэффективно по сравнению с обычным
29І
методом их измельчения на дробильных вальцах. Основная причина - высокая стоимость ТХМ и жидкого азота.
Комбинированное охлаждение с использованием хладоагентов и холодильных машин
Стоимость резиновой крошки, получаемой криогенным способом, а следовательно, конкурентоспособность ее применения по отношению к первичному сырью в значительной степени определяется расходом жидкого азота.
С целью сокращения расхода жидкого азота фирма Linde AG разработала способ, основанный на комбинированном применении обычных холодильных машин и жидкого азота. Получаемая при этом экономия затрат на азот перекрывает затраты на холодильную установку и теплообменник и производственные затраты. Так, расход азота при получении крошки 25 мм помола из целых шин или шин, разрезанных на шесть частей, с 0,5 кг/кг шин снижается до 0,22 кг/кг
шин. При этом возрастает потребность в электроэнергии на 0,06 кВт*ч/кг шин для обеспечения работы холодильной машины.
Сущность процесса заключается в следующем.
Жидкий азот, поступающий из емкости 1 в холодильную камеру 2 через распылитель 3, соприкасаясь с находя-
Рис. 1. Схема комбинированного охлаждения с использованием жидкого хладоагента и холодильной машины: 1 - емкость для жидкого азота, 2 - холодильная камера, 3 - распылитель, 4 -транспортер, 5 - испаритель холодильной машины, 6 - компрессор
щимся на транспортере 4 охлаждаемым материалом, испаряется. Выходящий из тоннеля газообразный азот, имеющий повышенную температуру, поступает в испаритель 5 обычной холодильной машины, служащей теплообменником. Охладившийся в теплообменнике газ поступает в холодильный тоннель. Последний может быть разделен на три зоны: А, Б и В. Зона А - предварительного охлаждения, зона Б - смешения, зона В
- дополнительного охлаждения.
На подходе к границе зоны Б пары азота, поступающие из зоны В, имеют более низкую температуру, чем газообразный азот после теплообменника (температура азота около - 63 0С, другие температуры могут быть достигнуты при использовании в холодильной машине других хладоагентов или применения абсорбционной холодильной машины). Наиболее рациональной является такая система, при которой газ, поступающий из теплообменника, смешивается в зоне Б в точке, где такую же температуру имеет газ, поступающий из зоны В. Газ, поступающий из зоны Б в зону А, служит для предварительного охлаждения материала, подлежащего
дроблению. Стабильность газового потока в системе обеспечивается за счет компрессора 6, а частично за счет давления, создаваемого азотом в емкости 1. В случае необходимости для поддержания газового потока могут использоваться вентиляторы, устанавливаемые в холодильном тоннеле или вне его.
Холодильные устройства непрерывного действия
Запатентовано устройство для охлаждения предварительно измельченных изношенных покрышек с транспортирующим шнеком. Это устройство (рис. 3.) состоит из наклонно установленного цилиндра 1 с рубашкой 2, заполняемой жидким хладоагентом, трубопровода для подвода хладоагента 3, загрузочного 4 и разгрузочного 5 устройств.
Куски материала, подлежащего замораживанию, при открытой заслонке 6 поступают в загрузочное устройство. Заслонки 7 и 8 при этом закрыты. В дальнейшем заслонка 6 закрывается, а 7 открывается, и кусок материала поступает в пространство между заслонками 7 и 8. Затем заслонка 7 закрывается, 8 открывается, и кусок поступает в цилиндр, где захватывается шнеком 9 и транспортируется к разгрузочному устройству.
По пути через форсунки 10 на этот материал разбрызгивается хладоагент, что приводит замораживанию материала. Выгрузка осуществляется через разгрузочное устройство, снабженное тремя заслонками 11, 12, 13. Это устройство может быть выполнено таким образом, чтобы можно было одновременно обслуживать две дробилки 18. Закрытие и открытие заслонок осуществляется с помощью пневмоцилиндров 14, 15, 16. Система заслонок и пневмоцилиндров предотвращает потери хладоагента.
Следующий холодильный агрегат (рис. 4.) представляет собой камеру 1, изолированную для предотвращения потерь холода слоем пенополиуретана 2 толщиной 100 мм, в которой расположен конвейер 3, состоящий из пластин V
- образной формы с канавками (для сбора жидкого азота, стекающнго с охлаждаемого материала). Охлаждение материала производится путем распыления на него жидкого азота через распылительное устройство 4. С целью ускорения испарения хладоагента и его контакта с охлаждаемым материалом в камере устанавливается несколько вентиляторов 5.
Рис. 2. Непрерывно действующее шнековое холодильное устройство: 1 - цилиндр, 2 - рубашка, 3 - трубопровод для подачи хладоагента, 4 - загрузочное устройство, 5 - разгрузочное устройство, 6, 7, 8 - заслонки, 9 - шнек, 10 - форсунки, 11, 12, 13 - заслонки, 14, 15, 16, 17 - пневмоцилиндры, 18 - дробилка
Рис. 3. Холодильный агрегат камерного типа: 1 - камера, 2 - изоляция, 3 - конвейер, 4 - распылительное устройство, 5, 6, 7, 10 - вентиляторы, 8 - вентиляционная камера, 9 - теплообменник, 11 - труба, 12 - патрубок
Для предотвращения потерь холодного воздуха вовнутрь камеры двумя воздушными центробежными вентиляторами 6 создается воздушная завеса (А)
- положительная.
На входе в камеру воздушная (отрицательная) завеса формируется двумя вентиляторами 7 по принципу всасывания. Вентиляционная камера 8 имеет всасывающее отверстие и - образной формы. Поток воздуха с большой скоростью идет в направлении (Б), а потом охлаждающего газа в направлении (В). Перед вентиляторами стоят теплообменники 9, предотвращающие образование инея в вентиляторах за счет влаги, содержащейся в наружном воздухе. В камере создаются центробежными вентиляторами 10 промежуточные завесы. При этом один поток движется поперек сечения камеры, что обеспечивается за счет соответственно расположенной трубы 11 с рядом параллельных отверстий. Одни отверстия, снабженные заслонками, непосредственно связаны с верхней частью тоннеля, другие соединены с патрубками 12, спускающимися по бокам ниже ленты конвейера. В результате отсасывать охлаждающий газ из верхней части камеры и из нижней из-под конвейера и регулировать эти потоки.
Выход газовой струи из вентилятора 10 направляется с большой скоростью в низ камеры по всей ее ширине. Это позволяет не только создавать несколько температурных зон от температуры окружающего воздуха до температуры испарения хладоагента за счет варьирования угла каждой из завес и увеличивать скорость переноса тепла и циркуляции газа, но и способствует испарению жидкого теплоносителя, находящегося в нижней части тоннеля. В результате обеспечивается экономия хладоагента за счет его более эффективного использования. Одновременно при этом в камере создается несколько большее давление по сравнению с наружным воздухом.
Заключение
При проведении экспериментов по возведению закладочного массива с использованием измельченной резины (резиновой крошки) от автопокрышек были выявлены следующие недостатки:
- неравномерное рассредоточение резиновой крошки по объему закладочного массива;
- всплытие (выталкивание резиновой крошки) ближе к верхней поверхности закладочного массива за счет более низкой плотности.
Экспериментальным путем было доказано, что для предотвращения всплытия резиновой крошки ее необходимо
предварительно смочить и перемешать с вяжущим веществом. Проникая в поры резиновой крошки, вяжущее вещество тем самым увеличивает ее удельный вес, в связи с чем резиновая крошка становится более тяжелой, и процесс ее всплытия (выталкивания) существенно замедляется. Отсюда следует вывод, что при производстве закладочной смеси необходимо совмещать процессы подачи вяжущего вещества и резиновой крошки еще до подачи компонентов закладочной смеси в смесительный барабан.
Также следует заметить, что после проведения смешивания вяжущего со смоченной резиновой крошкой ее рассредоточение по закладочному массиву
становится также более однородным, так как повышается плотность резиновой крошки за счет внедрения в ее поро-вое пространство вяжущего компонента.
На основании вышесказанного можно сделать вывод о том, что использование переработанной, измельченной резины от карьерных автосамосвалов и другой горно-шахтной техники на пневмоходу позволяет частично использовать ее в качестве заполнителя в закладочной смеси.
Также применение резиновой крошки не потребует существенных изменений в технологической схеме приготовления закладочных смесей и ее последующей транспортировке до места проведения закладочных работ.
— Коротко об авторах
Тишков М.В. - аспирант, кафедра «Технология, механизация и организация подземной разработки руд», Московский государственный горный университет.
