CC BY
18Романович А. А., канд. техн. наук, проф., Глаголев Е. С., канд. техн. наук, Бабаевский А. Н., канд. техн. наук Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЯЖУЩИХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ
а1ехе|гот@уа^ех. ги
В статье представлена промышленная технология и энергосберегающее оборудование для получения композиционного вяжущего со снижением энергоемкости процесса до 50% за счет синерге-тического эффекта при механоактивации сырьевой смеси с замещением клинкерной составляющей минеральной гидроактивной добавкой. Увеличение энергетической эффективности линии достигается совместной работой пресс-валкового агрегата и роторно-вихревой мельницы сверхтонкого помола новых конструкций.
Ключевые слова: промышленная технология, синергетический эффект, пресс-валковый измельчитель, роторно-вихревая мельница
К началу XXI века человечество накопило такое количество техногенных отходов, что их можно условно назвать новыми месторождениями. Поэтому на сегодня остро стоит задача по их использованию с минимальными затратами на переработку.
Например, только запасы отходов в виде шлаков электросталеплавильных печей Осколь-ского электрометаллургического комбината составляют более 4 миллионов тонн, при ежегодном пополнении около 500 тысяч тонн.
В настоящее время имеется ряд разработок по использованию шлаков в производстве строительных материалов, строительстве, ремонте и реконструкции автомобильных дорог [1-3]. Установлено, что применение шлаковых материалов в конструктивных слоях одежд, оснований дорог и составляющих асфальтобетонных покрытий, в качестве песчаного заполнителя и минерального порошка, снижает себестоимость строительства и повышает качество и надежность дорожного покрытия.
Известна также технология получения минеральных вяжущих с использованием шлаковых отходов доменных печей металлургических производств, одной из основных составляющих которой, является тонкое измельчение её компонентов, в том числе и шлаков.
Однако исходный продукт - шлак, представляет собой достаточно твердый материал с пределом прочности зерен Р = 300 - 320 кг/см2, абразивными свойствами и имеет более значительные размеры чем требует конечный продукт, что требует производить его измельчение и помол для получения необходимого продукта.
В настоящее время существует большое разнообразие помольных агрегатов и систем, применяемых для измельчения материалов и
техногенных отходов, которые имеют различные прочностные характеристики.
Проведенный анализ технико-
экономической эффективности от использования существующих и разрабатываемых помольных систем [4-6], позволил выявить как наиболее эффективные те системы, у которых реализуется принцип постадийного измельчения материалов с выносом стадии грубого помола в отдельный агрегат - пресс-валковый измельчитель (ПВИ), осуществляющий более экономичный способ разрушения шихт (объемно-сдвиговое деформирование), чем например, удар и истирание.
Учеными БГТУ им. В.Г. Шухова разработана промышленная технология и энергосберегающее оборудование для получения композиционного вяжущего со снижением энергоемкости процесса до 50% за счет синергетического эффекта при механоактивации сырьевой смеси с замещением клинкерной составляющей минеральной гидроактивной добавкой. Технологический процесс (рис.1) построен на последовательном вводе компонентов в дисперсных фазах в сырьевую смесь в тракте помола и на сепарации продукта с определенными дисперсными характеристиками.
Увеличение энергетической эффективности линии достигается совместной работой пресс-валкового агрегата, являющегося разработкой ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, и роторно-вихревой мельницы сверхтонкого помола новой конструкции. В таком случае достигается получение синергетического эффекта. Технология получения композиционного вяжущего подразумевает измельчение сырьевых материалов до дисперсности с показателями удельной поверхности 4000...4500 см2/г.
Используемый на стадии предварительного
помола пресс-валковый измельчитель (рис. 2) имеет следующие технические характеристики.
приведенные в таблице 1.
Рис. 1. Технологическая схема производства композиционных материалов: 1,2,3 - бункера исходных материалов; 2 - ПВИ; 3,5,8,10,12- шнековый питатель; 4- сушильный барабан; 6 - накопительный бункер; 9- бункера добавок; 11- смеситель; 13-упаковочная машина; 14- склад готовой продукции.
Применение ПВИ в технологической линии получения минеральных вяжущих обеспечивает, в зависимости от свойств измельчаемых материалов, снижение удельного расхода электроэнергии на 25-40% и повышение производительности агрегата, используемого на стадии помола, на 30-40%. Это достигается за счет использования конических валков, в которых осуществляется объемно-сдвиговое деформирование частиц измельчаемого материала, а также
эффекта самоизмельчения, реализуемого в слое материала при высоком давлении между валками. Сжатие минеральной частицы между двумя рабочими органами приводит к измельчению только ее самой, тогда как сжатие частицы между другими приводит к измельчению всех находящихся в контакте частиц, при этом для достижения необходимой крупности продукта требуется менее половины энергии, расходуемой шаровыми мельницами.
Таблица 1
Техническая характеристика пресс-валкового измельчителя,
№ п/п Технические характеристики Значение параметров
1. Геометрические размеры валков, ДхВ 0,5х0,3 м
2. Величина конусности валков, К 0,3 м
3. Зазор между валками, (3-8)х10-3 м
4. Окружная скорость вращения валков 0,8 м/с
5. Установочная мощность привода валков 2х7,5 кВт
6. Максимальное усилие противодавления 90х104Н
7. Производительность агрегата, т/ч 5-8 т/ч
Кроме того материал после обработки давлением имеет товарную форму в виде спрессованных пластин и микродефектную структуру (рис.3) , что позволяет осуществлять его помол на последующей стадии с меньшими энергозатратами.
Возможность создания широкого спектра сдвиговых деформаций, за счет формы валков и большого диапазона давлений, создаваемых в ПВИ, предопределяет его использование для переработки материалов в широком диапазоне физико-механических свойств.
Однако на эффективность процесса измельчения материалов в ПВИ в том числе и на величину затрат при окончательном помоле существенное влияние оказывают следующие факторы: величина давления прессования Р, конусность валков, определяющая величину сдвиговых деформаций.
Создаваемая величина давления между валками влияет не только на степень измельчения материала, но и на прочность спрессованных пластин, выходящих из ПВИ, что сказывается на эффективности процесса измельчения.
Проведенный анализ графических зависимостей (рис.4) построенных по результатам экспериментальных исследований по изучению влияния давления измельчения и величины сдвигового деформирования на степень измельчения Е и плотность спрессованных пластин Ку, для исследуемого материала шлака позволил
установить следующее. Что при увеличении давления прессования Р до 300 МПа наблюдается интенсивный рост степени измельченности и коэффициентов уплотнения материалов. Дальнейшее повышение давления прессования свыше Р=300 МПа влечет за собой лишь незначительное повышение Е, и Ку
а)
Рис. 2. Пресс-валковый измельчитель: а- общий вид, б - вид на валки
б)
Е, 70
Рис.3. Шлак измельченный в ПВИ: а- товарная форма; б - микродефектная структура (х 80)
Б,% Ку
Ку
60
50
70
60
Ку^ •----,
— - т
Е
2,5
О 100 200 300 400
■ Р, МПа
О 15
30
45 60
Рис. 4. Влияние давления измельчения (Р,МПа) и сдвигового деформирования частиц шлака (а) на степень
измельченности и коэффициент уплотнения.
Так, например, при увеличении давления прессования от 100 МПа до 300 МПа, степень измельченности соответственно возрастает с ^=49,4% до Е=64,2%, т.е. на 14,7% . Дальнейший рост давления прессования до Р=350 МПа влечет за собой прирост Е на 0,95% и 0,54% Коэффициенты уплотнения исследуемых материалов при увеличении Р от 100 МПа до 300 МПа возрастают соответственно с 1,4 до 2,0 т.е. на 42%. Последующий прирост давления прессования до 350 МПа приводит к незначительному увеличению коэффициентов уплотнения т.к. с 2,0 до 2,05, т.е. на 4%, что почти не сказывается на Ку. Это позволяет сделать вывод о том, что «порог насыщения» для шлака наступает при давлении Риз = 300 МПа. Величина «порога насыщения» подтверждают целесообразность поддержания давления измельчения на уровне указанной величины.
При увеличении величины сдвигового деформирования от 0 до 45 степень измельченно-сти шлака возрастает, соответственно, с 62,2% до 70,6% на 13,5%, а коэффициент уплотнения возрастает с 2,05 до 2,3 на 12 %. Дальнейшее увеличение величины угла наклона от а=45° до а=49,1° не приводит к приросту степени из-мельченности. Вышесказанное подтверждает теоретические выводы и объясняется тем, что при увеличении угла наклона рабочей поверхности в пределах от 0 до 45, а, следовательно, увеличения сдвиговых деформаций снижается предел прочности материала за счет рационального сочетания раздавливающих и сдвиговых усилий.
На стадии окончательного помола предварительно измельченных материалов используется роторно-вихревая мельница сверхтонкого помола, которая в позволяет получить синерге-тический эффект, за счет механоактивации частиц при их измельчении до удельной поверхности 4000...4500 см2/г. Данная технология также может быть также использована в дорожном строительстве для получения минеральных добавок с высокой активностью.
Таким образом, использование промышленной технологии и энергосберегающего обо-
рудования для получения композиционного вяжущего со снижением энергоемкости процесса до 50% не только позволяет утилизировать техногенные отходы металлургических производств, но и способствует получению более дешевых строительных, теплоизоляционных и других материалов. Рациональная величина давления измельчения шлаковых материалов в ПВИ равна 300 МПа, а величина сдвигового деформирования ограничена углом наклона образующей, равной 450.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Будников П.П., Значно-Яровский И.Л. Гранулированные шлаки и шлаковые цементы. М.: Изд. Промстройиздат, 1983. 223с.
2. Пироцкий В.З. Совершенствование техники и технологии измельчения портландце-ментного клинкера: Оценка эффективности помольных систем. // Со тр. НИИцемента. 1986. Вып.90. С. 3-23.
3. Богданов В.С. Оптимизация процесса помола в производстве цемента/ В.С. Богданов, Р.Р. Шарапов, Ю.М. Фадин // Междунар. конгресс производителей цемента 9-12 октября 2008г. БГТУ им. В.Г. Шухова в Белгороде: сб. докл. М: Европейский технич. ин-т, 2008. С. 2039.
4. Романович А.А. Энергосбережение при производстве строительных изделий // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. №3. С. 69-71.
5. Grinding tehnology. POLYCOM. High-pressure grinding roll. Krupp Polysius, Gtrmany. №7. 1990.
6. Романович А.А. Энергосбережение при производстве строительных изделий // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. №3. С. 69-71.
7.Романович М.А., Евтушенко Е.И., Романович Л.Г., Оспищев П.И. Государственная поддержка инновационного предпринимательства молодых ученых на базе вузов России и Белгородской области // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. №2. С. 117.
