CC BY
49
УДК 662.331:622.31:812
А.В. Волков, Н.И. Нестерова, О.В. Пухова
ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ МЕЛКОКУСКОВОГО ТОРФА ОТ ДИСПЕРСНОСТИ И ВЛАГИ
Семинар № 12
ш в рочность это свойство твердого
II тела сохранять целостность при напряженном состоянии. Напряженное состояние может возникать как под действием внешних, так и внутренних сил. Чаще под прочностью понимается способность тела сопротивляться механическим воздействиям, то есть механическая прочность [1]. По отношению к твердой фазе торфа внешними служат капиллярноосмотические силы, приводящие систему к изменению объема, растрескиванию и возможному разрушению.
За прочность коагуляционных структур (по П.А. Ребиндеру, Е.Д. Щукину) отвечают виды связей между частицами и их количество, а также дефекты структуры, введенные и впервые обоснованные для коллоидных и капиллярно-пористых торфяных и сапропелевых тел в [2, 3].
К технологическим факторам, влияющим на прочность, относятся дисперсность и начальная влага формования.
Дисперсность - один из основных технологических факторов, позволяющих управлять прочностью формованного торфа. Влияние дисперсности, как технологический прием, изучалось неоднократно. Однако разнообразная сырьевая база, а также новые подходы, разработанные на кафедре технологии и комплексной механизации разработки торфяных месторождений [2, 3], требуют в каждом конкретном случае дополнять эти исследования. В нашем случае дисперсность характеризуется условной удельной поверхностью частиц £ (м2/кг), слагающих кусок.
При формовочном влагосодержании торфяные куски (d = 40 мм, l = 60 мм) представляют собой структурированные системы преимущественно с коагуляционным типом контактов и широким спектром энергии связи между частицами. Процесс сушки является одним из способов повышения концентрации твердой фазы, происходящих в торфе. Сушка велась при конвективном теплоподводе при Т = 295 К, ф = 0,6 без влагообмена с торфяной залежью.
Обратимся к зависимости прочности R от влагосодержания W в виде ln Rt = f(W) (рисунок). Она представляет собой ломаную линию, состоящую из двух прямолинейных участков [2] с точкой перегиба W = W,., которые обусловлены изменением энергии межмолекулярных взаимодействий дисперсных частиц между собой. При этом характер изменения энергетического уровня приводит к четкой фиксации отдельных периодов структурообразования. Для каждого из периодов структурообра-зования зависимость прочности от влаго-содержания торфа при постоянной температуре определяется по формуле С. С. Корчунова, А.Е. Афанасьева:
R,=Row exp(-XW ), (1)
где X = (p-k г)/(с-у0) - коэффициент упрочнения структуры, определяемый p - плотностью твердой фазы, Y0 - плотностью сухого вещества торфа, коэффициентом усадки k V и уплотнения с.
Изменение прочности Я (МПа) в зависимости от влагосодержа-ния Ж (кг/кг): а) — верхового ма-гелланикум Я = 25 % £ = 580 (1), 450 (2), 390 (3), 309 (4) м2/кг; Ь) — пушицевого торфа Я = 35 % £ = 570 (1), 445 (2) и 370 (3) м2/кг
Для верхового магеллани-кум торфа Я = 25 % с начальной дисперсностью £ = 309 м2/кг торфяной массы точка перегиба С приходится на вла-госодержание Жс = 0,9 кг/кг. Относительно невысокое значение прочности кусков торфа при Ж = 0,49 кг/кг определяется характером распределения усадочных давлений, которые в центре куска выше, чем на поверхности. Это условие вызывает изменение прочности формованного торфа. С увеличением дисперсности до £=450 м2/кг распределение усадочных давлений равномернее, что приводит к более однородной упаковке частиц по всему объему куска и росту прочности. Значение влагосодержания, соответствующего точке перегиба Жс, составило уже 1,3 кг/кг. При дальнейшем увеличении степени дисперсности до £ = 580 м2/кг растет плотность упаковки частиц и поэтому прочность возрастает и достигает Ri = 9,3 МПа (Ж = 0,49 кг/кг, Жс = 1,4 кг/кг). Итак, влагосодержание Жс точки перегиба изменяется в зависимости от степени переработки торфяной массы, то есть второй период структурообразова-ния начинается не одновременно для исследованных значений дисперсности торфа и, в зависимости от этого, меняется продолжительность периодов структуро-образования.
При сушке мелкокускового торфа от формовочной влаги до влаги точки перегиба коагуляционная структура торфяных кусков упрочняется в результате сближе-
ния и уплотнения надмолекулярных образований, что объясняет их интенсивную усадку. В этом интервале влагосодержа-ний удаляется влага физико-механической формы связи. Обезвоживание происходит вследствие потока влаги из крупных в узкие пространства. При этом растет число элементарных актов взаимодействия, что обеспечивает развитие внутренних давлений неодинаковых в верхних и центральных слоях куска. Во втором периоде удаляется преимущественно физикохимическая форма связи влаги с материалом.
При структурообразовании необходимо учитывать склеивание растений-торфообразователей гуминовыми и легкогидролизуемыми веществами в единую систему, то есть от относительной доли грубодисперсных и высокодисперсных фракций зависит целостность куска формованного торфа. Как видно, из рисунка, повышение степени дисперсности торфа приводит к увеличению прочности формованной продукции, так как помимо измельчения торфа при переработке происходит равномерное распределение грубодисперсных и высокодисперсных фракций в объеме формуемой массы. Причем вы-
Торф Я, % Я0, МПа Ф0, кДж/кг X 1 Х 2 X ф кх1 кХ2
10 8,2 1,65 0,92 2,4 1,49 0,62 1,61
верховой 15 11,0 1,48 0,86 2,2 1,18 0,73 1,86
магелланикум 20 12,2 1,64 0,85 2,15 1,13 0,75 1,93
35 14,9 1,34 0,75 1,82 0,88 0,85 2,07
15 7,4 1,08 0,81 2,15 0,99 0,82 2,17
низинный 25 14,1 1,11 0,88 2,03 0,83 1,06 2,45
осоковый 35 15,6 1,19 0,98 1,81 0.76 1,29 2,38
50 6,7 1,21 0,85 2,24 0,66 1,29 3,35
сокодисперсная фракция склеивает крупные отдельные частицы в одно целое, что повышает число контактов между частицами в куске и снижает количество дефектов структуры [2, 4].
Однако изменение влагосодержания материала не дает достаточной информации о характере его физико-механических превращений, а служит только фазой передающей системе перепады капиллярно-осмотических давлений через цепочку взаимодействий функциональных групп с молекулами воды, которые также выступают в роли «залечивающего» фактора дефектов структуры тела. Поэтому с позиции термодинамики влага рассматривается как одна из фаз торфяных систем, находящихся в физи-ко-хими-ческом взаимодействии. При этом из-за нестабильности протекающих процессов обезвоживания может оказаться так, что элементы структуры внутри частиц будут находиться в случайных положениях относительно друг друга, создающих градиенты капиллярно-осмотических давлений. Это обстоятельство и приводит к возникновению объемно-напряженного состояния, способствующее образованию дополнительных дефектов структуры [2] и дальнейшему растрескиванию формованных кусков. Подобное условие проявляется в коллоидных капиллярно-пористых телах, которые подвержены интенсивной усадке.
Интенсивно диспергированный торф представляет собой своеобразную систему, постепенно приближающуюся с увеличением дисперсности, к коллоидным материалам. Поскольку поверхностные явления наиболее резко проявляются в коллоидно-дисперсных системах, поэтому торф нужно рассматривать как гетерогенную систему на всех стадиях диспергирования. Работа, затраченная на диспергирование, то есть на увеличение поверхностной энергии, может быть заменена нагревом формуемого материала [5] с сохранением качества готовой продукции, мы рассматриваем закономерности, связанные с диспергированием и получением прочного торфяного куска.
Торф в определенном состоянии представляет собой трехфазную коллоидную систему. При получении формованной продукции из торфа-сырца желательно в целях создания прочной структуры и повышения эффекта сушки получить двухфазную систему без наличия газовой фазы. Фазой, как известно, называется гомогенная в физическом и химическом смысле часть системы, отделенная от остальных ее частей ограничивающими плоскостями [6]. В физическом и химическом смысле сухое вещество торфа является гетерогенным, принято называть твердой фазой. Переход торфа из одного состояния в другое обуславливается изменением массы сухого вещества в единице объема. При пере-
Ш, кг/кг 0,25 0,5 0,75 1,0 1,5 2,0
0,0039 0,0049 0,0056 0,0058 0,004 0,003
ходе торфа из вязкопластичного в твердое состояние частицы оказываются в случайных положениях относительно друг друга и затвердевают не кристаллизуясь.
Связывая величины прочности с потенциалом влаги Ф на различных этапах обезвоживания системы можно проследить, как энергия связи влаги с материалом влияет на формирование структуры последнего. Поэтому потенциал влаги, определяемый в эксперименте, представляет собой комп-лексный энергетический показатель. Поэтому связь между водно-физи-ческими и прочностными свойствами формованного торфа, которую можно представить в виде степенной зависимости:
Я = я0№ (Ф/Ф0) ,
(2)
где кХ - относительное значение константы структурообразования, кХ = Х/ХФ (табл. 1), I = 1, 2 - периоды структурообразования, X и ХФ - соответственно константы упрочнения структуры и изменения физико-химических особенностей торфа на энергию связи влаги с твердой фазой.
Зависимости Ri =Д£) при различных значениях влагосодержания линейные и носят экспоненциальный характер:
R,=Ros ехр(Хх £), (3)
где Х£ - коэффициент, характеризующий изменение прочности при колебании дисперсности на 1 м2/кг. В табл. 2 представлены значения коэффициентов уравнения (3) для верхового магелланикум торфа Я = 25 %, £ = 309...580 м2/кг,
R0£ = 9,6.. .16,2 МПа. Аналогичные значения найдены и для других видов торфа.
Оценим функциональную связь между основными константами структурообразо-вания торфа. Приравнивая значение R из уравнений (1) и (3) найдем константу R0£:
Ro£=Row ехр[-(ХЖ + X* £)], (4)
то есть R0S тем меньше чем больше значения влаги и дисперсности при прочих равных условиях, что соответствует физическим процессам структурообразования [7]. Влияние температуры и потенциальной энергии взаимодействия следует из подстановки в уравнение (4) значение R0W=R0Г ехр[Ео/^*Г)] получим:
Ros=Roт ехрЕ/^Т)] - (ХЖ + X* £)].
Следовательно, значение коэффициента R0£ в формованном торфе растет с уменьшением температуры сушки и увеличением энергии взаимодействия между частицами Е0 и соответственно потенциала влаги
ехр[кх1п(Ф0/Ф) + Хх £], где Ф0 - начальное значение потенциала влаги [7].
Анализ полученных результатов, а также данных [2, 7] показывает, что сушка формованного торфа происходит при двух периодах структурообразова-ния. Для получения качественной продукции необходимо управлять процессами структурообразования на ранней стадии сушки, когда влагосодержание торфяной системы максимально и выше ее степень переработки.
-------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Физико-химические основы технологии рентьев, Е.Т. Базин, А.А. Головач. Мн.: Наука и
торфяного производства / И.И. Лиштван, А.А. Те- техника, 1983. 232 с.
2. Афанасьев А.Е. // Коллоид. журнал. 1981. Т. 48. № 5. С. 835.
3. Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства. М.: Недра, 1992. 288 с.
4. Коагуляционные контакты в дисперсных системах / В.В. Яминский, В.А. Пчелин, Е.А. Амелина, Е.Д. Щукин. М., 1985. 185 с.
5. Афанасьев А.Е., Тяботов И.А. // Известия вузов. Горный журнал. 1984. № 8. С.27.
6. Лиштван И.И., Базин Е.Т., Косов В.И. Физические свойства торфа и торфяных залежей. Мн.: Наука и техника, 1985. 240 с.
7. Пухова О.В. Закономерности изменения физических свойств торфа при его переработке и сушке. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Тверь. ТГТУ, 1998. 20 с.
— Коротко об авторах ---------------------------------
Волков А.В. - аспирант,
Нестерова Н.И. - студентка,
Пухова О.В. - кандидат технических наук, доцент, Тульский государственный технический университет.
-------------------------------------- © С. А. Шемякин, Е.С. Клигунов,
2006
УДК 621.879.38:622.232
С.А. Шемякин, Е. С. Клигунов
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОСЛОЙНО-ПОЛОСОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Семинар № 12
ш ж ослойно-полосовые технологии II добычных работ с применением выемочных машин фрезерного типа нашли широкое применение во всем мире за счет возможности вести селективную экскавацию полезного ископаемого в сложноструктурных месторождениях. Немаловажное значение имеет и то обстоятель-
ство, что современные выемочные машины фрезерного типа обеспечивают разработку достаточно крепких пород. Это позволяет в свою очередь уменьшить объем буро-взрывных работ, оказывающих вредное влияние на окружающую среду.
