Цепные технологические агрегаты многоцелевого назначения и их развитие

УДК 621.926

Л. А. Сиваченко, А. М. Ровский, И. А. Реутский

ЦЕПНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АГРЕГАТЫ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ И ИХ РАЗВИТИЕ

UDC 621.926

L. A. Sivachenko, A. M. Rovski, I. A. Reutskiy

MULTI PURPOSE CHAIN PROCESS SYSTEMS AND THEIR DEVELOPMENT

Аннотация

Изложены проблемы комплексной переработки влажных материалов: мела, мергеля, глины, трепела и других. Показаны актуальность и необходимость создания высокоэффективного технологического оборудования. Предложена концепция адаптивных методов переработки сырья и описаны новые конструкции цепных агрегатов для работы с влажными сырьевыми материалами.

Ключевые слова:

цепное полотно, комплекс агрегатов, переработка, измельчение, удаление влаги, влажный материал, органы измельчения.

Abstract

The paper describes the problem of complex processing of moist materials: chalk, marl, clay, tripoli, and others. The urgency and the need for creating high-performance processing equipment are demonstrated. The concept of adaptive methods for processing raw materials is offered and new designs of chain assemblies for wet raw materials are described.

Key words:

chain, complex of assemblies, processing, grinding, removal of moisture, wet material, grinding bodies.

Введение

Вопросы, возникающие в процессе переработки материалов карьерной влажности, таких как мел, мергель для производства цемента и извести, глина для керамических изделий, доломиты, трепел, торф, шлаки, уголь, твердые бытовые отходы и ряд других, решаются путем модернизации известных или создания новых агрегатов и механизмов.

Переработка материалов карьерной влажности сопряжена со значительными трудностями, обусловленными, главным образом, адгезией влажных материалов к рабочим поверхностям технологических машин, а также их пористо-капиллярной структурой, сдерживающей удаление влаги. Это требует проведения механо-

термической обработки, т. е. измельчения с одновременной сушкой. Для осуществления данного процесса обязательно наличие сложного и энергоёмкого оборудования [1, 2].

Трудности в измельчении влажных материалов вызывают необходимость либо предварительной сушки, либо, наоборот, требуют повышения влажности для придания обрабатываемой массе подвижности или текучести. Такое положение особенно характерно для цементной и керамической промышленности.

Существующая технология переработки влажного сырья представляет собой комплекс работ, объединяя такие базовые операции, как измельчение,

©а Сиваченко Л. А., Ровский А. М., Реутский И. А., 2016

сушка, разделение по крупности, гомогенизация и обогащение. Приоритетным условием в разработке агрегатов для переработки влажного сырья является выполнение приведенных процессов в одном агрегате и с минимально возможными издержками. Подобное условие связано с технологическими особенностями переработки материала, поскольку для эффективной сушки сырья необходимо его как можно тоньше измельчить, чтобы обеспечить максимальный контакт поверхности частиц материала с теплоносителем.

Основываясь на высказанных положениях, предлагается новое техническое решение агрегата для работы с влажными дисперсными средами - цепные технологические агрегаты.

Основная часть

Создание агрегата для переработки влажных материалов, в основе которого рабочий орган представлен в виде цепного полотна, значительно упрощается, а также устраняются риски заклинивания рабочих органов в процессе работы агрегата за счет подвижности

каждого отдельного звена цепного полотна. Простота конструкции в изготовлении, ремонте и обслуживании дает преимущество данному агрегату по сравнению с имеющимися аналогами в переработке влажных сырьевых материалов, т. к. возможна бесперебойная работа цепного агрегата с материалами неоднородной массой и различной крупностью.

На рис. 1 представлено базовое исполнение цепного агрегата с материалом в его рабочей зоне.

Важнейшей задачей на первом этапе проектирования цепных технологических агрегатов является правильный выбор кинематической схемы, что требует проведения анализа вариантов движения цепных рабочих органов. Для целостного восприятия вариантов движения цепных элементов воспользуемся методами анализа, структуры и кинематических связей в механизмах [3]. Приводя их к условиям работы технологических агрегатов, составим в матричной форме возможные варианты движения цепных рабочих органов (рис. 2).

Рис. 1. Базовое исполнение цепного агрегата с материалом

Рис. 2. Варианты движения цепных рабочих органов

Анализ рассматриваемых схем движения цепных рабочих органов позволяет сделать краткий обобщающий вывод: для реального практического использования в наибольшей степени подходят схемы 1, 2, 4, которые отличаются простотой, обеспечивают достаточно интенсивное воздействие на обрабатываемый материал и дает возможность с минимальными конструктивными изменениями провести их технологическое опробование [4].

В качестве базового объекта изготовлен агрегат, выполненный по схеме 1, технологические испытания которого запечатлены в виде кинограммы технологического процесса (рис. 3). Параллельно проводятся мероприятия, направленные на оценку энергетических показателей работы технологических машин с цепным ра-

бочим оборудованием.

Для переработки различных видов материалов предложен комплекс технологических агрегатов с цепным рабочим оборудованием. В процессе переработки материалов с разнообразными физико-механическими свойствами разные рабочие органы обеспечивают требуемый характер движения обрабатываемого материала и учитывают его реологические и другие технологические закономерности поведения внутри рабочей камеры [5]. В качестве таких агрегатов представим измельчитель влажных сырьевых материалов, основу которого составляет набор цепных элементов, собранных в виде дугообразного гибкого полотна, смонтированного концами цепей на раме и образующего лоткообраз-ную рабочую камеру с приводом колебаний ее нижней части.

>* Л* • . . . • ' V 9 • > ' . . • " / ' НШЦМ:

? -

Рис. 3. Кинограмма процесса измельчения материала на опытном образце

Основываясь на универсальности рабочего оборудования подобного агрегата, рассмотрим варианты его технологического применения по следующим направлениям (рис. 4): измельчение

влажных материалов, гранулирование, селективное измельчение и механоакти-вация строительных смесей [6]. Дадим им краткое описание и соответствующую оценку.

Рис. 4. Варианты исполнения цепных агрегатов

Измельчитель влажных материалов (см. рис. 4, схему 1).

Для эффективной переработки широкой гаммы таких влажных сырьевых материалов, как мел, мергель, глина, трепел, торф, глинозем и многие другие, предлагается принципиально новый агрегат для их измельчения в составе основного массоподготовительно-го оборудования. Материал карьерной влажности подвергается интенсивному разрушению путем ударов, среза, исти-

рания, мелких сколов и просыпается или продавливается через цепную завесу в виде мелкоизмельченного продукта. Крупные недробимые включения отсеиваются на цепной завесе и удаляются. Агрегат может работать на материалах с влажностью до 30 % и с любой исходной крупностью, соизмеримой с размерами приемного отверстия, при этом наличие материала в рабочей камере только способствует улучшению условий его разрушения и принуди-

тельного продавливания через элементы цепного полотна.

На базе измельчителя влажных материалов возможно выполнение такого агрегата, как грохот для разделения сыпучих материалов по размерам кусков или частиц. Просеивание материала осуществляется подобно традиционным способам грохочения с той принципиальной разницей, что влажность материала не ограничивает условия его прохождения через зазоры между элементами цепного полотна.

Гранулятор (см. рис. 4, схему 2).

Для гранулирования материалов представлен агрегат с рабочим органом в виде гибкого полотна. В процессе гранулирования сырье интенсивно смешивается со связующими компонентами за счет постепенного их продвижения по гибкому полотну, совершающему постоянные перемещения, в сторону выгрузочного устройства. Гранулятор наилучшим образом работает при равномерной подаче сырья и связующего компонента, например, через специальные патрубки, т. к. большая масса сырья в рабочей камере затруднит процесс гранулирования ввиду того, что весь объем сырья не смешается со связующим компонентом за время прохождения в рабочей камере. С целью интенсификации процесса гранулирования на гибком полотне равномерно по всей поверхности закрепляют лопасти.

Устройство для селективного измельчения (см. рис. 4, схему 3).

В обогащении полезных ископаемых и в ряде других технологий назначение дезинтеграции не сводится к простому измельчению. В этом случае горная порода должна быть разделена на составляющие ее кристаллы минералов таким образом, чтобы полностью высвободить их, иначе говоря, раскрыть, разъединить сростки для того, чтобы затем разделить освобожденные зерна минералов, пользуясь различиями в их физико-химических и механических свойствах. При этом горная порода неМашиностроение

пременно должна рассматриваться как неоднородный, многофазный материал, каждая фаза которого имеет свои, присущие ей свойства и состав.

Механоактиватор для сырьевых смесей (см. рис. 4, схему 4).

Для механоактивации твердых материалов можно использовать агрегат с цепным оборудованием, в котором в качестве измельчающих элементов применяется множество металлических шаров. Это, по сути, есть шаровая мельница с приводом от кинематических деформируемых стенок помольной камеры с достаточно интенсивным процессом измельчения. При работе меха-ноактиватора происходит не только избирательное измельчение, но и образование новой поверхности на подавляющем большинстве частиц исходной сырьевой массы. Ее технологическая область применения - механоактивация компонентов бетонной смеси по раздельной технологии производства.

Агрегат для измельчения и удаления влаги.

Переработка материалов карьерной влажности до тонкодисперсного состояния или получения композиций с высокой однородностью распределения компонентов сопряжена со значительными трудностями, обусловленными, главным образом, адгезией влажных материалов к рабочим поверхностям технологических машин, а также их пористо-капиллярной структурой, сдерживающей удаление влаги. Это требует проведения механотермической обработки, т. е. измельчения с одновременной сушкой. Для осуществления данного процесса обязательно наличие сложного и энергоёмкого оборудования [7, 8]. Немаловажным фактором в измельчении влажных материалов также является необходимость либо предварительной сушки, либо, наоборот, повышения влажности для придания обрабатываемой массе подвижности или текучести. Такое положение особенно характерно для цементной и керамической

промышленности [1, 9].

Таким образом, мероприятия, связанные с переработкой влажных сырьевых и особенно карьерных материалов: мела, мергеля, глины, доломитов, торфа, обладающих высокой природной влажностью, - одна из наиболее актуальных проблем для промышленности строительных материалов, где измельчение и сушка являются базовыми как при выборе технологии производства, так и для продуктивной работы оборудования. Стоит отметить, что для каждого из перечисленных материалов существует критический диапазон влажности, ограничивающий эффективность их переработки [10].

Решение вышеописанных проблем является первичной задачей, которую традиционными методами успешно реализовать не представляется возможным. Требуется устранение наслоения или налипания на рабочие органы машин сырьевой массы. Технологический агрегат для этих целей должен иметь рабочую камеру и измельчающие органы, совмещенные между собой и изготовленные, например, в виде подвижного цепного полотна, дополнительно оснащенного режущими элементами в виде зубьев, а вне рабочей камеры выполнена зона сушки газовым агентом [11].

Учитывая свойства капиллярно-пористых структур, к которым относятся мел, мергель, глина, трепел и другие, характеризующиеся тем, что движение жидкости в капиллярах зависит от их диаметра и сила сопротивления этому движению тем больше, чем меньше диаметр капилляров [12], выскажем предположение, что активизировать процесс движения такой жидкости к поверхности твердых частиц можно путем интенсивных механических воздействий, приводящих к их разрушению и образованию новой поверхности. Этот механизм движения жидкости в капиллярах можно назвать эффектом ударного вывода жидкости из капилляров и удаления воздушным потоком. Таким

образом, результатом объединения таких технологических операций, как удаление влаги и измельчение, стал агрегат для измельчения и удаления влаги.

Принципиальная схема агрегата для удаления влаги из влажного материала представлена на рис. 5.

Агрегат для измельчения и удаления влаги из сырьевого материала включает корпус 1 с установленным на нём приемным бункером 2. В корпусе 1 размещен шредер 3, препятствующий образованию объемного куска перерабатываемого материала, измельчаемого цепным рыхлителем 4, связанным с приводом 5, причем нижняя часть корпуса 1 совмещена с камерой для удаления влаги 6, снабженной патрубком для подачи газового агента 7. Более крупные куски измельченного и подсушенного материала осаждаются в воронке 8, в то время как более мелкие куски вместе с газовым агентом и влагой попадают в циклон 9, в котором происходит осаждение более тяжелых частиц измельченного и подсушенного материала, а более легкий газовый агент вместе с влагой удаляются вытяжкой 10.

Описанное совмещение процессов измельчения и удаления влаги кардинально изменяет условия переработки сырья, уменьшая его слипание после обработки и, соответственно, повышая сыпучесть. Вывод такой сложной подготовительной стадии переработки из основной части процесса массоподго-товки облегчает всю дальнейшую технологию и позволяет использовать достаточно простое, надежное и эффективное оборудование в последующих стадиях переработки сырья. Работа цепного измельчителя, в конструкции которого имеется большое число зон измельчения, проводит к тому, что в процессе измельчения материала образуется большое количество мелких частиц, которые легко отдают свою поверхностную влагу обдуваемому их потоку газового агента и служат в будущем своеобразной присыпкой между остальной ча-

стью прошедшего через цепное полотно зернистого материала. Полученный таким образом продукт отличается повышенной сыпучестью, стабильным гра-

нулометрическим составом и легко подвергается дальнейшей технологической обработке.

Рис. 5. Принципиальная схема агрегата для удаления влаги из влажного материала

Заключение

Цепные агрегаты находятся у истоков развития. Спроектированные варианты их конструктивных исполнений требуют проведения целого ряда теоретических и экспериментальных исследований. Их главной задачей следует считать разработку единой методики определения основных геометрических и энергетических параметров, функциональных возможностей и показателей надежности, прежде всего, износостойкости цепных элементов.

Широкий спектр технологических возможностей цепных агрегатов вызывает необходимость встраивания их в производственные комплексы на условиях обеспечения синхронности и совместимости выполняемых функций. Особая роль здесь планируется установкам, способным осуществлять несколько процессов одновременно, например, измельчения и сушки, измельчения и смешивания, измельчения и грохочения и т. д.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нохратян, К. А. Сушка и обжиг в промышленности строительной керамики / К. А. Нохратян. -М. : Госстройиздат, 1962. - 603 с.

2. Шуляк, В. А. Сушка и механотермическая обработка дисперсных материалов и сред / В. А. Шуляк. - Минск : БГУ, 2003. - 240 с.

3. Кожевников, С. Н. Механизмы : справочник / С. Н. Кожевников, Я. Н. Есипенко, Я. М. Раскин. -М. : Машиностроение, 1976. - 784 с.

4. Проблемы переработки влажных сырьевых материалов и пути их решения / Л. А. Сиваченко [и др.] // Инженер-механик . - 2015. - № 1. - С. 16-20.

5. Сиваченко, Л. А. Анализ вариантов движения цепных рабочих органов технологических машин / Л. А. Сиваченко, А. М. Ровский, И. А. Реутский // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов : межвуз. сб. ст. - Белгород, 2015. -С. 293-296.

6. Сиваченко, Л. А. Комплект технологических агрегатов с цепным рабочим оборудованием для технологии продуктов первичного передела / Л. А. Сиваченко, А. М. Ровский, И. А. Реутский // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов : межвуз. сб. ст. - Белгород, 2015. - С. 310-316.

7. Процессы в производстве строительных материалов и изделий / В. С. Богданов [и др.]. - Белгород : Везелица, 2007. - 512 с.

8. Технологические аппараты адаптивного действия / Л. А. Сиваченко [и др.]. - Минск : БГУ, 2008. - 375 с.

9. Новое технологическое оборудование для переработки дисперсных сред - основы модернизации базовых отраслей промышленности / Л. А. Сиваченко [и др.] // Инженерное образование и наука в XXI веке. Проблемы и перспективы : сб. тр. - Алматы : КазНТУ, 2014. - Т. 2. - С. 604-613.

10. Технологические переделы с максимальным потенциалом энергосбережения / Л. А. Сиваченко [и др.] // Энергоэффективность. - 2015. - № 10. - С. 20-26.

11. Сиваченко, Л. А. К возможностям создания оборудования для измельчения влажных материалов и удаления из них влаги / Л. А. Сиваченко, А. М. Ровский, И. А. Реутский // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов : межвуз. сб. ст. -Белгород, 2015. - С. 305-309.

12. Сиваченко, Л. А. Современное технологическое машиностроение. Резервы развития / Л. А. Сиваченко // Инженер-механик. - 2011. - № 1. - С. 11-21.

Статья сдана в редакцию 26 января 2016 года

Леонид Александрович Сиваченко, д-р техн. наук, проф., Белорусско-Российский университет. E-mail: 228011@mail.ru.

Александр Михайлович Ровский, аспирант, Белорусско-Российский университет. E-mail: aleksandr_rovski@mail.ru.

Игорь Александрович Реутский, аспирант, Белорусско-Российский университет. E-mail: kazper91@mail.com.

Leonid Aleksandrovich Sivachenko, DSc (Engineering), Prof., Belarusian-Russian University. E-mail: 228011@mail.ru.

Aleksandr Mikhailovich Rovski, PhD student, Belarusian-Russian University. E-mail: aleksandr_rovski@mail.ru.

Igor Aleksandrovich Reutskiy, PhD student, Belarusian-Russian University. E-mail: kazper91@mail.com.