Подготовка сырья

Глина добывается на карьере многоковшовым экскаватором. Доставляют глину самосвалом. Прежде чем начать обработку сырья (измельчение) необходимо ее вылеживание. Вылеживание происходит в глинозапаснике.

Процессы, происходящие при вылеживании глины.

Вылеживание глины имеет очень большое значение. Усреднение улучшает перемещение разнородных по свойствам слоев глины, содействует некоторому разрушению ее природной структуры, повышает эффективность последующей механической обработки глины.

Однородность сырца, сформованного из глины, выдержанной в глинозапаснике, повышается, а прочность изделий увеличивается на 10 -15% по сравнению с изделиями, изготовленными из глины, взятой непосредственно из карьера.

В процессе вылеживания, с увеличением количества прочно связанной воды, происходит более полная гидратация глинистых частиц, что повышает пластично-вязкие и эластичные свойства. /13/

Процессы, происходящие при измельчении.

Сущность измельчения и тонкого помола заключается в разрыве поверхностного слоя твердого материала, т.е. в преодолении ими поверхностного натяжения, и в разъединении внутренних частиц материала в результате преодоления сил взаимного притяжения молекул.

В процессе измельчения и тонкого помола достигается не только механическое дробление, но и обогащение природного сырья, в результате чего получают формовочную массу, удовлетворяющую требованию механическим свойствам. При тонком помоле водопрочные оболочки, цементирующие элементарные частицы глины, и сами частицы разрушаются, и вместе с этим сопровождается увеличение свободной энергии (молекулярных связей). Увеличивается количество частиц материала с дефектами кристаллической структуры и с разорванными поверхностными связями, проявляющимися в нарушении чередования слоев и сеток в пределах слоя. Увеличение количества частиц в единице объема рабочей массы, а, следовательно, и числа контактов между ними, способствует большему проявлению Ван-дер-ваальсовых сил. При разрушении водопрочных оболочек создаются условия для более полной дегидратации глинистых частиц, повышается сцепление между ними, улучшаются сушильные свойства глин. Во время сушки глин уменьшаются толщина гидратных оболочек, которые снижают экранирование молекулярных сил, способствуя возникновению прочных связей между частицами и повышая тем самым трещиностойкость изделия во время сушки и прочность их в высушенном состоянии. Значительное место в этом процессе занимают и физические явления (деформация кристаллической решётки измельчаемых материалов без существенного разрушения её, выделение тепла и нагрев частиц измельчаемых материалов, деталей измельчающего устройства). Всегда при этом наблюдаются также химические явления (разрыв связей между структурными элементами кристаллической решётки измельчаемых материалов, то есть разрушение её; возбуждение электронов при разрыве связей и возможное взаимодействие твёрдого тела с молекулами окружающей среды вплоть до образования определённых соединений, то есть механические явления) и физико-химические явления (адсорбция свеж образовавшимися поверхностями частиц измельчаемого материала молекул газов и поверхностно-активных веществ из окружающей среды и т.д.) Измельчать материалы можно разными способами (рис.2.1): раздавливанием, изгибом, раскалыванием, ударом, а также истиранием. /13/

Способы измельчения материалов

Рис. 2.1.

а – раздавливание, б – изгиб, иначе – разламывание, в – раскалывание,

г – удар, д – истирание.

Теории измельчения:

1) Поверхностная теория основана на гипотезе, что работа А_S, затрачиваемая на измельчение тела, пропорциональна величине вновь полученных поверхностей тел, т.е.

А_S =δ ₁•S, Дж

где δ ₁ − коэффициент пропорциональности.

Отношение работ при больших степенях измельчения − m и n может быть выражено уравнением А_n/A_m=n/m, которое показывает, что работы, затрачиваемые на измельчение, прямо пропорциональны степеням измельчения или вновь образованным поверхностям.

2) Объемная теория проф. В. Л. Кирпичева основана на том, что материал деформируется под действием внешних сил, вызывающих в нем напряжения. Когда напряжения в материале становятся равными пределу прочности при сжатии, материал разрушается (дробится).

По объемной теории работа, требуемая для производства аналогичных изменений в очертании геометрически подобных тел одинакового состава, изменяется пропорционально их объемам и отвечает уравнению

А= δ ₂ •V, Дж

где δ ₂ − коэффициент пропорциональности.

3) Обобщающая теория акад. П. А. Ребиндера основана на том, что работа А, затраченная на разрушения тела, соответствует формуле

А= δ ₁•S+ δ ₂•V, Дж

где δ ₁, δ ₂ − коэффициенты пропорциональности, Н/м и Н/м²;

S − вновь образующаяся поверхность, м²;

V − часть объема тела, подвергшаяся деформации, м³.

Теория академика П.А. Ребиндера обобщает поверхностную и объемную теорию измельчения материалов. Существенным недостатком теории является то, что еще нет научно обоснованных способов для определения δ ₁ и δ ₂, в результате чего она, как и предшествующие ей теории, имеет небольшую практическую ценность. /14/

Разрушение твердого тела происходит всегда не мгновенно, а стадийно, ступенчато. Под воздействием измельчителя в нем сначала возникают поверхностные микротрещины, которые затем от последующих ударов постепенно разрастаются вглубь измельчаемых кусочков, вплоть до их разрушения на части.

Если эти трещины очень малы, то наличие сил сцепления между узлами кристаллической решетки, удалившихся друг от друга на незначительное расстояние, приводит к обратному смыканию трещины (явление когезии). В случае же адсорбции в эти микротрещины молекул газов, жидкости и частичной компенсации свободной энергии узлов кристаллической решетки, разорвавших свои связи, вероятность залечивания (смыкания) микротрещины значительно снижается. Разрастаясь от последующих воздействий измельчителя и не «залечиваясь» от продолжающейся адсорбции в нее молекул адсорбирующегося компонента, трещина постепенно перекрывается с другими трещинами, что и ведет тело к рассыпанию на более мелкие части. Таким образом, время на разрушение материала в воздушной, а тем более в жидкой среде, сокращается, снижаются и затраты энергии на помол.

Подобный эффект ускорения измельчения во влажной и воздушной средах получил название «адсорбционного понижения прочности твердого тела», «эффекта Ребиндера».

Схема эффекта Ребиндера

Рис.2.2.

а) микротрещина; б) залечивание микротрещины в отсутствии жидкости; в) адсорбция молекул жидкости и газов в микротрещину

Пластические керамические массы являются дисперсными системами, состоящими из твердой и жидкой фаз и способными образовывать связанные пространственные структуры. По свойствам (прочность, вязкость, время релаксации и др.) они занимают промежуточное положение между твердыми и жидкими веществами. Согласно учению Ребиндера П. А., пластические массы относятся к коагуляционным структурам, в которых взаимодействие между твердыми частицами за счет ван-дер-ваальсовых и электростатических сил осуществляется через разделяющие прослойки жидкости. Коагуляционным структурам присуща тиксотропность, т.е. они могут восстанавливать свою структуру после разрушения.

При удалении жидкой связки из пластических масс их структура превращается в конденсационную, отличающуюся непосредственным контактом твердых частиц между собою. Такая система обладает более высокой прочностью, но разрушение ее структуры при механических воздействиях носит хрупкий и необратимый характер. /13/

Процессы, происходящие при вылеживании шихты.

После механической обработки шихта вылёживается в шихтозапасниках для снятия напряжений сдавливания и механической обработки – происходит релаксация напряжений. Это приводит к улучшению формовочных и сушильных свойств сырья для производства кирпича. Кроме

этого, при вылеживании глина проявляет такое свойство, как тиксотропное упрочнение – способность увеличивать свою прочность или самопроизвольно восстанавливать структуру с течением времени при неизменной влажности. Схематически это свойство показано на рис. 2.3.

Схема тиксотропного упрочнения глины

W = const

τ ₀ τ ₁ τ ₂ τ ₃ τ

Рис. 2.3

Как видно из рис. 2.3, в начальный момент масса имела прочность . При выдержке в течение времени τ ₁ прочность массы самопроизвольно увеличилась и достигла . Если в этот момент разрушить структуру и снова дать ту же временную выдержку, то процесс самоупрочнения повторится и прочность массы опять достигнет . По окончании последующих разрушений масса опять восстанавливает свою прочность. Это явление находит объяснение в более глубокой с течением времени гидратации глинистых частиц, более высокой степени ориентации молекул воды вокруг зерна глинообразущего минерала и, вероятно, в переходе части свободной воды в связанное состояние.

Минимальное время вылёживание шихты в шихтозапаснике – 24 часа. Вылеживание глинистого сырья на 20-30% повышает прочность обожженных изделий. /15/