Механические процессы и аппараты

Основные понятия, процессы и явления

Механические процессы – п., связанные с механической обработкой и переработкой сырьевых материалов (например, рыхление, измельчение классификация сортировка, и др.) и подчиняются основным законам физики твердого тела и основным положениям теории сыпучих сред;

Абразивная обработка (франц. аbrasif – шлифовальный, от лат. аbrasio – соскабливание) – процесс обработки материала путем снятия тонкого поверхностного слоя абразивом или специальным инструментом. К А.о. относятся шлифование, полирование, притирка, доводка, хонингование, затачивание.

Гранулометрия – сочетание в сыпучей смеси зерен либо гранул различных размеров и формы.

Гранулометрия рассматривает как свойства отдельных зерен, так и характеристики смеси в целом.

Каждое зерно, в отдельности, характеризуется размером, формой, плотностью, химическим и минералогическим составом.

Размеры зерна зерно в плане

> 10мм

5÷ 10

d 2, 5÷ 5

l размеры фракций отверстие сита

l b

а) б) в)

Рис.3.1. Схемыизображения зерна (а), набора сит (б), отверстия сита (в)

Для проектирования макроструктуры материала необходимо изучить гранулометрию сыпучих смесей.

Различают смеси с непрерывной и прерывистой гранулометрией. Смеси с непрерывной гранулометрией (дисперсии) содержат зерна практически любых размеров (в требуемых пределах). В этом случае имеет место термин “ зерновой состав ”. Прерывистая гранулометрия - это такой состав сыпучей смеси, в котором зерна, близкие по размерам группируются, образуя фракции (при отсутствии сплошной гранулометрии). В этом случае имеет место термин “ фракционный состав ”.

Зерновой состав характеризуется, в основном, размером зерен и их формой, а фракционный - размером фракций и их количеством. Для получения изделий требуемой (плотной или пористой) структуры необходимо знать как фракционный, так и зерновой составы смеси. При этом, первый имеет первостепенное значение, а второй - вспомогательное, так как максимальная плотность упаковки смеси однородных зерен без уплотнения составляет, примерно, 74% и это не зависит от размера зерна, хотя его форма при упаковке все же имеет существенное значение.

Грохочение – механическое разделение сыпучих материалов на фракции (классы, сорта) по крупности путём просеивания через одно или несколко сит.

Дисперсность – степень раздробления (диспергирование) вещества на частицы. Чем мельче частицы, тем выше дисперсность

Дробление – процесс измельчения кусковых материалов, размером 10…1500 мм. Основные способы Д.: раздавливание, раскалывание и удар. Степень измельчения i (отношение среднего характерного размера D куска материала до измельчения к среднему характерному размеру d куска после измельчения, i=D/d) при дроблении колеблется в пределах 2…50. В зависимости от крупности исходных кусков различают: – крупное дробление (исходный размер кусков 300…1500 мм, i ~ 2…6); - среднее дробление (исходный размер кусков 100…300 мм, i ~ 5…10); - мелкое дробление (исходный размер кусков 50…100 мм, i ~ 10…50). Разрушение кусков при дроблении происходит, как правило, по дефектным зонам структуры материала, вследствие чего прочность кусков после дробления увеличивается.

Измельчение – процесс целенаправленного разрушения исходных сырьевых материалов с целью получения на этапе их переработки полуфабриката с заданными технологическими характеристиками: по зерновому составу, формы зёрен и их прочности, удельной поверхности смеси. В технологии строительных материалов измельчение относится к механическим процессам. Выбор способа И. (раздавливание, раскалывание, ударные воздействия, излом, истирание и пр.), а также условий измельчения (влажное, «мокрое», сухое, полусухое) зависит от состояния исходного сырья и их упруго-деформативных свойств. Процесс И. происходит с поглощением энергии, в результате чего продукты измельчения обладают повышенной активностью. Результат измельчения характеризуется степенью измельчения i. равной отношению среднего характерного размера D куска материала до измельчения к среднему характерному размеру d куска после измельчения: i=D/d. Различают два основных вида И.: - дробление (i = 2…50) и помол (i > 50).

Измельчеиия кинетика – изменение интенсивности и эффективности процесса измельчения во времени. Основными показателями И.к. являются: изменение удельной поверхности сыпучей смеси S_уд, расход энергии на измельчение Е_и, производительность установки Q, время получения конечного продукта τ. В ходе измельчения интенсивность и эффективность процесса замедляются (прирост S_уд уменьшается, Е_и, растёт, Q падает, τ увеличивается). Это происходит, в основном, за счёт: - сокращения количества дефектов в общем объёме кусков; - появления тонкого слоя уже измельчённого продукта, способствующего явлению демпфирования при измельчении. Для повышения интенсивности и эффективности измельчения используют различные организационные мероприятия, предварительные технологические операции и физико-химические способы активации процессов разрушения сырьевых материалов.

Измельчения продукты – сыпучие смеси высокой дисперсности, образовавшиеся в результате дробления или помола

Измельчения работа – работа, полезно затрачиваемая на измельчение, расходуется на объёмную деформацию разрушаемых кусков и на образование новых поверхностей.

Измельчения степень (i) – соотношение средних характерных рамеров зерен (кусков или гранул) до и после измельчения;

i = D/d где:

D – средний характерный размер зерна до измельчения, мм;

d – средний характерный зерна после измельчения, мм.

По степени измельчения различают два основных вида измельчения.: - дробление (i = 2…50) и помол (i > 50).

Интесификаторы (помола) – вещества, способствующие повышению скорости и эффективности процесса измельчения, напр., жидкости, ПАВ, высокодисперсные системы и др.

Интенсификация процесса измельчения – увеличение скорости и эффектинсти процесса измельчения.

Классификация – процессразделения однородного сыпучего материала по величине кусков или частиц. Различают механическую (грохочение), воздушную (сепарация) и гидравлическую (осаждение) классификцию.

Насыпная плотность – масса сыпучего материала в единице замкнутого объема. Это характеристика сыпучего материала, аналогичная средней плотности твердого тела.

r^нас= m/V (1.4.), где:

· m – масса сыпучего материала. кг;

· V - объем сыпучего материала, м´

Плотность упаковки зерен – характеристика структуры сыпучих материалов.

В технологии строительных материалах сыпучие смеси, используемые в виде заполнителей, наполнителей и добавок и пр. оказывают существенное влияние на формирование заданной плотной или пористой структуры материала.

Рассмотрим возможные варианты упаковки зерен материала на примере одинаковых частиц шарообразной формы (см. табл.3.1.).

Влияние вида упаковки зерен на плотность структуры Таблица 3.1.

Вид упаковки	Схема упаковки	Кол-во точек контакта	Плот-ность, %	Пустот- ность, %
Кубическая		6 (4+2) 4–на схеме; 2- вне схемы	52, 4	47, 6
Простая шахматная	Вид А А	8 (6+2) 6–на схеме; 2– на виде А	60, 4	9, 6
Двойная шахматная	А Вид А	12 (6+6) 6 – на схеме; 6 – на виде А	70, 0	30, 0
Пирами-дальная	-		74, 0	26, 0
Тетраго-нальная	-		74, 0	26, 0

Из таблицы 3.1. следует, что самая высокая плотность (74%) обеспечивается при пирамидальной и тетрагональной упаковках, а самая высокая пустотность при кубической упаковке. Это положение учитывается при расчете гранулометрического состава порошков для получения требуемой структуры керамических материалов, при расчете состава крупнопористых бетонов и в других случаях, когда используются монофракционные смеси.

Для получения плотной структуры необходимо использовать двух или многофракционые смеси, так как пустоты, образующиеся при любом типе упаковки, заполняются зернами меньших размеров, уменьшая суммарную пустотность и увеличивая плотность. Так при введении шаров меньших размеров в пирамидальную или тетрагональную упаковку из шаров одного размера пустотность снижается до 15%, а плотность упаковки достигает 85% (см. таблицу 3.2).