Газодинамическое диспергирование материалов — основа высоких технологий

Альтернативы технологии

ВВЕДЕНИЕ В ГЛАВУ

Изучив материалы данной главы, Вы сможете:

Формулировать современные (общие) требования к качеству продукции промышленного производства
Формулировать современные требования к качеству и надежности продукции.
Классифицировать исходное сырье и способы его подготовки к технологическому переделу.
Формулировать общие принципы воздействия на перерабатываемое сырье при различных видах получаемых продуктов.
Формулировать общие понятия построения моделей обработки концентрированными потоками энергии.
Формулировать цели моделирования и типизировать модели процессов обработки концентрированными потоками энергии, направленные на достижение этих целей.
Иметь представление о показателях, определяющих качество выполнения операций обработки концентрированными потоками энергии.
Составить общее представление о рациональных областях эффективного применения технологических процессов обработки с помощью концентрированных потоков энергии.
Иметь представление о необходимой исходной информации и о процедуре разработки технологического процесса обработки концентрированным потоком энергии.
1. Горбунов Г. И. Основы строительного материаловедения (состав, химические связи, структура и свойства строительных материалов): Учеб. издание. – М.: Издательство АСВ, 2002. 168 с.
2. Рогов В.А., Ушомирская Л. А., Чудаков А. Д. Основы высоких технологий. Учебное пособие. – М: Вузовская книга, 2001. – 256 с.
3. Костиков В. И., Вареников А. Н. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. – М.: Интермет Инжиниринг, 2003. -560 с.: ил.
4. Пащенко А. А. и др. Физическая химия силикатов. – М.: Высш. шк., 1986.
  
  I ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ И МЕТОДЫ ЕЁ ОЦЕНКИ
  
  1.1 Современные показатели качества продукции.
Задача повышения рентабельности (прибыльности) современного производства продукции, машин, приборов и аппаратуры, эффективного их использования при освоении производственных мощностей, снижения необходимых для выпуска продукции энергетических, материальных и трудовых затрат, а также обеспечения их эргономичности, решается на пути повышения их качества.

Для современной промышленной продукции сформировались соответствующие нормативные показатели качества, которые включают в себя:

показатели назначения, определяющие область и эффект от использования данного изделия и включающие в себя классификационные показатели, показатели технического совершенства, конструктивные показатели, а также некоторые специальные показатели;
показатели надежности, включающие в себя показатели безотказности, ремонтопригодности, сохранности и долговечности;
показатели технологичности, включающие в себя показатели технологичности изготовления, эксплуатации и ремонтно-восстановительных работ;
экономические показатели, включающие показатели стандартизации и унификации, затраты абсолютные, относительные и удельные на разработку, изготовление и эксплуатацию изделия;

эргономические показатели, характеризующие взаимодействие человека с изделием, включающие комплекс антропометрических, физиологических, психофизиологических, гигиенических и т. п. показателей.

В широком смысле под понятием качество продукции подразумевается совокупность её свойств, характеризующих способность удовлетворять потребность в процессе её потребления, а также отвечать требованиям, вытекающим из её назначения.

Свойство — это качественная, отличительная характеристика вещества, материала или изделия. В материаловедении эта характеристика проявляется во взаимосвязи: «состав — химическая связь — структура — свойство», а при разработке технологии и создании нового материала — является основным, определяющим показателем или условием его получения.

Совокупность различных свойств, предопределяет назначение материала и граничные условия его эксплуатации. Термин «свойство» не синоним таких понятий, как «техническая характеристика», «основные параметры», «технические показатели» и др., которыми в конкретном контексте часто подменяется специалистами это понятие.

Свойство — это отличительная особенность вещества, материала или изделия, которая проявляется во взаимодействии с окружающей средой или другими веществами и соединениями. Свойство вещества (продукции, товара) определяет его потребительскую ценность.

В зависимости от вида окружающей среды и характера её взаимодействия с технологическим объектом (веществом, продукцией и т. п.) все свойства объединены в крупные группы. Например, теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность и др. оопределяют теплофизические свойства; водопоглощение, водопроницаемость и др. часто называют гидрофизическими свойствами; водостойкость, кислотостойкость, коррозионная стойкость и др. составляют группу химических свойств; упругость, пластичность, хрупкость и др. — упругодеформативные свойства и т. д.

Основным показателем, определяющим свойства вещества, является его состав. Состав – совокупность частей элементов, образующих какое-нибудь целое (соединение, смесь), это качественная и количественная характеристика веществ, составляющих сырьевые материалы или готовое изделие. Различают несколько видов составов:

элементный состав как совокупность простейших (элементарных) химических элементов (атомов, ионов);
химический состав как совокупность химических элементов. Термин «состав» используют, как правило, при анализе сырьевых, природных и искусственных органических и минеральных материалов;
минералогический состав как совокупность природных или искусственных химических соединений (минералов);
фазовый состав как совокупность гомогенных частей системы, однородных по свойствам и физическому строению;
гранулометрический состав, или гранулометрия — сочетание в сыпучей смеси зерен либо гранул различных размеров и формы;
зерновой состав — состав, содержащий зерна практически любых размеров и образующий непрерывную гранулометрию. Термин чаще всего используемый при определении состава сыпучей смеси;
фракционный состав — состав смеси, в котором зерна, близкие по размерам, образуют фракции, прерывистую гранулометрию. Термин обычно используемый при назначении, выборе или расчете состава смеси.

1.2 Химический состав – основной показатель качества продукции.

Одним из основных показателей характеризующих свойства вещества, определяющих его качество, является его химический состав. Например, битум состоит из углерода (70…87%), водорода (11… 15%), кислорода (0… 10%), серы (до 1,5%) и небольшого количества азота (N); каменные материалы состоят в основном из кремния (Si), алюминия (А1), кальция (Са), магния (Mg), железа (Fe), кислорода (О) и других компонентов. Химический состав какаовеллы регламентируется ТУ 18-8-47-84 и включает: жир (какао масло) белковые вещества, крахмал, дубильные вещества, кофеин, клейковина, зола, кислоты, пентозаны . Вещественный, или элементный состав определяет природу вещества, т.е. показывает, какой это материал — минеральный, органический или же имеющий сложный состав.

Состав различных компонентов в виде специальных добавок, пластификаторов, отходов производства и пр., характеризует, так называемый, вещественный состав материала, или шихты. Он позволяет судить о характере сырья или материала в химической среде и при высокой температуре. При этом сырье или материалы, обладающие соответствующими свойствами, относят к категории либо кислых, либо основных сырьевых материалов.

Кислотность сырьевых материалов, почв и т. п. это свойство, обусловленное определенной концентрацией водородных ионов в растворах этих материалов и их содержанием в составе обменных (поглощенных) катионов. Так, присутствие в почве обменного (поглощенного) алюминия повышает её так называемую обменную кислотность. Почвы с повышенной кислотностью обладают отрицательными агрономическими свойствами, что обусловливает необходимость их известкования.

Какаовелла, имеющая кислотность 17% обладает …

Состав глин и шлаков характеризуется широким диапазоном составляющих их химических элементов: SiO2 — 45…80%, А12О3 — 8…30%, Fe2O3 — 2… 15%, СаО — 0,5…2,5%, MgO -.4%, R2O — 0,3…5%. Высокое содержание кремнезема (SiO2) и низкое содержание извести (СаО) и глинозема (А12Оз) свидетельствуют о том, что это «кислый» состав легкоплавких глин или шлаков. Высокие потери химических элементов, имеющие место при прокаливании материала, показывают, что при воздействии на материал высоких температур теряется летучая, органическая составляющая и химически связанная вода то, возможно, это глины, но, безусловно, не шлаки. Шлак является техногенным продуктом высотемпературного процесса. Если потери при прокаливании (ппп) отсутствуют, то не исключено, что это шлак, и если содержание SiO2 высокое, то это кислый шлак, обладающий высокой вязкостью и низкой способностью к кристаллизации.

Наличие высокого содержания извести (СаО) в материале содержащем: SiO2 -21…25%, А12О3 — 4.. .8%, СаО — 63.. .68%, Fе2O3 — 2…4%, свидетельствует об «основности» его состава. По содержанию других оксидов в материале можно судить, что это портландцементный клинкер. Однако подобный состав может быть у мергеля или у основного шлака. Окончательная оценка может быть сделана при наличии более подробной информации о составе.

В табл. 1.1 и 1.2, заимствованной из работы Г. И. Горбунова [Горбунов Г. И. Основы строительного материаловедения (состав, химические связи, структура и свойства строительных материалов): Учеб. Издание. – М.: Издательство АСВ, 2002. 168 с.] представлены химические составы природных и естественных материалов.

По табл. 1.1 можно проследить за изменением характеристики глин в зависимости от их химического состава. Так, высокое содержание кремнезема (SiO2) в глине и низкое содержание глинозема Аl2 O3) свидетельствует о том, что глина легкоплавкая и применяетcя для производства изделий строительной керамики (кирпич, черепица и др.). При увеличении содержания в глине А12О3 увеличивается ее огнеупорность и, следовательно, изменяется сфера её применения.

Повышенное содержание железистых примесей в легкоплавких глинах и умеренное содержание извести (СаО) позволяет обеспечить необходимые условия для вспучивания при получении керамзита.

Химический состав и характеристика глин

Химический сосгав, %, глин							Продукт производства
А120+3, TiO2	Si02	Fe20*3, FeO	CaO	MgO	K2CT, Na2O	ППП
легкоплавких
7.. .23	53.. .81	3…6	0,5.. .15	0,5… 3	I… 5	<15	Строительная керамика
10.. .23	55. ..65	5. ..12	<3,5	<3,5	3,5. ..5	<15	Керамзит
тугоплавких
18.. .30	50… 70	3…3.5	<2	<1,5	<5	<4,4	Кислотоупорные изделия
22… 35	50… 68	1…10	0,5.. .2,5	0,2… 2,5	0,5. ..3,6	5,5… 10,5	Плитка напольная
огнеупорных
31. ..39	43… 48	0,15… …0,7	0,11… …1,5	0,03… …0,6	0,65… …2,1	6.. .13	Огнеупоры

Таблица 1.2

Химические составы и характеристики цементов и шлаков

Химический состав, %								Характеристика
СаО	SiO2	А1203		Fe203	Другие оксиды
Портландцемент
63… 66	21. ..24	4.. air jordan 14 retro .8	2…4 3…5			Нормально твердеющий
Глиноземистый цемент
35. ..43	5.. .10	39… 47	2.. .15		1,5		Быстро твердеющий
Шлак доменный
45… 50	35. ..40	8. ..10	0,3. ..1		4. ..7			Основный
25. ..30	45. ..55	14… 20	2…3		2,4… 5,5			Кислый

Другие оксиды также оказывают определенное влияние на свойства ТiO2, СаО, Fе2Оз и FeO — красящие оксиды, Na2O и К2О — плавни, снижающие температуру обжига керамических изделий.

Анализируя табл. 1.2, заметим, что для портландцемента основополагающими оксидами являются СаО и SiO2, формирующие структурообразующие минералы, а для глиноземистого цемента -А12О3 и СаО, дающие алюминаты кальция и быстрое нарастание прочности.

В доменных шлаках соотношение между основными и кислотными оксидами предопределяет их гидравлическую активность.

1.3. Минералогический состав продукции

Минералогический состав — это совокупность природных или искусственных химических соединений (минералов) [18,37]. Эта характеристика дает более полную информацию о сырье и материалах.

Минералы играют огромную роль в жизни и практической деятельности человека. Зная минералогический состав, можно легко отличить глину от шлака, портландцемент от мергеля по наличию специфических для того или иного продукта или сырья минералов. Например, если в составе отсутствуют глинистые минералы (каолинит, иллит и др.), то это не глина, а если в нем присутствуют минералы типа геленита, соединений марганца или серы — MnS, FeS и др., то это может быть доменный шлак.

Для портландцементного клинкера характерны составы, в которых присутствуют минералы типа 3CaO.SiO2; 2CaO.SiO2; ЗСаО.А12О3; 4СаО•А12О3. Fе2О3.

Зная минералогический состав, можно предопределить не только физические и химические свойства сырья или материала, но и более специфические характеристики, такие, как пластичность и огнеупорность (для глин), вязкость и способность к кристаллизации (для шлаков), скорость твердения и коррозионную стойкость (для портландцемента), т.е. априори установить критические характеристики, а также пригодность сырья или материала для производства конкретного вида продукции.

1.4. Фазовый состав

Фазовый состав — совокупность гомогенных частей системы, т.е. частей, однородных по свойствам и по физическому строению. Следовательно, если структуру составляют несколько фаз, то между ними заметна линия, или граница раздела.

На микроуровне можно различить разнородные группы кристаллов и границу их раздела, кристаллов и стеклообразных соединений и площадь их контакта (связи). Граница раздела определяет физические, химические и термические свойства системы. К примеру, в тонкой керамике (фарфор и другие изделия) совокупность кристаллической и стеклообразной фаз и их взаимодействие обеспечивают необходимые для изделия свойства. В портландцементном клинкере группы высокодисперсных минералов: Сз8, CzS, СзА и СфАР являются основными фазами системы, СаО и MgO — промежуточными. Их количественное соотношение, расположение и взаимодействие предопределяют свойства клинкера.

На макроуровне, как правило, рассматривают три основные фазы: твердую, жидкую и газообразную. Наличие фаз, резко отличающихся по своему агрегатному состоянию, предопределяет формирование ярко выраженных поверхностей раздела (или их взаимодействия) и сложной пористой структуры, называемой макроструктурой, которая и определяет, в основном, прочностные, тепло- и гидрофизические свойства материала.

1.5. Гранулометрия

При изучении свойств природных и искусственных сыпучих материалов используют термины «гранулометрия» и «гранулометрический состав», под которым понимают сочетания в смеси зерен либо гранул различных размеров и формы [24]. Зерна по размерам подразделяют на группы (фракции). Гранулометрия рассматривает как свойства отдельных зерен, так и характеристики смеси в целом.

Каждое зерно характеризуется размером, формой, плотностью, тзгчическим и минералогическим составом (рис. 1 .2).

Поскольку зерна в смеси различаются по размерам, часто они бактеризуются средними значениями.

Расчет среднего значения условного диаметра (d) зерна:

— среднеарифметическое значение:

d, = b;

d1 =(l + d)/2;

d1 = (l +b + d)/3; (1.1)

— среднегеометрическое значение:

d2= ; (1.2)

d2=

— среднегармоническое значение:

d3 = 2 (1.3)

d3 = 3.l.b.s/ (l + b + d). (1.4)

В формулах l, b, d — линейные размеры зерна.

При расчете средних значений диаметра зерна различными способами результаты не одинаковы, причем наибольшее значение получается при расчете по формуле (1.1), наименьшее — (1.4).

В зависимости от средней величины зерен в смеси в строительном материаловедении используют различные, казалось бы, случайные технические термины: мука, пыль, порошок, песок, крошка, зерно, гранула, гравий, щебень, кусок. Однако мука (например, известняковая) — это продукт помола, пыль — отсев, порошок — специально подготовленная сыпучая смесь определенного состава, песок (общепринятый термин) — мелкозернистая обломочная осадочная горная погода, зерно — общетехнический термин, гранула — искусственно по-тученное зерно, гравий — то же, что и щебень, но окатанной формы, которую он приобрел в результате воздействия на него окружающей среды и т. д.

Значительную роль дисперсность материала играет в деле сбалансированности отдельных компонентов, формирующих пищу и повышающих её качество, что в свою очередь, определяет необходимость оценки значимости в теории и практике питания человека всех составных частей пищи, подвнрженных целенаправленному воздействию

1.6 Основные характеристики смесей

Смеси характеризуются насыпной плотностью, пустотностью, суммарной удельной поверхностью и сыпучестью.

Насыпная плотность — масса сыпучего материала в единице замкнутого объема. Adidas soldes Это характеристика сыпучего материала, аналогичная средней плотности твердого тела (разд. 4):

r нac=m/V, где

т — масса сыпучего материала, кг;

V — объем сыпучего материала, м3.

Пустотность — суммарный объем пустот, образующихся в результате свободной укладки сыпучего материала, отнесенный к его полному объему:

a = SVn/Vсм, где

a — пустотность, ед. или %;

Vn — объем пустот, м3;

V см — полный объем смеси, м3.

Пустотность не зависит от размера зерен, а зависит от их формы, количества и размера фракций, а также от способа укладки смеси.

Удельная поверхность — суммарная поверхность зерен. Различают внешнюю удельную поверхность (без учета пористости зерен) и полную — с учетом пористости зерен [31].

Массовую удельную поверхность Sm выражают в метрах (сантиметрах) квадратных на 1 кг (г) материала [м2/кг] или [см2/г], а объ-

емную Sv — в [м2/м3] или [см2/см3]. Обе величины связаны между собой соотношением

SV = Sm.r нас

где .r нас — насыпная плотность, кг/м3.

Внешнюю удельную поверхность для монофракционных порошков с достаточной точностью определяют по формуле

Sm=6.r насl,

где l — длина ребра куба (условный размер частицы порошка с учетом преимущественно кубической формы зерна), см.

Сыпучесть — способность смесей растекаться при свободной укладке, формовании или складировании. Сыпучесть характеризуется углом естественного откоса b.

Следует заметить, что с увеличением влажности сыпучесть мелкозернистых смесей, имеющих большую удельную поверхность, сначала уменьшается в большей степени, чем крупнозернистых. При дальнейшем увлажнении их сыпучесть, а точнее, текучесть повышается за счет вытеснения водой воздушных прослоек и уменьшения коэффициента трения смеси.

Эта характеристика сыпучих материалов является достаточной лишь при организации их хранения, транспортировки или укладки (заполнения).

1.7. Зерновой и фракционный составы смесей

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 размерами зерен и их формой, а фракционный — размерами фракций и их количеством. Для получения изделий требуемой (плотной или пористой) структуры необходимо знать как фракционный, так и зерновой состав 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.

Для каждой отрасли характерны свои технологические методы, основанные на использовании физико-химических явлений, обеспечивающих требуемые, характерные для её продукции, свойства. Сушка или обжиг, каталические процессы, процессы в кипящем слое и многие другие, связаны с необходимостью взвешивания частиц дисперсных фаз восходящими потоками. Динамика таких потоков определяется свойствами частиц, которые можно разделить на физико-химические свойства и на геометрические свойства её формы и размеров. Аналогичными свойствами характеризуются свойства обрабатываемых деталей. При этом и в том и в другом случае физико-химические свойства характеризуют либо состояние поверхности (частицы, детали) — твердость, коэффициент отражения, коэффициент поглощения и др., либо объемное состояние – плотность, пористость, прочность, пластичность, химический состав и т. д. Геометрические свойства материаллов задаются конфигурацией её поверхности. Отклонения от идеальной поверхности по ей размерам и форме и по степени её шероховатости, определяют точность и качество обработки материала, характеризующие динамические свойства частиц, их поведение в гетерогенных потоках. Таким образом, несмотря на различии лежащих в основе технологических процессов физических и химических явлений, их объединяет конечная цель — получение продукта с требуемыми свойствами. Свойства материала, выполняющие роль индикаторов, в любой период его существования (в исходном состоянии или на любой стадии переработки) характеризуют то или иное его состояние, как системы, т. е. по аналогии с термодинамической системой являются основными параметрами материала.

Количественная оценка свойства конкретного материала может быть получена на основе справочных данных касающихся свойств составляющих его элементов или определяться при испытаниях и, как правило, выражается в значениях физических величин в соответствии с действующими стандартами.

Кроме эксплуатационных свойств потребители хотят иметь надежную продукцию, ведущую себя предсказуемым образом. Под надежностью понимается совокупность свойств, определяющих способность изделия сохранять необходимые значения показателей качества, как в течение требуемого времени его эксплуатации, так и его хранения, минимизировать возможность их внезапного выхода за допустимые пределы, а также сократить время, необходимое для восстановления показателей качества, претерпевших по той или иной причине недопустимые изменения.

1.8. Свойство дисперсной фазы

(Перевод № Ц-97811 из книги Вил С. Р. Дисперсные порошки – получение, свойства и применение)

1.8.1. Размеры и форма частиц

Эксперименты свидетельствуют о том, что в пределах исследованных размеров частиц (примерно свыше 5 нм – 50 Å), чем тоньше измельчение, тем выше их прочность. Очень мало известно относительно влияния на свойства частиц их формы, а также оптимальной присущей им прочности.

1.8.2. Расстояния между частицами

В некоторых исследованиях установлено влияние расстояния между частицами (обычно измеряемого объемной долей дисперсной фазы её концентрацией в определенном объеме) на прочность матрицы, в которую входят частицы. Недавно было показано, что сетка частиц окиси алюминия, распределенных вдоль стенок ячеек в алюминии, именно в виде сетки, обеспечивает значение предела прочности на растяжение как при комнатной температуре, так и при 4000С, близкой к соответствующему значению при равномерном распределении.

1.8.3. Поверхность раздела частиц и матрицы

Эта поверхность раздела важна в различных отношениях. Степень её когерентности (способность давать интерференцию – усиление в результате наложения) может влиять на механические свойства, её термическая стабильность может влиять на температуру, при которой композит может работать. Очень мелкие частицы, особенно те, которые получаются в результате внутреннего окисления или азотирования могут быть когерентными. В то время как более крупные частицы в то же самом сочетании становятся лишь частично когерентными. При этом создаваемые в матрице поля напряжений уменьшаются и прочность может снижаться Например, при изломе внутренне окисленных медных сплавов пустоты образуются прежде всего на больших частицах, а при убывании температуры зависимость от размеров смещается в сторону меньших частиц. Поэтому для достижения упрочнения матрица должна смачивать дисперсные частицы, однако при этом не должны иметь место никакие химические реакции недолжно быть заметного загрубления. Подобное загрубление происходит вследствие диффузии через матрицу не только самой дисперсной фазы, но также продуктов диссоциации. Которые находятся в равновесии с дисперсной фазой. Движущей силой коагуляции является стремление к минимизации свободной поверхностной энергии, а поскольку поверхности раздела между окислами и металлами имеют меньшую свободную энергию, чем соответствующие поверхности между металлами, то окислы загрубляются в меньшей степени, чем большинство упрочняющих металлических выделений [15]. Примеси, сегрегация которых происходит на поверхности раздела, могут оказывать существенное влияние на загрубление. Например, железо и сера увеличивают скорость коагуляции тория, диспергированного в никеле. Такие фазовые превращения как для окиси алюминия, также ускоряют коагуляцию [20] и, таким образом, уменьшают сопротивление движению дислокаций, а, следовательно, и рекристаллизации….с.30 (перевод).

1.9. Взаимосвязь основных свойств

Изменение характера взаимодействия между дисперсными частицами в целом оказывают влияние на свойства сыпучей массы. Поэтому при сравнительном описании дисперсных порошков упор делается на свойства первичных частиц физические свойства поверхности, форму зерен, гранулометрический состав и т. п.

Полезное качество дисперсных порошков возникают врезультате соответствующей обработки порошка, например, путем сокращения размеров его частиц распределения его в матрице

Суммарная свободная поверхностная энергия твердого тела уменьшается

В термодинамике состояние системы принято описывать в терминах макроскопических переменных состояния, таких как, объем V, давление P, температура T, число молей химических компонентов Nk. Функциями переменных состояния являются энергия U и энтропия S. Любой материал с определенными внутренним строением, микро- и макроструктурой и свойствами представляет собой термодинамическую систему, элементы которой характеризуются параметрами состояния …См Термодинамику для инж-в. Так как свойства материала являются производными от его состава, химических связей и структуры, то они взаимосвязаны и находятся в равновесии. Известно, что при изменении какого-либо одного свойства под действием каких-то факторов в большей или меньшей степени изменяются и другие свойства материала. В строительном материаловедении хорошо известны такие зависимости, как плотность — теплопроводность, плотность — прочность, теплопроводность — электропроводность, упругость — пластичность и т. д.

На рис. 4.1 изображена диаграмма равновесия основных свойств строительных материалов, которая показывает взаимосвязь полей напряжения, температур и химического взаимодействия и. как следствие, — взаимозависимость механических, термических и физико-химических свойств строительных материалов [Горбунов Г.И. Основы строительного материаловедения. – М.: Из-во АСВ,2002. 168 c., с. 69.].

В термодинамических координатах системы свойства какого-либо элемента, вещества или явления характеризуется: параметрами системы, функциями состояния системы, производными параметров и функций системы, термодинамическим потенциалом и движущими силами системы [1, 4] (табл. Chaussures Adidas 4,1).

Рассматривая материал как систему, выразим ее координаты условно через основные физические величины: массу М, объем V и температуру Т. Тогда термодинамическим потенциалом системы будет, соответственно, диффузия D, деформация е, энтропия S (см. рис. 4.1).

Физико-химические свойства М

V Термомеханчческие свойства Т

Механические свойства Термические свойства

Рис. 4.1. Диаграмма равновесия свойств материалов:

Т- температура, М-масса, D — диффузия,

ε — деформация, S — энтропия, V —объем

Движущими силами изменения устойчивости системы или сохранения ее равновесия для каждого поля по аналогии с термодинамической системой являются изменения концентрации ∆К, напряжения ∆σ и теплоемкости ∆С системы (см. табл. 4.1).

Таблица 4,1

Основные элементы термодинамической системы и материала как

системы

Характеристики системы	Виды энергии термодинамической системы			Энергетические поля материала как системы
	Меха ниче-ская	Хими-ческая	Тепловая	Напряжения ния	Хим. взаимодействия	Тепловое
Координаты системы	Объем V	Масса М	Температура Т	Объем V	Масса М	Температура Т
Термодинамический потенциал	Давление Р	Хим. диффузия µ	Энтропия S	Д Деформация ε	Диффузия D	Энтропия S
Движущие силы	Работа ∆А	Концентрация ∆К	Тепловая энергия ∆Q	Напряжение ∆ σ	Концентрация ∆К	Теплоемкость ∆С

Химический и минералогический составы, а также внутреннее строение вещества — производные от параметров и функций системы. Функция системы – микро- и макроструктура материала, характеризуемая внутренней и поверхностной энергиями. Свойства материала, выполняющие роль индикаторов, в любой период его существования, характеризуют то или иное состояние системы, т.е. по аналогии с термодинамической системой являются основными параметрами материала как системы.

Должны учитываться и другие показатели качества изделий, такие как патентно-правовые, эстетические, показатели безопасности и др.

Таким образом, повышение качества и надежности изделий, путем придания их компонентам желаемых свойств, и обеспечение этих свойств в течение определенных временных интервалов, представляет собой сложную многоплановую проблему. Её решение требует в каждом отдельном случае проведения научно-исследовательских, маркетинговых, экономических и финансовых исследований и прогнозов, конструкторских, и экспериментальных работ, информационного исследования и анализа, в том числе с учетом взаимосвязей между различными отраслями фундаментальной науки, видами производства и конкретными проектами, изучения и анализа различных технологических процессов и разработки многопрофильных технологий, проведения социологических и политических исследований и прогнозов и др. Можно сказать, что в целом повышение уровня качества и надежности промышленной продукции обусловлено прогрессом всей. человеческой цивилизации и, со своей стороны, способствует ее развитию.

В настоящей работе рассматриваются вопросы, имеющие отношение только к одному компоненту названной проблемы, а именно к производственно-технологическим методам обеспечения качества и надежности промышленной продукции, получаемой на основе материалов минерального и органического происхождения. При этом рассматриваются такие методы подготовки и осуществления производства, при которых готовая продукция соответствовала бы эксплуатационным требованиям при рациональном уровне затрат и допустимом уровне потенциальных вредных последствий от применяемых технологических процессов, что само по себе представляет комплекс проблем.

Из этого комплекса проблем вычленяется одна — проблема получения технологического сырья для производства продукции, используемой в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицины, с требуемыми, зачастую ранее не достижимыми, свойствами — физико-механическими и химическими свойствами, кристаллическим и химическим состоянием, полимофизмом поверхности минеральных и органических твердых тел, прочностью, размерами, конфигурацией и пространственной композицией различных материалов, и их специфичским распределением по объему продукции и др. Возможность получения такого сырья позволяет по-новому подходить к проблеме качества и надежности продукции, производимой на его основе.

Производство такой продукции стало возможным благодаря значительным успехам в теоретическом изучении состояния твердого вещества, объясняющих мгновенное повышение реакционной способности твердой фазы, в процессе механо-термического на неё воздействия, например, путем импульсного увеличения локальной температуры и давления, вызванного ударом и трением при контакте разрушающих элементов и измельчаемого материала [1.Tkacova K. Zdrobnovanie a aktivacia v upravea spracovani nerastov. Edicia Technicke vedu. Veda. Bratislava, 1984. 101 s.], в решении проблем интенсификации и оптимизации гетерогенных технологических процессов, протекающих в дисперсных системах, содержащих твердые фазы, а также в обосновании путей и методов достижения требуемого качества дисперсных материалов.

хозяйстве и медицине.

Глава II Дисперсные порошки — их свойства, получение и применение

(Veale C. R. Fine powpers – preparation, properties end uses. Ch. — глава 4 — 9, London, 1972.

2.1. Потребительские свойства порошков.

При сравнительном описании дисперсных порошков упор делается на такие «химико-технологические» свойства первичных частиц, как размеры, форма и т. д. При этом не редко упускаются свойства, связанные с их назначением (потребительские свойства), полезные качества (потребительские свойства) которых возникают в результате соответствующей их обработки, например, путем их диспергирования, спекания или распределения в матрице. Именно такой подход позволяет рассмотреть потребительские свойства дисперсных порошков отдельно от их «химико-технологических» свойств.

Любая химическая реакция или физическое взаимодействие, в которых принимает участие твердое тело, протекает на поверхности раздела. Механизм, кинетика и другие характеристики подобных реакций во многом определяется величиной поверхности реагирующего твердого тела. Для многих реакций, таких как растворение и разбавление, скорость приблизительно пропорциональна площади доступной поверхности. Свободная поверхностная энергия дисперсного порошка может быть значительной. В случае частиц железного порошка диаметром в несколько десятых нанометра ( …) свободная поверхностная энергия составляет несколько сотен калорий на моль. Эта свободная энергия, связанная с дефектами, отклонениями от стехиометрии (расчетных весовых и объемных отношений между атомами и молекулами, вступающими в химические реакции) и тому подобно, неотделима от свойств поверхности. Она обычно снижается за счет адсорбции (поглощения веществ из растворов и газов) происходящей на поверхности.

Поверхностная энергия оказывает настолько кардинальное влияние на свойства дисперсного порошка, что создается впечатление, что поверхность раздела сама по себе обладает его свойствами. Например, при армировании эластомеров (каучуки, резины) размеры частиц оказывает более существенное влияние, чем их природа, независимо от того, представляют ли они собой уголь, окись кремния, карбонат кальция и так далее. Другие свойства, например, изменение вязкости путем образования суспензии окиси кремния, в гораздо большей степени зависят от природы частицы и от её поверхности. Если говорить в целом, то все свойства должны быть в какой-то мере подвержены влиянию природы частицы и величины её поверхности. Поверхность частицы всегда чем-то покрыта; характер связи между поверхностью и покрытием зависит от энергетики поверхности, являющейся отражением природы частицы. Это наблюдае6тся всегда, независимо от того, находится ли частица в атмосфере сухого инертного газа или же в металлической или полимерной матрице, а также в жидкости [ ]. Если свойства кажутся неза ….

2,2 Химическая природа поверхности

Суммарная свободная поверхностная энергия твердого тела уменьшается при адсорбции на поверхности как жидкостей, так и газов. Прочность связи между адсорбатом ( ) и адсорбентом () непрерывно изменяется от слабой физической адсорбции инертного газа, наблюдающейся только при низких температурах, до хемосорбции, скрытая теплота которой обычно превышает 40 ккал/моль, а сила связи сравнима с силой обычной химической связи. Десорбция хемосорбированного вещества часто сопровождается химическими изменениями, так что хемосорбция непрерывно переходит в химическую реакцию. Когда эта связь слабая, адсорбат может быть заменен другим, который связан более сильно и дополнительно снижает свободную поверхностную энергию.

2.3. Физико-химическая сущность преобразования свойств материалов.

Желаемые свойства продукции закладываются на стадии подготовки сырья. При этом должны обеспечиваться следующие возможности:

сохраняться объем и агрегатное состояние вещества исходного материала при изменении площади рабочей зоны и (или) переходе по крайней мере части вещества в пластическое состояние; это характерно для механического воздействия поверхностной или объемной механической силой, примером чего являются традиционные процессы измельчения, резания или обработки давлением;
та или иная часть вещества расплавляется или переводится в пар, что характерно для многих операций электроннолучевой, ионно-лучевой, лазерной, плазменной и электроэрозионной обработки, где главный является термическое воздействие на заготовку;

— та или иная часть вещества заготовки ионизируется, изменяет свой химический состав или (н) (разово-структурное состояние, что характерно для многих операций обработки концентрированными потоками энергии различного вида;

— та или иная часть вещества заготовки изменяет характер химических связей, что характерно для операций химического травления.

Следует отметить, что так называемых простых технологических процессов, в которых имело бы место только одно из названных преобразований вещества и формы исходного материала, практически не существует. Можно говорить лишь о преобладании какого-либо или каких-либо преобразований вещества и формы при тех или иных технологических процессах, когда в количественном плане оно (они) превалирует по определенным показателям, либо, наоборот, является несущественным.

В настоящее время, наряду с традиционными методами подготовки сырья, такими как измельчение, каталические и восстановительные процессы, процессы в кипящем слое, процессы перемешивания, гранулирования, сушки и обжига, формования и уплотнения, прессование и т. д. и т. п., в распоряжение производственника поступил и ряд принципиально новых технических методов реализации указанных технологических процессов, основанных на новом использовании ряда физических и химических явлений.

Технологическая сущность таких методов, весьма разнообразных по тем физико-химическим явлениям, которые положены в их основу, является для всех них одной и той же: изменение формы, размеров и свойств исходного сырья, осуществляется не механическим силовым воздействием рабочего органа, а воздействием потока энергии того или иного вида, сконцентрированного на обрабатываемом участке твердого тела.

Вид воздействующего потока энергии могут быть весьма разнообразными: механическое воздействие рабочих органов, электронные и ионные пучки, световое (лазерное) излучение, потоки плазмы, электрические искровые и дуговые разряды в жидких и газообразных диэлектрических средах, микродуговые и дуговые разряды в электролитах, а также разновидности и комбинации таких воздействий. Использование каждого из этих потоков обладает своими специфическими технологическими особенностями и возможностями и имеет, поэтому, свою область применения. Несмотря на различие лежащих в их основе физических и химических явлений, методы обработки материалов концентрированными потоками энергии имеют между собой то общее, что их применение, если оно имеет место, направлено на конкретную цель — на производство продукции с требуемыми свойствами.

Все свойства обрабатываемого материала можно разделить на физико-химические свойства и на геометрические свойства формы его частиц и их размеров.

Физико-химические свойства материалов, подвергающихся обработке, относятся либо к ее поверхности (твердость, хрупкость, коэффициент отражения, коэффициент поглощения и др,), либо к ее объему (плотность, пористость, электропроводность, прочность, пластичность, текучесть, химический состав). По характеру распределения их физико-химических свойств материалы могут быть подразделены на изотропные (аморфные) и анизотропные (кристаллические). Для оценки явлений, происходящих на различных технологических операциях обработки материалов концентрированными потоками энергии используются их модели — идеализированное описание характера взаимосвязи параметров, составленных с той или иной заранее определенной целью. Всякая полная модель содержит описательную часть, определяющую ее составные части и их состояния, логическую часть, определяющую взаимосвязи между частями и свойствами модели, а также динамическую часть, определяющую характер изменения свойств моделируемого процесса во времени.

Трудность решения проблемы моделирования процессов обработки материалов заключается, наряду с прочим, в большом объеме необходимых исходных данных и в их качественном и количественном разнообразии. Здесь требуются знания основ физики твердого тела, основ квантовой механики и теории химических реакций теории фазово-структурных переходов, принципов диссоциации и рекомбинации и т. д.

Решению проблемы построения моделей технологических процессов способствует их классификация, т.е. статическое распределение предметов и явлений по группам с одинаковыми признаками. Классификации является первым этапом построения моделей.

Классифицировать и типизировать необходимо материалы, подвергающихся обработке, воздействующие на обрабатываемые материалы рабочие среды, энергетические потоки, способы управления, требования к оборудования и др.

С другой стороны, задача построения и использования технически и экономически обоснованных решений по технологии подготовки сырья к технологическому переделу требует знаний таких классических инженерных дисциплин как основ материаловедения, принципов конструирования машин и механизмов, … в каждой конкретной области — строительной, металлообрабатывающей, пищевой промышленных отраслях, в сельском

2.3 Атомистика разрушения – основа

( Сб. статей. М. Мир 1987. 22.251/А 92, 1206476)

Задача разрушения материалов – придание ему определенных, требуемых свойств (формы, размеров, изменение величины поверхностной энергии и т. п.).

Чтобы понять измельчение как часть промышленного сокращения размеров, необходимо рассмотреть несколько промежуточных процессов, а именно:

— подачу материала зону его нагружения;

— процесс нагружения частиц измельчаемого до их разрушения;

-удаление из зоны нагружения тех частиц, размер которых равен или меньше заданного;

— предотвращение последующей агломерации частиц.

Набольшую трудность для понимания проблемы получения тонкодисперсных материалов представляет механизм разрушения частиц и их агломерация в процессе измельчения.

Для раскрытия физической сущности этих процессов необходимо рассмотреть основные факторы, непосредственно влияющие на их реализацию, а именно:

— поля напряжений, обусловленные воздействием приспособлений, предназначенных для разрушении частиц или возникающих в результате воздействия внешней среды;

— остаточные упругие напряжения обусловленные предварительной механической или тепловой обработки, влиянием окружающей среды на зарождение и распространение трещин…, а также на процесс агломерации…(см с. 24).

См. также : Ляхов В.М. Подлубный В.В., Титаренко В. В. Воздействие ударных волн и струй на элементы конструкций. М. Машиностроение 1989. 22.253/Л 98 1268871

Ударная волна – течение газа со скачкообразным изменением давления, скорости, плотности и других параметров.

Фронт ударной волны является границей, разделяющей области с различными параметрами, которые изменяются скачком при переходе через фронт ударной волны.

Общие свойства методов обработки концентрированными потоками энергии

При обработке концентрированными потоками энергии возможно как изменение физико-механических свойств обрабатываемого материала без изменения формы или размеров частиц, так и изменение ее формы и (или) размеров при сохранении, ее физико-химических свойств, либо при определенной степени их изменения.

Для структурно-фазовых превращений при изменении агрегатного состояния вещества либо при удалении части вещества (отрыва части от целого) необходимо затратить определенную энергию. Эта энергия выделяется в зоне обработки в виде теплоты, имеющей своим первоисточником разрушаемый материал, либо электрические разряды в диэлектриках, либо лазерные световые пучки, либо потоки электронов, ионов или йладмы-,. либо электрические разряды в йрче-тании с другими физико-химическими процессами в электролитах. Б операциях формообразования г< он центрированными потоками энергии теплота, выделившаяся в поверхностном сдое заготовки в зоне обработки, велет к плавлению, испарению и выбрасыванию вещества заготовки. Это создает углубления в зоне подвода потока энергии.

Показатели, оценивающие качество любой технологической операции обработки, принято разделять на две группы — на конечные показатели и показатели интегральные.

Конечные показатели определяют степень соответствия параметров обработанного материала заданным требованиям. Такими по-

Основные проблемы интенсификации технологии

В основе переработки и получения самых разнообразных материалов, промпродуктов и готовых продуктов, применяемых в современной технике и технологиях лежат гетерогенные процессы, т. е. процессы, протекающие в дисперсных системах, имеющих межфазные границы – наиболее распространенный вид процессов современных технологий. Среди такого рода процессов значительное место занимают так называемые гидромеханические процессы и особенно процессы в дисперсных системах, состоящих из дисперсионной (распределяющей) среды (газ, жидкость) и дисперсной фазы (раздробленного в дисперсионной среде вещества). Большое практическое значение имеют гетерогенные процессы в дисперсных системах, содержащих твердые фазы. Эти процессы широко распространены в химической, нефтехимической, горноперерабатывающей, металлургической, пищевой, микробиологической, фармацевтической промышленностях, в промышленности строительных материалов и во многих других областях. Сюда относятся, в частности, процессы измельчения и гранулирования, сушки и обжига, процессы в кипящем слое, процессы перемешивания, кристаллизации и многие другие. Ни один продукт, создаваемый на основе дисперсных материалов в различных производствах не может быть получен без осуществления хотя бы одного из указанных выше процессов или их совокупности. Задача повышения рентабельности машин, реализующих указанные процессы, решается путем интенсификации реализуемых на их основе процессов.

Интенсификация технологических гетерогенных процессов — проблема номер один современной техники и технологии.

Пути решения этой проблемы весьма разнообразны, но в значительном числе случаев интенсификация достигается за счет применения механизации и автоматизации при сохранении традиционного технологического процесса как комплекса последовательно осуществляемых технологических операций, складывающегося годами, а иногда и десятилетиями.

Лимитирующим фактором прогресса в этом направлении как раз оказывается привычная, казалось бы, не вызывающая возражений, устоявшаяся годами, понятная специалистам соответствующей отрасли и, поэтому, общепризнанная, доступная широкому кругу специалистов так называемая, «надежная» технология.

Между тем отсутствие прогресса в коренном усовершенствовании и (когда это становится необходимым) кардинальном изменении существующего технологического процесса приводит к тому, что, например, для решения задач по увеличению объема выпускаемой продукции и производительности технологического оборудования создаются гигантские весьма энерго- и материалоемкие установки огромной единичной мощности, работающие по традиционному, часто весьма далекому от совершенства, устаревшему морально технологическому принципу.

Наглядным примером такого рода решений может служить технология получения цемента — хлеба строительной индустрии.

. Создание сложнейших по конструктивному воплощению вращающихся печей для обжига клинкера длиной до 230 и диаметром до 6 метров может служить доказательством значительных достижений современного машиностроения, но никак не достижений в области производства цемента, поскольку принятая технология обжига во вращающихся печах по своей сути себя исчерпала.

Необходимость создания гигантских установок с огромной единичной мощностью для получения высокой производительности, обусловлена, прежде всего, ограниченной скоростью протекания реализуемого в таких и им подобных установках, а увеличение её в рамках принятой технологии, как правило, невозможно. Естественно, что ограниченность скорости процесса компенсируется увеличением времени пребывания материала в зоне его обработки, достигаемое увеличением объема рабочего пространства со всеми вытекающими последствиями.

Аналогично можно сказать о процессах смешения многокомпонентных систем широко применяемых в различных областях техники и во многом определяющих качество получаемой продукции.

Эти процессы реализуются в смесительных агрегатах различного типа. При этом установлено, что наиболее естественный и общепринятый путь увеличения их производительности — повышение рабочего объема смесительной камеры, в особенности, когда процесс реализуется в периодическом режиме. Так, например, в пищевой промышленности смесительные аппараты позволяют перемешивать одновременно до нескольких тонн пищевых масс, таких, как мучное тесто или шоколад. Еще больше емкости смесительных установок, и гомогенизаторов (до десятков тонн) характерны для технологических процессов, связанных с переработкой и получением шламов, например, в уже упомянутой выше цементной промышленности, при производстве серной кислоты, минеральных удобрений и целого ряда других полупродуктов. Характерно, однако, что время, необходимое для достижения удовлетворительной однородности распределения компонентов в таких установках, колеблется от десятков минут (в самом лучшем случае) до нескольких суток. Попытки существенно интенсифицировать, ускорить этот процесс, например, путем увеличения скорости вращения рабочих лопастей, далеко не всегда оказываются успешными и, более того, нередко приводят к резкому снижению качества конечного продукта, поэтому зачастую неприемлемы.

Попытки получить достаточно однородную смесь путем смешивания сырьевой смеси с огромным количеством воды в шламбассейнах (производство цемента по мокрому способу) с последующим её удалением в процессе сушки, неизбежно приводит к повышению энергоемкости процесса и громоздкости его аппаратурного оформления.

Осуществление процесса обжига сырьевой смеси в виде гранул, размер которых достигает нескольких десятков миллиметров, также малоэффективен, так как активная поверхность раздела между источником тепла и смесью мала, а ограниченная из-за гигантских размеров в печи скорость ее вращения также препятствует интенсификации процесса обжига окатышей на фабриках окомкования металлургических предприятий. Подобных примеров можно привести большое множество. Но уже самый общий анализ причин, вызывающих необходимость создания установок большой единичной мощности при сохранении традиционного технологического процесса, обнаруживает те факторы, которые препятствуют. интенсификации протекающих в них процессов..

К числу наиболее важных факторов такого рода, общих для большинства существующих гидромеханических процессов в дисперсных системах, относится форма подведения энергии к этим системам и, прежде всего, подведения внешней — механической, тепловой и других видов энергии.

2,5, Механический фактор интенсификации технологии

Создание гигантских установок в различных сферах производства с использованием технологий дисперсных систем, о которых говорилось выше, обусловлено необходимостью компенсации относительно низкой интенсивности процессов большим объемом рабочих камер, способствующих достижению требуемой производительности.

Так, для осуществления процесса перемешивания, т. е. обеспечения однородного распределения компонентов в многокомпонентной системе, принудительная взаимная конвективная диффузия создается в результате вращения лопастей смесителя, для чего, естественно, приходится преодолевать значительные сопротивления дисперсного материала, обусловленные трением частиц друг о друга, т. е. преодолевать сдвиговые напряжения (реологические сопротивления). Процесс смешения становится возможным, если в дисперсной системе создаются градиенты скоростей между слоями.

Чем больше перепад скоростей ε*=dε/dt (ε-деформация , t – время) от слоя к слою и чем меньше разница в величине градиента скоростей по объему смесителя, тем более эффективен процесс смешения и быстрее достигается необходимая однородность (гомогенность) гетерогенной системы. Но реализация этих условий тем более затруднительна, чем больше объем смесительной камеры.

С увеличением объема резко возрастает реологическое сопротивление системы и соответственно растет потребляемая мощность, необходимая для осуществления процесса. Если же пытаться увеличить скорость вращения лопастей, что, естественно, должно было бы повысить скорость смешения, то потребляемая мощность увеличивается еще больше, а из-за возникновения разрывов сплошности в смешиваемой системе в условиях сдвиговой деформации при больших скоростях такое увеличение не способствует повышению однородности смеси [2, 3].

Сушка, обжиг, каталитические процессы и целый ряд процессов в кипящем слое – примеры технологических процессов, эффективность которых, как и в рассмотренных выше случаях, в значительной мере определяется совершенством механизма взаимодействия дисперсных фаз в потоках жидкости или газа.. В основе технологических препятствий, преодолеваемых на пути их интенсификации, лежат весьма близкие, по сути, физико-химические явления. Это главным образом поверхностные явления на межфазных границах, которые в значительной степени определяют характер протекания гетерогенных химико-технологических процессов в дисперсных системах.

К числу важнейших, по существу, основных факторов, определяющих особенности таких процессов, прежде всего, относятся контактные взаимодействия между частицами дисперсных фаз, а также между дисперсной фазой и дисперсионной средой. Характер взаимодействия и диапазон рабочих условий, способствующих интенсификации конкретного технологического процесса, значительно меняются для различных систем газ – твердое. В зависимости от подвижности твердых частиц, их склонности к агломерации и статической электризации, геометрии рабочего пространства, ввода газа и других параметров характеристики системы будут меняться.

Одним из важных факторов является распределение твердых частиц по размерам. В общем случае мелкие частицы имеют тенденцию к комкованию и агломерации, если они увлажнены. Тогда

В общем же случае оптимальное (с технологической точки зрения) динамическое состояние дисперсных систем, создание которого необходимо для интенсификации химико-технологических и, прежде всего, гидро-механических процессов в таких системах, должно определяться совокупностью факторов и отвечать, по меньшей мере, двум условиям:

— достижению и поддержанию в объеме системы скоростей сдвига ε*, соответствующих максимальной текучести при предельном разрушении структуры;

— достижению такой скорости относительного смещения частиц дисперсной и дисперсионной фаз, при которой диффузионные препятствия перестают лимитировать скорость разрушения материала, при сохранении его химических и фазовых превращений.

Термодинамический фактор интенсификации технологии

Уже в течение нескольких лет большое внимание уделяется способу дробления и измельчения, использующему разрушающее действие теплового напряжения. Обзор работ за последние 50 с лишним лет в области измельчения термически обработанных горных пород, показал важность термического удара в цикле термической обработки.

Геллером Л. Б.и Терво Р. О. [Geller L. B. Tervo R.O.Grinding of preheated rocks/ -Onstitution of Mining and Metallurgy. Transaktions/ Sec. «C», 1975. vol. 84, №820, p. 25-33] были проведены опыты с целью иллюстрации влияния крупности частиц, скорости теплопередачи и температуры предварительного нагрева на термическую сторону комбинированного процесса. Было установлено, что для данного материала термическая обработка была тем эффективнее, чем:

— крупнее было питание;

— выше температура нагрева;

— выше скорость теплопередачи.

Сила термических ударов регулировалась только различными методами охлаждения. Было сделано допущение, что нагрев происходит настолько медленно, он не вызывал сколько-нибудь существенных напряжений: вероятно, это было слишком большим упрощением. Однако, остается фактом, что, вообще говоря, намного труднее разрушить материал внезапным нагревом, чем внезапным охлаждением. Например, в случае сферических тел это явление тесно связано с термическими напряжениями, которые ниже в центре, чем на поверхности сферы, так как критерий Био больше в два раза /рис. 7/. Более того, проще вызвать термический удар быстрым охлаждением, чем весьма внезапным нагревом. Исключительно быстрый нагрев требует необычных и дорогостоящих систем, таких как факельные горелки, факел плазмы и пульсирующие горелки.

Факелы генерируемые реактивными двигателями были испытаны на практике для термического разрушения горных пород открытых разработок [1: Gelter L. B. A nev look at thermal rock fracturinq. Trans. Insn Min Vetall. (Sect. A: Min. Industry), 79.1970, A133,-70. 31: Thirumelai K. And … ] а пульсирующее пламя для разрушения горных пород было изучено в лабораторных условиях [35, Pannier G. The Piro-Jet Mineral processor. Engng Min. J.,168, Auq. 1967. 89. 36. Pannier G. The Puro-mineral processer. California Min. J., Nov. 1967, 7-8; Dec. 1967. 7 and 12]/

Важные результаты ранее выполненных исследований в работе Геллера Л. Б.и Терво Р. О. были пересмотрены и в некоторых случаях вновь подтверждены и на этом основании сделаны следующие выводы.

Термическая обработка перед измельчением значительно понижает прочность исходного материала независимо от содержания в нем кварца. В общем случае явление фазового превращения кварца не играет определяющей роли в достижении этого эффекта.
Ситовая характеристика обработанного материала практически та же самая, как в случае измельчения материала в горячем состоянии, так и измельчения охлажденного, предварительно нагретого до той же температуры. Соответственно, в измельчающем оборудовании нет необходимости обрабатывать горячий материал, так как имеет значение темпера термической обработки, а не.температура, при которой производится измельчение.
Ситовая характеристика материала при одной обработке может практически не измениться. Однако, если применяется последующее измельчение, видно, что материал сильно ослаблен в результате нагрева.
После измельчения получают различные ситовые характеристики горной породи, обработанной и не обработанной термически.
После термическое обработки зерна минералов могут быть раскрыты при более грубом помоле, чем при измельчении необработанного материала. В связи с этим следует отметить разрушение, происходящее по границам раздела зерен.
Неравномерное расширение отдельных зерен в агрегатах и различные скорости теплопередачи различных зерен горной породы вероятно играют важную роль в процессе термической обработки — так происходит разрушение, вызванное термическим ударом, даже в абсолютно однородных телах.

Что касается экономической оценки процесса, кажется маловероятно, что термическую обработку руд можно оправдывать только на основе снижения стоимости измельчения. Например, некоторые авторы сравнивали экономию затрат на измельчение (в случае снижения благодаря термической обработке расхода энергии на 50% со стоимостыо нагревакварца. Они нашли, что стоимость нагрева выше. Однако, эта технология предоставляет дополнительные важные эффекты, которые следует внимательно рассмотреть при проведении экономического сравнения. Например, этот процесс снижает износ измельчающей среды [4 Mitchell W. Jr. Sollenberqer C. L. and Miskell F. F. Faktors in the economics of heat-treated taconites. Min. Enqnq . N.Y., 4, 1952. 962-7]. В определенных случаях он может также привести к существенному уменьшению образования шламов [4, 9] что может, например, расширить применимость флотационного процесса для обогащения руд цветных металлов. Также возможно, что требуемая ситовая характеристика может быть получена только при включении термической обработки в цикл измельчения.

И опять тот факт, что зерна могут быть раскрыты при значительно более грубом .измельчении, когда используется термическая обработка, может иметь большое значение в случаях чрезвычайно тонкого измельчения, и, соответственно, неэкономичного обогащения для достижения удовлетворительного раскрытии минералов. Термическая обработка может также повысите производительность измельчительного оборудования. Например, большие куски скажем, от 50,8 до 254 мм, вероятно могут быть измельчены без промежуточных стадий, для чего эти куски могут быть правильно термически обработаны.

Должен быть рассмотрен тепловой баланс всего процесса. Основные потери могут быть с выгружаемым продуктом. Поэтому экономия тепловой энергии путем использования соответствующей теплообменной аппаратуры может быть весьма важной. Например, если не требуется охлаждение, кпд может быть поддержан на удовлетворительном уровне при помощи такого оборудования, как вертикальная шахтная печь, из которой продукты могут быть выгружены с умеренной температурой. Было бы очень важным применение дешевого топлива.

Наиболее четко это действие проявляется в том случае, когда в нагреваемом объеме имеются минералы с различной удельной теплоемкостью и разным объемным расширением.

Теоретически преимущества прямого дробления и измельчения заключаются в отсутствии потерь энергии, которые неизбежны при многократном её превращении на измельчительных установках, а также в возможности дробить очень большие куски породы без применения дорогостоящи буро-взрывных работ на месте добычи.

До настоящего времени электро-термический способ намел лишь ограниченное применение, так как разрушающий эффект зависит от определенных физических свойств дробимого материала.

Физические основы термического измельчения сводятся к следующему.

Тепловое напряжение в твердом теле в общем виде представляется в виде:

где — тепловое напряжение, кг/см2,

Е — модуль упругости, кг/см2,

— теплопроводнocть, 0С,

— линейный коэффициент теплового расширения, 1/0С

ср — удельная теплоемкость, Ws/(ч*0С),

Т — разница температур, °С.

Тепловое напряжение растет с увеличением разницы температур между нагретыми и не нагретыми участками материала. При этом выгодно, чтобы модуль упругости Е и коэффициент линейного теплового расширения были возможно большими, а удельная теплоемкость ср и теплопроводность возможно меньшими.

Для приблизительного расчета возникающего напряжения могут быть привлечены формулы, которые Сцабо [] приводит для расчета напряжения в стенках толстостенных труб при внутреннем давлении.

При этом вместо внутреннего давления рi ставится радиальный сдвиг u = , который испытывает внешняя оболочка в результате теплового расширения.

,

— тангенциальное напряжение при растяжении, кг/см2 ,

— радиальное напряжение при сжатии, кг/см2 ,

— линейный коэффициент теплового расширения , 1/°С T — разность температур, °С,

Е — модуль упругости, кг/см2,

— коэффициент Пуассона,

ri- радиус действия внутреннего напряжения, см?

ra — радиус детали, см

r- радиус, по которому должно быть рассчитано напряжение, см.

Эта модель отражает действительность в том случае, когда температура, а вместе с ней и тепловое напряжение уменьшается от внутренних слоев к наружным.

Чтобы получить представление, с какой температурой и какими температурными градиентами придется иметь дело, мм обратимся к данным Семенова2), которые он приводит относительно лабрадорита.

Физические явления сопровождающие разрушение частиц в процессе газодинамического диспергирования.

При взаимодействии ускоренных газовым потоком измельчаемых частиц происходит множество процессов, в результате которых наблюдается эмиссия атомных частиц, а свойства твердых тел могут существенно изменяться. Многие из этих процессов используют в качестве универсального технологического инструмента, позволяющего не только изменять заданным образом свойства измельчаемого материала, но и контролировать эти изменения.

Рассмотрим, какие из физических явлений, сопровождающих процесс измельчения, могут быть использованы для этих целей.

Закономерности протекания процессов при газодинамическом диспергировании определяются параметрами гетерогенного потока: энергией частиц, направлением их движения и интенсивностью ? потока. Положительной особенностью газодинамической технологии является сравнительная простота управления всеми названными параметрами путем изменения параметров конструктивных элементов газодинамической системы. Эти элементы, как правило, формируют энергетический поток газовзвеси и распределяют в зоны преобразования его энергии (кинетической, тепловой) в работу разрушения, разделения по крупности, транспортировку и транспортировку материала. Такой поток перемещают от участка к участку в соответствии с установленным режимом (по заданной программе), или разворачивают в растр.

Конструктивные особенности элементов установи, энергетический диапазон потока, допустимый разброс по энергиям и углам вылета частиц измельчаемого материала, минимальный поперечный размер потока и концентрация частиц, в каждом случае, определяются конкретно.

Следует заметить, что на пути движения потока измельчаемые частицы могут терять энергию и изменять направление движения из-за рассеяния на частицах окружающей среды. Число актов рассеяния на частицах пропорционально их концентрации, эффективному сечению процесса соударения и протяженности перемещения потока.

Положительной особенностью газодинамической технологии является сравнительная легкость управления параметрами измельчения с помощью конструктивных элементов системы. new balance avis Эти элементы формируют моноэнергетический пучок электронов, сфокусированный и направленный в выбранный участок объекта.

На пути к поверхности заготовки первичные электроны могут терять энергию и изменять направление движения из-за рассеяния на частицах окружающей среды. Такое явление особенно существенно, если в электроннолучевой установке поддерживается недостаточно высокий вакуум, или если само электронное облучение сопровождается активным выделением газов и паров из материала обрабатываемого объекта. Чтобы не менее 99% электронов доходили до поверхности без взаимодействия с атомами окружающей среды, нужно поддерживать вакуум в установке на уровне 10″г-104 Па

и ниже.

При внедрении в вещество электроны испытывают многочисленные акты взаимодействия с его атомами.
Поделиться ссылкой:
Похожее