Технические средства для вибрационно-центробежного гранулирования техногенных материалов

В связи с ростом числа предприятий малого и среднего бизнеса, где в условиях конкуренции требуется необходимость в быстрой переориентации производства, весьма актуально создание высокоэффективного и энергосберегающего оборудования. Наряду с этим, важной задачей различных производств является проблема утилизации техногенных материалов, образующихся при изготовлении конечной продукции.

Для утилизации пылевидных, вязко-пластичных и текучих материалов целесообразно использовать технику и технологию компактирования материалов: гранулирование, экструдирование, брикетирование, прокатка и др. [1]. Каждый из указанных способов обладает своими преимуществами и технологической целесообразность, учитывающей дальнейшие способы утилизации сформованных тел (термохимическая обработка при использовании в качестве техногенного сырья, в виде заполнителей, в том числе поризованных, в качестве дополнительных источников тепловой энергии при их переработке и др.). При этом возможна комбинация жидких и порошкообразных техногенных материалов, которые в виде композиционной шихты могут быть подвергнуты формованию (перлит и вермикулит содержащие композиционные смеси, нефтебитум содержащие смеси для производства щебеночно-мастичных покрытий, топливо содержащие компоненты и др.). При этом важным аспектом дальнейшего развития техники и технологии утилизации техногенных материалов является их рациональное использование в качестве нетрадиционных видов топлива, например, в виде широко распространенных в развитых странах Европы – пеллет, для последующей выработки из них, при сжигании, тепловой и электрической энергии.

В этой связи возникает необходимость создания высокоэффективной техники и технологии производства сформованной продукции из вязко-пластичных материалов (например, из отходов деревообрабатывающей промышленности с нефтешламовыми связующими), обладающих большой теплотворной способностью.

Существующая техника гранулирования материалов (тарельчатые, барабанные грануляторы, окомкователи и др [2, 3]) не обеспечивают динамического воздействия на обрабатываемый материал и получение сформованных тел из вязко-пластичных материалов с заданными характеристиками (размерами, плотностью, прочностью, упрочненным поверхностным слоем и др.).

С целью реализации данной задачи нами был разработан вибрационно-центробежный гранулятор (ВЦГ) [4], в котором траектория движения каждого из рабочих барабанов определяет характер движения формуемого материала, что позволяет получать гранулы с заданными физико-механическими характеристиками.

Конструкция ВЦГ имеет устройство предподготовки гранул, выполненное в виде профильных валков, а так же кривошипно-ползунный механизм, обеспечивающий заданное движение рабочих камер. Блок гранулирования включает три формующих барабана, которые жёстко закреплены на подвижной раме. Каждый барабан совершает движение по индивидуальной траектории за счёт того, что рама, на которой они установлены, в нижней части шарнирно соединена с кривошипами, а в верхней - с ползунами, движущимися по вертикальным направляющим.

Для изучения кинематики движения формующих барабанов необходимо провести расчёты и составить функции положения основных точек звеньев рычажного механизма, которые также будут влиять на характер движения материала в рабочих камерах [5].

На рис. 1 представлена расчетная схема рычажного механизма блока гранулирования.

При составлении расчётной схемы использована система координат XY, которая связана со стойкой О.

Точка С являются местом крепления верхнего барабана, которая так же совпадает с положением центра оси шарнира ползуна (звена 3). Уравнение, описывающее перемещение точки С, представлено в виде:

, (1)

где Y_C – величина перемещения точки С, м; L_ОА – эксцентриситет (величина звена 1), м; L_АС – величина звена 2, м; α₀ – угол поворота входного звена 1, град.

Полученное уравнение описывает движение, совершаемое верхним барабаном и определяет характер воздействия на формуемый материал.

Рис. 1. Расчётная схема рычажного механизма ВЦГ

1 – кривошип (эксцентриковый вал), 2 – шатун, 3 – ползун.

Для точки В, которая является местом положения среднего барабана, получены следующие уравнения:

, (2)

,

где L_АВ – расстояние от точки В до точки А вдоль звена 2, м; α₁ – угол поворота звена 2 относительно звена 1, град.

Траектория движения среднего формующего барабана представляет собой эллипс. При постоянном значении L_ОА (эксцентриситета) изменение положения точки В будет определять траекторию движения формующего барабана, а следовательно, условия движения в нем формуемого материала.

В точке А закреплён нижний формующий барабан и расположенные на его торцах тороидальные камеры. Для данной точки характерны уравнения, описывающие движение точки по круговой траектории, и, соответственно, движение рабочих органов, а так же находящегося в них материала :

, (3)

.

С учётом полученных закономерностей траекторий движения формующих барабанов и гранулируемого материала в них нами разработана стендовая установка ВЦГ (рис. 2.).

Рис. 2. Стендовая установка вибрационно-центробежного гранулятора.

Установка работает следующим образом. Предварительно подготовленная к формованию шихта подается в загрузочный бункер 1, откуда поступает на вращающиеся навстречу друг другу валки 2, где осуществляется ее микрогранулирование. По питающему устройству 3 микрогранулят подается в первый формующий барабан 4 блока гранулирования. За счет использования расположенных в нём вибролотков обеспечивается продвижение микрогранулята и равномерная его подача по соединительным патрубкам 7 во второй барабан 5. При движении барабана 5 по элипсообразной траектории реализуется рост гранул и их динамическое уплотнение. Через центральное разгрузочное отверстие среднего барабана гранулы поступают в третий барабан 6, траектория движения которого представляет собой окружность. Окатывание в этом барабане происходит за счёт сил трения, центробежных, инерционных и др. сил, значение которых определяется скоростными параметрами вращения кривошипов. При этом на концах барабана 6 установлены торообразные камеры 8, где осуществляется последняя стадия процесса формования, а гранулы принимают сферическую форму с упрочненным поверхностным слоем. Готовый продукт выходит через разгрузочные патрубки 9. Регулирование частоты вращения вала основного электродвигателя, передающего вращение кривошипу, а также режима работы электропривода устройства предподготовки осуществляется блоком управления 10.

При изучении процессов гранулирования материалов с различными физико-механическими характеристиками нами использовано физическое моделирование.

Моделирование процесса движения формуемого материала осуществляли на стендовой установке с прозрачными барабанами (рис. 3). Установка имеет следующие параметры: диаметр формующих барабанов D₁ = D₂ = D₃ = 85 мм, длина барабанов L₁ = L₂ = L₃ = 220 мм, диаметр торообразных камер D_Т1 = D_Т2 = 105 мм, ширина В_Т1 = В_Т2 = 40 мм, величина эксцентриситета e= 20 мм, частота вращения кривошипов n= 150 – 400 об/мин.

Рис. 3. Моделирование движения формуемого материала

Для исследований использовали следующие материалы: пылеунос перлитового производства (размер частиц менее 0,16 мм), бентонит, гипс, раствор ЛСТ, жидкое стекло.

В результате проведенных исследований было установлено, что процесс гранулообразования стабилен при следующем составе шихты (в % мас.): перлит - 26 - 35, бентонит - 13 - 17, гипс - 13 - 17, ЛСТ - 16 - 22 (на сухую часть), жидкое стекло - 23 - 26 (на сухую часть). При этом влажность смеси составляла 52 – 56%, частота вращения кривошипов 250 – 380 об/мин.

Полученные гранулы размером 3 - 7 мм обладали следующими характеристиками: насыпная плотность 190 - 300 кг/м³, предел прочности на сжатие в цилиндре 0,15 - 0,35 МПа.

Сравнение характеристик полученных гранул с требованиями ГОСТ 10832-91 «Щебень и песок перлитовые вспученные» показывает, что из техногенного пылевидного материала можно получить продукт, удовлетворяющий требованиям (по прочности и насыпной плотности) для марки М300.

Реализация постадийного процесса гранулирования в ВЦГ с предварительным микрогранулированием исходной шихты позволяет получать гранулированный продукт с заданными характеристиками из различных техногенных материалов: пылеуноса сушильных и обжиговых агрегатов (цементного, перлитового, стекольного и др. производств), золошлаковых отходов, отходов деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности с нефте-шламовыми связующими и др.

Таким образом, проведённые нами конструкторско-технологические разработки и опытно-экспериментальные исследования процесса постадийного гранулирования композиционных смесей, позволили обоснованно подходить к созданию опытно-промышленного образца вибрационно-центробежного гранулятора, его кинематических и конструктивно-технологических параметров.

Литература:

1. Севостьянов В.С. Технические основы переработки и утилизации техногенных материалов / В.С. Севостьянов, Л.И. Шинкарев, М.В. Севостьянов, А.А. Макридин, Н.В. Солопов // Учебное пособие. Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова. – Белгород, 2011 – 270 с.

2. Равич Б.М., Окладников В.П., Лыгач В.Н. Комплексное использование сырья и отходов – М.: Химия, 1988 – 288 с.

3. Ласкорин Б.Н. Проблемы развития безотходных производств / Ласкорин Б.Н., Громов Б.В., Цыганков А.П. и др. – М.: Стройиздат, 1981 – 208 с.

4. Пат. №2412753 РФ, Вибрационно-центробежный гранулятор / Ильина Т.Н., Севостьянов М.В., Уральский В.И., Шкарпеткин Е.А.; заявл. 25.09.09 ; опубл. 27.02.2011, Бюл. №6.

5. Севостьянов В.С. Вопросы динамического исследования центробежного помольно-смесительного агрегата / В.С. Севостьянов, В.И. Уральский, Е.В. Синица, А.В. Уральский // Вибрационные машины и технологии: Сборник науч. тр. / редкол: C.Ф. Яцун (отв. ред.) и др.: Курский гос. техн. унив-т. – Курск, 2008. – С. 596-601.