AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSÁNAK ÉS KERÁMIÁK ALAKADÁSÁNAK MATEMATIKAI MODELLEZÉSE
AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA, ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON
description
Transcript of AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA, ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON
AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA, ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON
Dr. Gömze A. Lászlóegyetemi docens
MISKOLCI EGYETEMMŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KARKerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék
http://keramia.uni-miskolc.hu [email protected]
Habilitációs tudományos kollokviumMiskolc, 2011. január 20.
AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON
TEMATIKA
1. Az agyagok és az agyagásványok
2. Az aprítás és őrlés jelentősége és értelmezése
3. A kollerjárat bemutatása és a vele történő aprítás elemzése
4. Az agyagszemcsék keveredése és homogenizálódása a kollerjáraton történő
aprítás közben
5. Az agyagszemcsékben aprításkor ébredő mechanikai feszültségek elemzése
• A csúsztatófeszültégek (nyírás) meghatározása és elemzése
• A nyomófeszültség meghatározása és elemzése
6. Eredmények összegzése
AZ AGYAG FOGALMA
1. Auguszt Hermann SEGER (1878)Az agyag szubsztancia a laza, törmelékes kőzetek olyan frakciója, amelynek szemcsemérete:
d<10µm
2. Albert ATTERBERG (1913)Az agyag olyan laza, törmelékes kőzetek alkotta nyersanyag, amelynek legnagyobb szemcsemérete:
dmax<2µm
3. A mai álláspont szerintA tégla- és cserépgyártáshoz használt agyag olyan laza, törmelékes kőzet:• amely agyagásványt tartalmaz, • víz hozzáadásával a szilárd szemcsék halmazából képlékeny masszává
alakul,• képlékenyen alakítható, formázható,• Wmin≤Wa≤Wmax nedvességtartalom intervallumban formázás után alaktartó.
AZ AGYAGÁSVÁNYOK
Az AGYAGÁSVÁNYOK olyan természetes úton képződött hidroxidokban gazdag rétegszilikátok, amelyek:• Határozott kémiai, és ásványi összetétellel rendelkeznek,• Rendezett belső szerkezettel bírnak (de a hosszú távú rendet kristályhibák
ronthatják!), • Szilárd halmazállapotú vegyületekből – szilárd oldatokból – állnak,• Többnyire földpát tartalmú kőzetek szialitos mállása révén keletkeznek
szilárd fázisú átalakulási folyamatok eredményeként.
NÉHÁNY AGYAGÁSVÁNYKaolinit Al2Si2O5(OH)4 AS2H2 Al2O3*2SiO2*2H2O Halloysit Al2Si2O5(OH)4*2H2O AS2H4 Al2O3*2SiO2*4H2OPirofillit Al2Si4O10(OH)2 AS4H Al2O3*4SiO2*H2OMuszkovit KAl2(AlSi3O10)(OH)2 K A3S6H 2 K2O*3Al2O3*6SiO2*2H2OTalk (zsírkő) Mg3Si4O10(OH)2 M3S4H 3MgO*4SiO2*H2O
A HIDROXIDOK SZEREPE AZ AGYAGÁSVÁNYOKBAN
HATÁSUK AZ ANYAGSZERKEZETRE• Az OH- csoport egyedül, vagy az oxigénnel együtt tölti be az anion helyeket,• Az OH- ionoknak köszönhetően zömmel rétegrácsos felépítésűek,• A rétegek között a kötés van der Waals, vagy hidrogén kötés, • Sokkal kevésbé stabil vegyületek, mint az oxidok,• A kristályok táblás, lemezes szerkezetűek, a rétegekkel párhuzamos síkokban
kiváló hasadási képesség,
HATÁSUK A MECHANIKAI TULAJDONSÁGOKRA ÉS AZ APRÍTHATÓSÁGRA• Nekik köszönhetően az agyagásványok relatíve kis keménységűek, • A nyomószilárdság (Rp) többszöröse a nyírószilárdságnak (Rs)
Ra >> Rb• Összetett (nyíró, nyomó, hajlító, koptató,…) igénybevételnek kitéve
hatékonyan aprítható, őrölhető.
AZ APRÍTÁS, ŐRLÉS JELENTŐSÉGE
A szemcseméret és szemcseszerkezet hatása a fluiditásra és az égetett termék
mechanikai szilárdságára öntött tűzállóanyagoknál Nishikawa (1984) és
Jamamura (1995) szerint
• Szemcseméret csökkentése, fajlagos felület növelése;
• Homogén ásványi (kémiai) összetétel és szemcseszerkezet előállítása;
• Alakíthatóság, formázhatóság javítása;• Hőkezelés, égetés során a végbemenő
kémiai reakciók és átkristályosodási folyamatok elősegítése;
• Pórusméretek és pórusszerkezet befolyásolása;
• A késztermék anyagszerkezetének és mechanikai tulajdonságainak javítása, szilárdságának növelése.
(Durva)
(Finom)(Közepes)
AZ APRÍTÁS, ŐRLÉS ÉRTELMEZÉSE
Az aprítási művelet modellezése
Aprítás, őrlés: • d1 méretről d2 méretre
• Keletkező új szemcsék száma:NK=n3
• Keletkező új felületek nagysága:A=2*3*(n-1)*d1
2
• A törési síkok száma:Nts=3*(n-1)
• Az aprítási fok:n=d1/d2
A KOLLERJÁRAT ELVI KIALAKÍTÁSA
A kollerjárat elvi vázlata
A KOLLERJÁRAT, MINT APRÍTÓGÉP:• Száraz és nedves őrlésre egyaránt
alkalmas;• Az aprítást, őrlést a vízszintes
tengely körül forgó mozgást végző görgők végzik egy vízszintes síkban elhelyezkedő őrlőtányéron;
• Az őrlőtányér lehet álló vagy forgó mozgást végző, perforált (rostélyos) vagy sima;
• Működésüket tekintve a kollerjáratok lehetnek folyamatos és szakaszos üzeműek.
A KOLLERJÁRATON TÖRTÉNŐ APRÍTÁS ELEMZÉSE
A matematikai (mechanikai)elemzéshez használt modell
• A berendezés felfogható olyan ”hengerpárként”, ahol az őrlőtányér görbületi sugara: R2=∞;
• Az alkalmazott koordináta rendszer középpontja a mindenkori görgő-középponthoz képest rögzített, azaz a felvett koordináta rendszer a királytengely fordulatszámával forog;
• Ebben a koordináta rendszerben aprítás közben:- a görgő csak a saját tengelye körül végez forgómozgást;- a tányér „kerületi sebessége” megegyezik a görgő kerületi sebességével (mivel a koordináta rendszer a görgő kerületi sebességével elhalad a tányér felett).
A KOLLERJÁRATON TÖRTÉNŐ APRÍTÁS ELEMZÉSE
A matematikai (mechanikai)elemzéshez használt modell
A MODELL FONTOS ELEMEI
• Bányanedves agyag reo-mechanikai anyagegyenlete:
• (1)
• Aprítás közben az agyag elemi térfogatára ható erők egyensúlyi állapotban vannak:
∑Fx=0, ∑Fy=0 és ∑Fz=0, (2)
• Az erőegyensúlyi állapot az ábra jelöléseivel:
• ahonnan: , vagyis:
• (3)
0)( zyzxppp yxp
AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN
Az aprítás közben kialakuló áramlási és deformációs sebességviszonyok meghatározásához célszerű a reológiai anyagegyenletet (1) behelyettesíteni a mechanikai egyensúlyi állapotot leíró (3) összefüggésbe. Ekkor:
, (4)
ahonnan kettős integrálás után kapjuk:
, (5)
Az u = v, ha x = 0 es u = v, ha x = t peremfeltételekből a C1 és C2 integrálási
állandókra a következő kifejezések adódnak:
(6)
(7)
2
2
10 2
1C
dy
dpxxCxu
AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN
A (6) és (7) kifejezéseket az (5) összefüggésbe beírva a tányér és a görgő közötti résben aprózódó masszában kialakuló áramlási és deformációs sebességviszonyokra adódik, hogy:
(8)
A dp/dy differenciál hányados meghatározható az átbocsájtási teljesítményből.
A kollerjárat átbocsájtási teljesítménye tetszőleges t résméret-szelvénynél:
(9)
ahol:V1 – az időegységre jutó megmunkált agyagmassza térfogat a tetszőlegesenmegválasztott t vastagságú résszelvénynél, [m3/s];L – a kollerjárat görgőjének szélessége, [m];u – az aprítódó massza „áthaladási” sebessége a t résszelvénynél, [m/s].
AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN
A (8) kifejezést a (9) összefüggésbe beírva az integrálás elvégzése után a kollerjárat időegységre jutó átbocsájtási teljesítménye:
(10)
Ugyanakkor a kollerjárat V2 átbocsájtási teljesítménye a t0 névleges résméretnél:
(11)
Tekintettel arra, hogy V1=V2, a (10) kifejezés egyenlő a (11) kifejezéssel, ahonnan a nyomás-gradiens:
(12)
AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN
A (12) kifejezést (8)-ba visszahelyettesítve, az összevonások után a résben aprózódó agyagmasszában tetszőleges t résszelvénynél kialakuló deformációs- és sebességviszonyokra az alábbi összefüggés adódik:
(13)
AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN
Az ábra alapján könnyű belátni, hogy a (13) kifejezés csupán az n fordulatszámmal forgó királytengelytől, az L1 szélességű görgő r1 távolságban középen metsző síkra igaz.Kerületi sebesség a görgő palástfelületének belső szélén:
(14)
Közepén:
(15)
Külső szélén:
(16)
Elvi vázlat a görgő palást felülete „csúszásának” értelmezéséhez
AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN
A (14), (15) és (16) kifejezésekből következik, hogy a kollerjáratok görgőinek palástfelülete a királytengely felőli oldalon a királytengely által r1b távolságra gerjesztett kerületi sebességhez képest
(17)
sebességgel „siet”, míg a görgőpalást külső oldalon
(18)
sebességgel „késik”!
A fenti sebességkülönbségek jelentős mértékben hozzájárulnak az aprítási hatásfok javításához és a kollerjárat görgői alatt aprózódó agyagszemcsék térbeli keveredéséhez, homogenizálódásához.
AZ AGYAGSZEMCSÉK APRÍTÁSAKOR ÉBREDŐ MECHANIKAI FESZÜLTSÉGEK
AZ AGYAGSZEMCSÉKBEN APRÍTÁSKOR ÉBREDŐ CSÚSZTATÓFESZÜLTSÉGEK MEGHATÁROZÁSA
Aprítás közben az i-dik, görgő alatti résben a bányanedves agyagmasszában kialakuló u deformációs és sebességviszonyok x szerinti deriváltja:
(19)
A (19) kifejezést a bányanedves agyagmassza (1) reo-mechanikai anyagegyenletébe behelyettesítve és megoldva az aprítás közben ébredő csúsztatófeszültségre kapjuk, hogy:
(20)
iiiii
ii dxtxt
ttRdu
26
30
AZ AGYAGSZEMCSÉK APRÍTÁSAKOR ÉBREDŐ MECHANIKAI FESZÜLTSÉGEK
AZ AGYAGMASSZÁBAN APRÍTÁSKOR ÉBREDŐ CSÚSZTATÓFESZÜLTSÉG A KEMA 18900/S KOLLERJÁRAT PÉLDÁJÁN
A KEMA 1800/S típusú kollerjárat i-edik görgője alatti résben aprítódó a görgőpalástfelületéről t/4 távolságra levő szemcsében ébredő csúsztatófeszültség alakulása az „y”
tengely mentén, du/dx=1.0 s-1 deformációs sebességgradiens esetén, ha az agyagásványdinamikus viszkozitása η1 = 103 Pas
AZ AGYAGSZEMCSÉK APRÍTÁSAKOR ÉBREDŐ MECHANIKAI FESZÜLTSÉGEK
AZ AGYAGSZEMCSÉKBEN APRÍTÁSKOR ÉBREDŐ NYOMÓFESZÜLTSÉG
Az i-edik görgő ds elemi ívhosszának értelmezése
A (19) összefüggés x szerinti deriváltját a (3) kifejezésbe behelyettesítve kapjuk:
(21)
ahonnan:
(22)
A mellékelt ábra jelöléseit alkalmazva:
(23)
AZ AGYAGSZEMCSÉK APRÍTÁSAKOR ÉBREDŐ MECHANIKAI FESZÜLTSÉGEK
A (23) kifejezést a (22) összefüggésbe behelyettesítve az i-edik görgő alatti nyomásviszonyok:
(24)
A (24) kifejezés jól szemlélteti, hogy a bányanedves agyagok kollerjáraton történő aprításkor az ébredő nyomófeszültségek nagysága az agyagmassza ηi effektív viszkozitásától, a ti/t0i aprítási foktól, a tányér és a görgő közötti résben elfoglalt helyzetétől, valamint a kollerjárat konstrukciós paramétereitől – a görgők sugarának és szögsebességének nagyságától – függ.
i
t
i
iiiiii
t
i
iiiiii
p
i dtt
ttRdt
t
ttRRdp
iii
0
3
30
03
0
0
)(2626
AZ AGYAGSZEMCSÉK APRÍTÁSAKOR ÉBREDŐ MECHANIKAI FESZÜLTSÉGEK
A palástnyomást előidéző „koncentrált” erő alakulása az aprítási fok
függvényében bányanedves agyagásvány KEMA 1800/s kollerjáraton történő aprításkor;
Li= 0,5m, Ri = 0,9m; ωi = 1,5s-1, (ηi értéke függ a masszában kialakuló sebességgradiens
nagyságától!)
A palástnyomást előidéző „koncentrált” erő alakulása a görgőpalást kerületi
sebességének függvényében bányanedves agyagásvány KEMA 1800/s kollerjáraton történő
aprításkor; Li= 0,5m, Ri = 0,9m és az aprítási fok a = 8
EREDMÉNYEK ÖSSZEGZÉSE
1. A (13) összefüggéssel sikerült leírni a kollerjárat görgője és tányérja közötti résben aprítódó agyagmasszában kialakuló deformációs- és sebességviszonyokat.
2. A (13) összefüggés a (17) és (18) kifejezésekkel együtt választ ad a kollerjáratokon történő aprításkor megfigyelhető intenzív keverő és homogenizáló hatásra is.
3. A (20), illetve (24) kifejezések jól mutatják, hogy az ébredő mechanikai feszültségek nagysága függ:• Az agyagmassza effektív viszkozitásától;• A görgő és a tányér közötti résben elfoglalt geometriai helyzettől;• Az aprítási fok nagyságától;• A kollerjárat geometriai és konstrukciós paramétereitől.
(24)
A (24) kifejezés jól szemlélteti, hogy a bányanedves agyagok kollerjáraton törté
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁSBLAGODARNOST
Őszinte köszönetemet fejezem ki alábbi orosz és magyar mestereimnek, professzoraimnak:
• Baumann Intézet (Moszkva) Szapozhnikov M. J. Eler A. E.
• Építőmérnöki Egyetem (Moszkva) Szilenok Sz. G. Turenko A. V.
Martinov D. P.• Mengyeleev Vegyészeti Egyetem (Moszkva) Pavluskin H. M.
Balkievits V. L.• Veszprémi Egyetem Juhász Zoltán
Opoczky Ludmila Tamás Ferenc
• Miskolci Egyetem Pethő Szilveszter Szaladnya Sándor
KÖSZÖNÖM AZ ÖNÖK FIGYELMÉT!