Учебное пособие: Процеси у виробництві будівельних матеріалів і виробів

B. C. Богданов, А.С. Ільін, И.А. Семикопенко

ПРОЦЕСИ У ВИРОБНИЦТВІ БУДІВЕЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ І ВИРОБІВ

Підручник для вузів

Під редакцією B. C. Богданова

Рекомендований Навчально-методичним об'єднанням вузів РФ за освітою в області будівництва як підручник для студентів вищих учбових закладів, що навчаються по напряму "Будівництво" (635500).

Білгород "Везеліца" 2007

Содержание

Розділ 1. Змішування компонентів будівельних сумішей

1.1. Змішування компонентів сипких будівельних сумішей (мас)

1.1.1 Закономірності змішування

1.1.2 Параметри, що впливають на якість змішування

1.1.3 Диспергіроване змішування сипких матеріалів

Розділ 2. Формування будівельних сумішей

2.1. Вібраційне формування (ущільнення) бетонних сумішей

2.2. Відцентрове формування

2.3. Роликове формування

2.4. Пресування порошкоподібних будівельних матеріалів

2.4.1 Визначення. Класифікація

2.4.2 Закономірності пресування

2.4.3 Параметри пресування

2.5. Випресовування

2.6. Екструзійне формування

2.7. Реологія будівельних матеріалів

Розділ 3. Дозування сипких і рідких матеріалів

3.1. Дозування будівельних матеріалів і рідких продуктів

3.2. Засипка прес-форм формувальною сумішшю

Розділ 4. Грануляція

4.1. Загальні відомості

4.2 Класифікація процесів грануляції

4.3. Грануляція на тарілчатих агрегатах

Розділ 1. Змішування компонентів будівельних сумішей

Змішування (перемішування) - це технологічний процес утворення однорідних систем шляхом приведення в тісне зіткнення твердих і в'язко-пластичних тіл, рідин, газів або їх поєднань.

Змішування твердих тіл, в'язко-пластичних, рідких і інших середовищ здійснюється механічним, гідравлічним, пневматичним, комбінованим і іншими способами.

Машини, вживані для змішування компонентів будівельних сумішей, називаються змішувачами (міксерами) і рідше мішалками.

1.1. Змішування компонентів сипких будівельних сумішей (мас)

При виробництві таких будівельних матеріалів, як силікатна і будівельна цеглина, каміння, блоки, плити, плитки, сухі будівельні суміші і т.п. важливе місце відводиться технологічному процесу підготовки сировинних формувальних сумішей (мас) вогкістю не більше 10%. Від якості підготовки сумішей залежить і якість готових виробів [17, 49].

1.1.1 Закономірності змішування

Механізм дії змішування компонентів сипких сумішей (мас) є дуже складним і залежить від великої кількості чинників, у тому числі від параметрів змішувача і режимів його роботи.

Змішування сипких будівельних матеріалів складається з наступних механічних операцій: переміщення груп частинок матеріалу з одного місця в інше, так зване конвективне змішування (I); перерозподіл частинок при їх переміщенні, так зване дифузійне змішування (II); зосередження частинок в окремих місцях, так звана сегрегація частинок (мал.5.1).

В результаті змішування відбувається взаємне переміщення частинок різних компонентів суміші, що знаходяться до перемішування або окремо, або в неоднорідному стані [17, 49].

Ідеально в результаті змішування повинна вийти така суміш компонентів, що в будь-якій її точці (пробі) до кожної частинки одного з компонентів примикають частинки іншого компоненту в кількості, визначуваній співвідношенням 1:

1. Наприклад, якщо суміш складається з трьох компонентів, маси яких співвідносяться як числа А: В: С, то в будь-якому достатньо малому об'ємі (пробі), узятому випадково в довільному місці (точці), після змішування маси цих компонентів теж повинні відноситися як числа а: b: с.

Мал.5.1. Залежність коефіцієнта неоднорідності від часу змішування

Проте таке ідеальне змішування, тобто той, що рівномірне розташовує частинок в суміші в реальних умовах, не спостерігається [17,49].

Щоб оцінити якість змішування однією випадковою величиною, суміш умовно вважають двокомпонентною. Для чого з суміші виділяють який-небудь один компонент, званий умовно основним (ключовим). Решту компонентів, що входять в суміш, об'єднують в другий (загальний) компонент. По ступеню розподілу ключового (основного) компоненту в суміші, тобто в другому умовному компоненті, судять про якість змішування. Вибір компонентів при цьому є суб'єктивним.

Розроблено досить багато формул (емпіричної залежності) для розрахунку критерію якості змішування. Наприклад, при безперервному збільшенні поверхні розділу між компонентами за рахунок упровадження (дифузії) процес змішування описується наступним рівнянням

 (5.1)

де S - поточна величина поверхні розділу; S₀ - максимально можлива поверхня розділу; е - підстава натурального логарифма, е = 2,71; k - коефіцієнт пропорційності; t - час змішування.

Іноді процес змішування зв'язується з впливом розміру і густини частинок окремих компонентів суміші, тобто з явищем сегрегації (розшарування). Ступінь змішування без урахування розшарування суміші описується залежністю

 (5.2)

де А - постійний коефіцієнт, що враховує властивості сумішей (матеріалу), тип і режим роботи змішувача; t - час змішування; е = 2,71 - основа натурального логарифма.

Найбільше поширення для оцінки якості змішування компонентів сипкої будівельної суміші набув коефіцієнт неоднорідності (варіації)

 (5.3)

де  - середнє квадратичне відхилення концентрації ключового компоненту в пробах;  - середньоарифметичне значення концентрації ключового компоненту в пробах; с_і - значення концентрації ключового компоненту в і-ої проби; п - число аналізованих (відібраних для аналізу) проб.

Чим менше значення  тим вище якість змішення компонентів суміші і її однорідність.

Під кінетикою змішування розуміється закономірність протікання процесу в часі [17, 49, 73].

Закономірність зміни концентрації речовини в потоці при змішенні описується рівнянням [73].

 (5.4)

де Q - витрата компонентів; С_Н, С - концентрація індикатора відповідно на вході і на виході змішувача; дτ - час змішування; V_с - об'єм робочого органу змішувача.

Ліва частина рівняння (5.4) виражає кількість індикатора, що поступає в змішувач. В правій частині рівняння перший доданок є кількістю індикатора, виведеного із змішувача, друге - кількість індикатора, що знаходиться в змішувачі з урахуванням концентрації його, що змінилася, за час дτ [73].

Приймаючи наступні параметри:

, одержимо рівняння

 (5.5)

У разі так званого процесу "вимивання", коли в поступаючому потоці індикатор відсутній, тобто С_н = 0, рівняння має вигляд [8]:

 (5.6)

Середній час перебування частинок в змішувачі τ_ср означає, що об'їм речовини, що поступає в змішувач за час τ_ср, чисельно рівний його місткості і є випадковою величиною [17, 73].

Середній час перебування частинок в умовних осередках (зонах) змішувача, що визначає якість змішування, залежить від конструкції і режиму роботи змішувача і фізико-механічних і технологічних властивостей перемішуваних компонентів суміші і визначається експериментально. В більшості промислових змішувачів можна одержувати суміші з якістю змішування не нижче 20% [17, 49].

1.1.2 Параметри, що впливають на якість змішування

З численних чинників, які впливають на процес змішування сипких будівельних сумішей, в першу чергу слід назвати концентрацію ключового компоненту, вогкість і модуль крупної суміші, оброблюваного матеріалу, час змішування і конструктивно-технологічні параметри змішувача. Зрозуміло, що розглянути всі випадки змішування будівельних сипких сумішей тут неможливо. Тому обмежимося тільки тими, які представляють науковий і практичний інтерес.

Як показали дослідження [17, 54, 79], концентрація ключового компоненту в суміші істотно впливає на критерій якості змішування (мал.5.2).

Із збільшенням концентрації ключового компоненту значення коефіцієнта неоднорідності змішування зменшується, досягає мінімально можливої величини і далі не знижується. Графік залежності має нелінійний вигляд. Встановлено, що при концентрації компоненту більше 10% можна добитися мінімального значення коефіцієнта неоднорідності змішування в двохвальних змішувачах безперервної дії. У тому випадку, коли в суміші знаходиться ключового компоненту менше 10%, то буде потрібно додатковий час на обробку суміші і, можливо, змішувач циклічної дії. Проте зважаючи на малу концентрацію і випадковий характер процесу коефіцієнт неоднорідності виходить великим.

Вогкість суміші також впливає на критерій якості змішування. Із збільшенням вогкості суміші коефіцієнт неоднорідності змішування збільшується (мал.5.2). Очевидно, що за наявності вологи процес змішування проходить менш ефективно, ніж при сухих компонентах суміші. Тому на практиці іноді застосовують двохступінчате (двохстадійне) змішування. Спочатку змішують сухі компоненти, а потім проводять змішування з додаванням води до заданої вогкості [54, 79].

Рис 5.2. Залежність коефіцієнта неоднорідності змішування від вогкості (1) суміші і концентрації компоненту (2)

Рис 5.3. Залежність коефіцієнта неоднорідності змішування від висоти суміші (1) і частоти обертання лопатей (2)

З технологічних чинників, що впливають на ефективність змішування, слід назвати кількість (об'їм) сировинної суміші, обробці, що піддається. В одновальних і двохвальних змішувачах безперервної дії кількість суміші можна характеризувати заввишки суміші в лотку (кориті). Із збільшенням висоти суміші коефіцієнт неоднорідності змішування спочатку знижується, досягає мінімально можливої величини, а потім знову починає рости (мал.5.3). У одновального змішувача це зростання виявляється менш, а у двохвального - більш істотно. Оптимально можливі значення коефіцієнта неоднорідності змішування силікатної формувальної маси у цих змішувачів різні [54,79].

Частота обертання лопатей змішувачів в лоткових змішувачах впливає на якість змішування неоднозначно. Коефіцієнт неоднорідності змішування силікатної суміші із збільшенням частоти обертання лопатей спочатку знижується, досягає мінімальної величини, а потім знову починає збільшуватися (мал.5.3). Залежність носить нелінійний характер і спостерігається як на одновальних, так і двохвальних змішувачах. Можна вважати, що в області регулювання частоти обертання лопатей від 1,5 до 2,1 с^-1 коефіцієнт неоднорідності змішування в двохвальних змішувачах безперервної дії мало змінюється і досягає майже мінімальної величини.

Майже така ж закономірність і при дослідженні залежності коефіцієнта неоднорідності змішування від кута установки лопатей на валах змішувачів. В діапазоні зміни кута нахилу лопатей від 35 до 60° досягається мінімально можлива величина коефіцієнта неоднорідності змішування по ключовому компоненту. Максимальна продуктивність досягається при куті нахилу 45° (мал.5.4).

Мал.5.4. Залежність продуктивності (1) і коефіцієнта неоднорідності змішування (2) від кута нахилу лопатей на валу.

Зміна продуктивності і коефіцієнта неоднорідності по обидві сторони від кута 45°, зразкове однакове і невелике, тобто рівну продуктивність можна одержати, встановлюючи лопаті під кутом в 30 і 60°. Цим частково можна пояснити різноманіття значень кутів нахилу лопатей в змішувачах безперервної дії.

Момент сили на валах змішувачів в одновальних і двохвальних змішувачах безперервної дії при змішенні, наприклад, силікатних формувальних сумішей змінюється неоднозначно залежно від зміни основних параметрів (мал.5.5). Так, наприклад, момент сили росте із збільшенням об'єму суміші в лотку.

Мал.5.5. Залежність моменту сили на валах від висоти суміші в лотку (1), кута нахилу лопатей (2) і вогкості оброблюваної суміші (3).

Графік залежності має лінійний вигляд. А збільшення кута нахилу лопатей приводить до зменшення моменту сили. Залежність носить також лінійний характер. Із збільшенням вогкості суміші момент сили на валах спочатку зменшується, досягає мінімальної величини, а потім знову починає збільшуватися. Графік залежності має нелінійний вигляд. Зміна вогкості від 5 до 7% не позначається істотно на зміні моменту сили на валах змішувача. Отже, знаючи оптимальні значення основних параметрів змішування, можна розрахувати момент сили на валах, потужність електродвигуна і продуктивність змішувача [17, 54, 79].

Продуктивність лопатевих змішувачів безперервної дії можна розрахувати по формулі [17, 54, 79]

 (5.7)

де D, d - відповідно зовнішній і внутрішній діаметри лопатей; S_B - крок гвинтової лінії установки лопатей; п - частота обертання лопатей; Z_л - кількість лопатей, встановлених на одному кроці гвинтової лінії; Z_B - кількість валів змішувачів; К_{л -} коефіцієнт, що враховує взаємне перекриття лопатей в поперечному перетині лотка (корита); К_Н - коефіцієнт, що враховує ступінь заповнення лотка (корита) сумішшю.

Потужність приводу двохвальних змішувачів безперервної дії [17]

 (5.8)

де р - питомий опір суміші при обертанні лопатей змішувачів; Z_B - кількість валів змішувачів; S_і - площа проекції і-тої лопаті на напрям обертання; R_і - відстань від осі обертання до центру тяжіння і-тої лопаті; ω - кутова швидкість валу змішувача; η - КПД приводу змішувача.

Використовування оптимальних значень параметрів змішування і конструктивно-технологічних параметрів змішувачів дає можливість їх оптимального конструювання і ефективного використовування в промисловості будівельних матеріалів для обробки багатокомпонентних формувальних будівельних сумішей.

1.1.3 Диспергіроване змішування сипких матеріалів

Зміна фізико-механічних і технологічних властивостей сировинних формувальних сумішей (мас) спікання, грануляція, гасіння, сегрегації, зволоження і т.п. вимагають вдосконалення технології приготування суміші. Одним із способів ефективної переробки формувальних будівельних сумішей є диспергіроване змішування, тобто одночасне подрібнення і змішування. Диспергірування - це тонке подрібнення твердих тіл, що приводить до утворення дисперсних систем. Диспергіроване змішування може здійснюватися в спеціальних машинах: швидкохідних двохвальних змішувачах безперервної дії; барабанних стрижньових розтирачах-гомогенізаторах, дискових і щіткових змішувачах і ін. [17, 46, 54, 79, 103].

Мал.5.6. Блок-схема програми моделювання диспергірованого змішування на ЕОМ.

Відомо, що хімічні реакції проходять по поверхні речовин, тобто по поверхні контактів між частинками матеріалу. Тому для підвищення інтенсивності хімічних реакцій речовин вимагається збільшити число контактів між частинками (компонентами). Цю мету переслідує процес подрібнення і процес змішування. Проте неможливо забезпечити достатнє число контактів суміші, якщо цю суміш тільки подрібнити або, навпаки, тільки змішати. Отже, одночасне подрібнення і змішування повинні характеризуватися єдиним узагальненим критерієм обробки. Таким критерієм, наприклад, може служити число контактів між компонентами суміші, вимірюване непрямим способом на основі моделювання [46, 54].

Моделювання процесу на ЕОМ дозволяє одночасно для кожного стану умовного об'єму елементів визначити число контактів елементів різних видів і дисперсію змісту елементів одного вигляду. Блок-схема програми моделювання приведена на мал.5.6 [46, 54].

При виконанні машинного експерименту задавалися наступними значеннями концентрації одного з компонентів: 0,033; 0,10; 0,17; 0,234; 0,333; 0,50. Для знаходження рівняння регресії використовували метод якнайменших квадратів. На рис 5.7 і 5.8 приведена графічна залежність числа контактів N елементів різних видів і коефіцієнтів лінійної регресії β₁ і β₂ від дисперсії ключового компоненту D при різних значеннях концентрації α. Аналітична залежність для β₁ β₂ і N мають вигляд

 (5.9)

 (5.10)

Мал.5.7. Залежність числа контактів N від дисперсії D і концентрації елементів а

Для практичного використовування, наприклад, стосовно обробки одиниці маси силікатної формувальної суміші, залежність (5.10) приводиться до вигляду

 (5.11)

де а - математичне очікування змісту ключового компоненту в суміші; d - середній діаметр частинки суміші.

Мал.5.8. Залежність коефіцієнтів β₁ і β₂, від концентрації елемента а

Інтенсивність обробки силікатної суміші в барабанному стрижньовому розтирачі-змішувачі рекомендується визначати по формулі [46, 54, 79, 103]

 (5.12)

де Q - продуктивність подрібнення-змішувача, кг/год; с - коефіцієнт проковзування стрижнів; φ - коефіцієнт заповнення барабана стрижньовим завантаженням; N₁ і N₂ - відповідно потужність, затрачувана на підйом і утримання стрижньового завантаження і на повідомлення енергії стрижням, кВт; k - відносний коефіцієнт скачування і підйому стрижнів; ψ - коефіцієнт відносної частоти обертання барабана. Рівняння кінетики подрібнення - змішування [46, 54, 103]

 (5.13)

де п - поточне значення якості обробки суміші; п_м - максимально можлива якість обробки суміші; п₀ - якість суміші до її обробки; А - постійний коефіцієнт, що характеризує технологічну ефективність обробки; t - час обробки суміші.

Інтенсивність обробки суміші λ необхідно визначити досвідченим шляхом, для чого суміш піддається двократній обробці [46, 54, 79, 103].

Розділ 2. Формування будівельних сумішей

Формування - технологічний процес (сукупність процесів) отримання з формувальних сировинних сумішей (мас) виробів-напівфабрикатів заданої форми, розмірів, густини, міцності під дією зовнішніх силових дій.

Розрізняють наступні способи формування: пресування, литво, прокат, брикетування, центрифугування, віброформування, вакуумування і ін.

Формування буває: попереднє, остаточне, дискретне (циклічне), безперервне і ін.

В промисловості збірного залізобетону найбільше розповсюдження одержало вібраційне, відцентрове, прокатне і екструзійне формування бетонних і інших формувальних сумішей.

2.1. Вібраційне формування (ущільнення) бетонних сумішей

Вібраційне формування буває: ударне, власне вібраційне, імпульсне, вібровакуумне і комбіноване.

Вібраційне формування - це формування з використанням вібраційної дії на бетонну суміш, при якій внутрішні опори в ній знижуються, настільки, що сили тяжіння частинок суміші виявляються достатніми для її ущільнення.

В процесі формування бетонної суміші відбувається більш повне укладання частинок, яке супроводжується видаленням з суміші повітря і зростанням в 1,3...1,4 рази густині суміші в порівнянні з первинною, тобто відбувається її ущільнення. Звичайно ступінь ущільнення суміші оцінюють коефіцієнтом ущільнення К_у = 1 - П, де П - погрішність суміші. Для важких бетонів з осіданням конуса більше 4 см К_у повинне бути не менше 0,98, а для жорстких і дрібнозернистих сумішей не менше 0,96.

При найпоширенішому вібраційному формуванні зв'язку між частинками свіжоукладеної бетонної суміші слабшають настільки, що пухирці повітря спливають, вгору, а частинки заповнювача бетонної суміші під дією сил тяжіння опускаються вниз, сприяючи витісненню повітря. При вібраційній дії різко падає в'язкість бетонної суміші, і вона по своїх властивостях наближається до рідин. Падіння в'язкості, тобто ослаблення зв'язків між частинками бетонної суміші, відбувається завдяки тому, що вібрація викликає відносне переміщення частинок, і ослаблення цих зв'язків відбувається тим повніше, чим вище відносні швидкості їх проковзування. Отже, щоб встановити основні закономірності вібраційного формування, необхідно з'ясувати причину виникнення відносного проковзування частинок бетонної суміші при вібраційній дії на неї і причину, що обумовлює істотне зниження зв'язків між частинками при виникненні цього проковзування.

Процес вібраційного формування бетонних сумішей дуже складний. Тому розглянемо його у вигляді, що схематизував. Дня цього представимо бетонну суміш у вигляді різних за розміром частинок крупного заповнювача, дотичних між собою і стінками судини, в якій знаходиться бетонна суміш. Простір між частинками крупного заповнювача займає цементно-піщаний розчин, що включає пухирці повітря. Отже, бетонна суміш є трифазним середовищем, що складається з твердої (частинки крупного заповнювача), рідкої (цементно-піщаний розчин) і газоподібної (пухирці повітря) фаз.

Приведемо місткість, в якій знаходиться бетонна суміш, в гармонійний коливальний рух з частотою ω, якщо в цю місткість зануримо яке-небудь тіло, що коливається. Тоді від внутрішніх поверхонь емкості або від поверхні зануреного тіла (випромінюючих поверхонь) коливання почнуть передаватися дотичним з ними частинкам крупного заповнювача і цементно-піщаному розчину. Сили сухого тертя між дотичними частинками крупного заповнювача і в'язкий опір цементно-піщаного розчину почнуть захоплювати в коливальний рух частинки бетонної суміші, видалені від випромінюючих поверхонь. Проте частинки крупного заповнювача володіють достатньо великою масою і, отже, інерційністю і тому чинитимуть опір залученню в цей коливальний рух. При цьому частинки крупного заповнювача з більшою масою матимуть менші розмахи коливань, а частинки з меншими масами великі, оскільки останні володіють меншим відношенням маси до поверхні, від якої залежать сили в'язкого опору залучаючого їх до коливального руху. Опір, що виникає при відносному русі частинок крупного заповнювача і цементно-піщаного розчину, викличе різні по значенню фазові зсуви переміщень частинок крупного заповнювача щодо коливань випромінюючих поверхонь. Таким чином, між частинками крупного заповнювача виникнуть відносні проковзування, швидкості яких у міру видалення від випромінюючих поверхонь знижуватимуться і на деякій відстані від них впадуть до нуля.

Відстань, на яку розповсюджуються коливання в товщі бетонної суміші, залежить від напряму коливань відносно випромінюючої поверхні. Якщо коливання перпендикулярні випромінюючій поверхні, то вони передаються бетонній суміші шляхом сполучення їй імпульсів стиснення або збудженням в ній нормальних напруг, що періодично змінюються. Якщо коливання дотичні у напрямку до випромінюючої поверхні, то збудження коливань в бетонній суміші відбувається за рахунок дотичних напруг, що періодично змінюються. При збудженні коливань за рахунок нормальних напруг вони розповсюджуються в бетонній суміші на більшу глибину, ніж у разі збудження коливань дотичними напругами.

В першому наближенні можна вважати, що при постійній амплітуді переміщення випромінюючої поверхні сили в'язкого опору цементно-піщаного розчину ростуть пропорційно швидкості і, отже, з підвищенням частоти гармонійних коливань вони ростуть пропорційно ω. Інерційні ж сили збільшуються пропорційно ω². Отже, при зростанні частоти коливань абсолютні значення переміщень більш дрібних частинок крупного заповнювача знизяться, а це в сукупності із згаданими фазовими зсувами приведе до зростання швидкостей їх проковзування відносно навколишнього середовища. Цим пояснюється доцільність підвищення частоти коливань при формуванні бетонних сумішей з дрібним заповнювачем. Таким чином, в спрощеному вигляді пояснюються причини виникнення відносного проковзування частинок бетонної суміші при вібраційній дії на неї.

Мал.6.1. Паралелограм векторів сил і швидкостей

Тепер з'ясуємо причини, при яких різко знижуються сили зв'язків між частинками бетонної суміші в умовах їх відносного проковзування. Перш за все, з'ясуємо, чому при відносному проковзуванні частинок бетонної суміші сили їх тяжіння виявляються достатніми для подолання сил сухого тертя, обумовлених взаємним затисканням частинок крупного заповнювача. Для цього скористаємося результатами досліджень вібраційного зниження тертя, виконаних Г.Ю. Джанелідзе, И.И. Блехманом і І.І. Биховськім, і розглянемо поведінку тіла М, яке ковзає по поверхні іншого тіла із швидкістю v (мал.6.1). Цей рух може відбуватися за інерцією або під дією деякої сили Р. В останньому випадку вектор швидкості v співпадає по напряму з вектором сили Р. Тепер в позитивному напрямі осі х прикладемо до тіла М миттєвий імпульс сили, що викликає рух тіла з швидкістю і, вектор якої з первинним вектором швидкості v складає кут φ, і одночасно прикладемо до тіла М силу Q, що забезпечує постійність швидкості і. Для цього необхідно, щоб Q = F_u, тобто модулю видимої сили тертя, яку повинна долати сила Q. Вектор результуючої швидкості ω тіла визначиться як

.

Дійсна сила тертя F, прикладена до тіла М, діє уздовж вектора швидкості ω в напрямі, протилежному йому. Силу F можна розкласти на дві складові F_u і F_v які направлені відповідно в сторони, протилежні векторам швидкостей u і v.

З подібності трикутників виходить, що F_u = uF/ω. Підставивши в цей вираз значення ω, одержимо

 (6.1)

Але сили тертя пропорційні коефіцієнтам тертя

 (6.2)

де N - сила нормального тиску; f - дійсний коефіцієнт тертя ковзання; f_u - видимий (уявний) коефіцієнт тертя ковзання. З врахуванням (6.2) рівність (6.1) приймає вигляд

 (6.3)

В окремих випадках при

 .

Останні вирази показують, що при будь-яких значеннях кута φ, якщо . З цього виходить, що видимий коефіцієнт тертя, а, значить, і видима сила тертя сталі пропорційними швидкості u, тобто опір став як би лінійно-в'язким. Таке явище часто називають лінеаризацією тертя.

Одержаний результат говорить про те, що якщо тіло М рухалося рівномірно під дією сили Р з деякою швидкістю v (згідно закону Кулона, Р≥Nf), змінити модуль або напрям вектора швидкості тіла М, що рухається, може практично будь-хто скільки завгодно мала сила Q. Проте це лише уявне зниження тертя, оскільки в напрямі, протилежному від результуючого вектора швидкості ω (мал.6.1), діє повна сила тертя F=Nf. Отже, коли при вібраційній дії на бетонну суміш починаються відносні проковзування частинок бетонної суміші, то сила їх тяжіння, подібно малій по значенню силі Q, здатна примусити ці частинки рухатися вниз.

Окрім крупного заповнювача бетонна суміш складається з цементно-піщаного розчину з включеннями бульбашок повітря. Цей розчин може розглядатися як деяке дисперсне середовище, яке під дією вібрації піддається деформаціям зсуву. Доведено, що текучість цементно-піщаного розчину підвищується із зростанням швидкості деформацій зсуву. Значить, під дією вібрації падає диссипативний опір деформаціям бетонної суміші.

Одним з домінуючих чинників, що впливають на процес вібраційного ущільнення бетонної суміші, є інерційні сили, діючі на її частинки. Ці сили є причиною виникнення відносних прослизань частинок бетонної суміші і в сукупності з силою тяжіння, діючої на частинки, забезпечують її ущільнення. Значить, чим вище прискорення коливань випромінюючих поверхонь, тим більше інерційні сили, діючі на частинки, і тим повніше протікає процес ущільнення бетонної суміші. Проте встановлено, що коли вектори прискорень нормальні до випромінюючої поверхні, і їх максимальні значення перевершують 6...7 g, інерційні сили, діючі на частинки, робляться такими великими, що долають сили адгезіонного зчеплення між бетонною сумішшю і випромінюючою поверхнею в ті інтервали часу, коли вони направлені від неї. При цьому виникає розрив між бетонною сумішшю і випромінюючою поверхнею, який приводить до підсосу повітря, тобто до ущільнення бетонної суміші.

П.И. Новосельский і В.В. Шестоперов експериментально довели, що адгезіонні сили мало залежать від складу сумішей і матеріалу випромінюючих поверхонь, тому можна вважати, що при прискореннях 6g відриву суміші ще не відбувається.

При дотичних коливаннях випромінюючої поверхні по відношенню до бетонної суміші можливість таких розривів виключається, що дає можливість дещо інтенсифікувати процес ущільнення шляхом підвищення розмахів прискорення випромінюючої поверхні.

Ефективність ущільнення бетонної суміші великою мірою залежить від того, що розташовує по відношенню до неї випромінюючій поверхні. Якщо випромінююча поверхня є площиною і розташовується зверху на бетонній суміші, таке ущільнення називають поверхневим. Якщо випромінююча поверхня (звичайно циліндрова) розташовується усередині масиву бетонної суміші, ущільнення називають глибинним. Якщо конфігурація випромінюючих поверхонь повторює конфігурацію виробу, тобто є формою, і бетонна суміш розташовується над нижньою випромінюючою поверхнею (звичайно площиною, звану піддоном), а вся форма в цілому скоює який-небудь коливальний рух, який розповсюджується у всьому об'ємі бетонної суміші, що знаходиться в ній, ущільнення називають об'ємним. Воно забезпечує високий ступінь ущільнення бетонної суміші і набуло найбільше поширення у виробництві збірного залізобетону. З цієї причини розглянемо деякі специфічні особливості об'ємного ущільнення.

При коливаннях форми відрив суміші від її випромінюючих поверхонь, перпендикулярних напряму коливань, і пов'язані з цим підсос повітря і ущільнення суміші почнуться при вказаних вище значеннях прискорень (6...7g). Якщо форма скоює гармонійні коливання із заданою частотою?, те максимально допустиме значення її амплітуди коливань х_аmax = 6g/ω.

При об'ємному ущільненні застосовують горизонтально і вертикально направлені коливання форми. При горизонтально направлених коливаннях форми ущільнення бетонної суміші здійснюється в основному за рахунок дотичних коливань піддону. Нормальна дія на бетонну суміш в цьому випадку походить лише від бортів торців форми, площа яких мала. Тому, як вже наголошувалося, при горизонтально направлених коливаннях може бути досягнута деяка інтенсифікація ущільнення бетонної суміші у разі формування тонкостінних виробів за рахунок підвищення прискорень форми. Ефективними шляхами підвищення прискорень є вживання бігармонічних і ударно-вібраційних коливань форми з бетонною сумішшю. Проте при будь-якій формі горизонтально направлених коливань вони повинні бути обов'язково симетричними, тобто прискорення при русі форми і в одну, і в іншу сторони повинні бути однаковими. Якщо симетрія коливань буде порушена, то виявиться транспортний ефект, і бетонна суміш почне переміщатися у бік менших прискорень, що неприпустимо, оскільки приведе до розшарування бетонної суміші і різностінності виробів.

При вертикально направлених коливаннях форми відрив суміші від піддону можливий лише в тій частині періоду її руху, коли інерційні сили, прикладені до частинок бетонної суміші, діють вгору. При дії ж інерційних сил на частинки вниз суміш притискається до піддону форми. Ця обставина відкриває перспективи інтенсифікації процесу ущільнення бетонної суміші за рахунок використовування асиметричних вертикально направлених коливань форми.

Для пояснення цього явища розглянемо сили, діючі на деякий об'єм бетонної суміші масою т_б, що знаходиться на горизонтальній поверхні-піддоні, який скоює вертикально направлені коливання за законом x₀ (t) (мал.6.2)

Мал.6.2. Схема сил, діючих на бетонну суміш, що знаходиться на площині, що скоює вертикально направлені гармонійні коливання

Рівняння руху цього об'єму можна записати у вигляді

 (6.4)

Тут х - переміщення об'єму щодо піддону; перший член справа - інерційна сила, обумовлена коливаннями піддону; другий - вага частинки суміші; При русі частинок разом з піддоном х = 0, звідки нормальна реакція

 (6.5)

Відрив частинки від піддону відбувається при N= 0, тобто при

 (6.6)

Звідси видно, що відрив можливий лише при негативних прискореннях піддону. Експериментально встановлено, що відрив може відбутися в тому випадку, якщо

 (6.7)

При відриві бетонної суміші від піддону в простір, що утворився, спрямовується повітря, яке потім перетворюється на бетонну суміш, що приводить до її ущільнення. Таким чином, для того, щоб не відбувалося ущільнення, негативні прискорення піддону не повинні перевершувати по модулю 7g.

Мал.6.3. Зразкові осцилограми прискорень при гармонійних і асиметричних коливаннях

При гармонійних коливаннях графік прискорення піддону симетричний (мал.6.3, крива 1), і максимальні значення позитивних і негативних прискорень рівні між собою. При асиметричних коливаннях (мал.6.3, крива 2) можна сформувати такі закони руху піддону, при яких максимум модуля негативного прискорення  менше 7g, а максимум позитивних прискорень  досягає 15-20 g.

Таким чином, при гармонійних коливаннях піддону для виключення відриву бетонної суміші необхідно обмежувати амплітуду прискорення, тоді як при асиметричних коливаннях достатньо обмежити по модулю лише негативні прискорення піддону. Позитивні ж прискорення можуть бути доведені до 20 g. В результаті виключається можливість відриву бетонної суміші від піддону, а великі інерційні сили, що притискують суміш до піддону, з одного боку, сприяють поліпшенню процесу ущільнення за рахунок виникаючого при цьому трамбуючого ефекту, і з другого боку, підвищують швидкості відносного проковзування частинок бетонної суміші, від яких, як відомо, залежить ступінь зниження її внутрішніх опорів, і, відповідно, якість ущільнення. Цим і пояснюється підвищена ущільнююча здатність машин з асиметричними коливаннями.

Асиметричні коливання робочих органів з необхідними співвідношеннями максимумів модуля позитивних і негативних прискорень найбільш просто досягаються в ударно-вібраційних ущільнюючих машинах шляхом відповідного підбору їх основних параметрів.

Випромінюючі поверхні робочих органів ударно-вібраційних машин здійснюють складні за формою коливання, які можуть бути представлені у вигляді суми гармонік, перша з яких ω₁ (частота основного тону) рівна частоті ударів, друга ω₂ = 2ω₁, третя ω₃ = 3ω₁ і т.д., тобто в таких випадках говорять, що спектральний склад коливань збагатив вищими гармоніками, з яких перші 4...5 звичайно достатньо значущі. Ця обставина, з викладених вище причин, покращує ущільнення дрібнозернистих сумішей. Останніми роками завдяки своїй конструктивній простоті і високій ущільнюючій здатності все більше поширення набувають ударно-вібраційні ущільнюючі машини.

При розрахунках вібраційних ущільнюючих машин обов'язково виникає необхідність обліку впливу бетонної суміші на динаміку машини. Приведений вище опис закономірностей вібраційного ущільнення бетонної суміші говорить про те, що для вирішення цієї задачі необхідно розглядати ущільнюючу машину і бетонну суміш як єдину динамічну систему. Але бетонна суміш є складним в’язкопластичним середовищем, яке за наявності повітря (особливо в початковий період ущільнення) володіє і деякими пружними властивостями. Все це украй утрудняє рішення єдиної динамічної системи "ущільнююча машина - бетонна суміш". Тому при практичних розрахунках ущільнюючих машин прийнято враховувати вплив бетонної суміші на їх динаміку введенням коефіцієнта приєднання бетонної суміші.

При завантаженні форми бетонною сумішшю, що знаходиться на працюючій формуючій машині із зарезонансною настройкою, відбувається зниження амплітуд віброзміщень через збільшення маси, що коливається. Таке ж по величині зниження амплітуд віброзміщень може бути досягнуте шляхом жорсткого приєднання до порожньої форми зосереджених вантажів. Відношення маси цих вантажів до всієї маси бетонної суміші, завантажуваної у форму, називають коефіцієнтом приєднання бетонної суміші k_1. Експериментально встановлено, що залежно від густини армування і складу бетонної суміші k₁ = 0,15...0,4. Склад суміші робить значно менший вплив на k_1, ніж густина армування. Тому звичайно для малоармованих виробів приймають k₁ = 0,2...0,25, для середньоармованих k₁ = 0,25...0,3 і для густоармованих k₁ = 0,3...0,4. При розрахунку з гармонійними вертикально направленими коливаннями, що працюють в зарезонансному режимі, їх розглядають в спрощеному вигляді як диссипативну систему (тобто з розсіюванням енергії) з одним ступенем свободи. При цьому вібруюча маса буде рівна

т_в = т_k + т_ф + k₁т_бс (6.8)

де т_k - маса частин вібромайданчика, що коливаються; т_ф - маса форми; k₁т_бс - приєднана маса бетонної суміші.

Останній доданок моделює приведену масу пружно-в'язко-пластичного середовища, яким є бетонна суміш.

Дисипація енергії, пов'язана з ущільненням бетонної суміші в цьому випадку моделюється опором, від якого залежить кут φ зсуву фаз між силою і переміщенням, що є вимушеним. При розрахунку вібромайданчиків амплітуду їх коливань Х_а і потужність, необхідну для підтримки коливань, N_ср знаходять як

 (6.9)  (6.10)

де т₀ - маса дебалансів; r - ексцентриситет дебалансів; ω - кутова частота коливань вібромайданчика.

2.2. Відцентрове формування

При центрифугуванні дія на тіло або оброблюване середовище здійснюється відцентровими силами. Машини, в яких здійснюється така дія, називаються центрифугами. Центрифуги призначаються для розділення сумішей на складові частини, осадження частинок, зважених в рідині, ущільнення різних середовищ і інших цілей. Робочий орган центрифуг може обертатися щодо вертикальної або горизонтальної осі.

При обертанні щодо вертикальної осі на оброблюване тіло або середовище діє відцентрова сила, вектор якої обертається в горизонтальній площині, а вектор сили тяжіння перпендикулярний їй.

При цьому результуюча сила, діюча на оброблюване тіло або частинки матеріалу

 (6.11)

де т - маса тіла або частинки матеріалу; R - радіус, на якому знаходиться центр тяжіння тіла або частинки від осі обертання. При обертанні робочого органу щодо горизонтальної осі результуюча сила, діюча на оброблюване тіло або частинку матеріалу (мал.6.4)

Мал.6.4. Схема діючих сил при відцентровому формуванні

 (6.12)

При ωt = 0, коли частинка або тіло знаходяться в точці А, cosωt = - 1.

Тоді

 (6.13)

при ωt = 180°, коли частинка знаходиться в точці В, cosωt = - 1.

 (6.14)

Отже, при горизонтальному тому, що розташовує осі обертання робочого органу в точці А (мал.6.4) тиск нижче, ніж в точці В. При циліндровому робочому органі і обробці плинних середовищ це примушує їх при роботі центрифуги рівномірно розподілятися по внутрішній поверхні робочого органу.

У виробництві збірного залізобетону застосовують центрифуги з горизонтальною віссю обертання і циліндровим робочим органом для формування трубчастих виробів. В цьому випадку (мал.6.4) результуюча відцентрова сила, діюча на елементарне кільце бетонної суміші радіусом r₁ завтовшки стінки dr₁ і завдовжки l, буде

 (6.15)

де ρ - густина бетонної суміші (ρ = 600...2400 кг/м³). Інтегруючи останній вираз R₁ до R, одержимо

 (6.16)     

де R - зовнішній радіус труби; R₁ - внутрішній радіус труби.

Щоб визначити тиск на зовнішній поверхні труби, ліву і праву частині виразу ділять на зовнішню площу труби

 (6.17)

Як видно, останній вираз дає зв'язок між тиском на поверхні труби з її параметрами і швидкістю обертання центрифуги. Таким чином, можна вибрати основні параметри центрифуг для формування трубчастих залізобетонних виробів. Крім того, з останнього виразу видно, що відцентрове формування за своєю суттю є одним з різновидів формування пресуванням, в якому пресуючим зусиллям є відцентрова сила.

2.3. Роликове формування

Процес роликового формування полягає в укочуванні рихлої бетонної суміші роликами. У такий спосіб формують плоскі і трубчасті бетонні і залізобетонні вироби. Він істотно відрізняється від вібраційного способу і відноситься до одного з різновидів формування шляхом пресування. При такому формуванні ущільнення бетонної суміші відбувається під дією нормального контактного тиску ролика на суміш, який прийнято називати пресуючим тиском. Пресуючий тиск прикладається до бетонної суміші з певною швидкістю і зростає від нуля до максимуму, а потім знижується. При цьому відбувається порушення порівняно слабких зв'язків між частинками бетонної суміші, які під дією пресуючого тиску долають опір зсуву і переміщаються в більш стійкі положення, витісняючи при цьому пухирці повітря. Після зняття пресуючого тиску (після проходу ролика) відбувається розвантаження бетонної суміші, і частина її первинної деформації пружно відновлюється (мал.6.5).

Подальші дії пресуючих роликів в умовах безперервного надходження під них бетонної суміші приводять до нових переміщень її частинок і подальшого витіснення повітря. У міру збільшення числа дій роликів ущільнення суміші відбувається не тільки унаслідок повторення навантаження, але і унаслідок збільшення пресуючого тиску роликів на суміш. Поступово суміш ущільнюється, що виражається в накопиченні необоротних деформацій бетонної суміші, величина яких за кожну нову дію поступово зменшується і після 40...80 проходів ролика стає неістотною. Це свідчить про те, що бетонна суміш ущільнена.

Мал.6.5. Схема роликового формування: 1 - форма; 2 - бетонна суміш, 3 - ролик.

Мал.6.6. Схема ущільнення суміші при роликовому формуванні

При формуванні плоских виробів вісь пресуючого ролика (одного або декількох) скоює поворотно-поступальний рух. На схемі (мал.6.5) показаний момент, коли ролик і форма рухаються щодо один одного зліва направо. При формуванні порожнистих циліндрових виробів пресуючі ролики встановлюють на спеціальній головці, яку називають пресуючою. На ній встановлюють три або більше число роликів так, що їх зовнішні твірні співпадають з внутрішньої циліндрової поверхні твірної трубчастого виробу. Пресуюча головка з роликами обертається в одному напрямі.

Головним чинником, що визначає ступінь ущільнення бетонної суміші при роликовому формуванні, є пресуюче тиск ролика на суміш.

Спрощена схема сил, діючих на ролик в процесі формування, приведена на (мал.6.6). Пресуючий тиск

 (6.18)

де Е - модуль першого роду бетонної суміші; а - кут захоплення бетонної суміші роликом.

Для особливо жорстких бетонних сумішей при α = 30° пресуюче зусилля рівно

 (6.19)

де l_{p -} довжина пресуючого ролика; r - радіус ролика.

Процес роликового формування достатньо складний. Вираз для р дає значення тиску безпосередньо під роликом. У міру видалення від поверхні ролика тиск в бетонній суміші падає і на деякій глибині h₀ досягає свого початкового значення р₀, тобто тиску, який був в бетонній суміші до дії на нього роликом. Оскільки густина бетонної суміші є функція р на глибині h_0, ущільнення не відбувається. Значення р і h₀ ростуть із збільшенням радіусу ролика r. Залежність пресуючого тиску і, отже, густини суміші при роликовому формуванні від властивостей суміші, геометрії виробу і параметрів формуючої установки дуже складна. Тому при практичних розрахунках установок частіше всього використовує емпірична залежність.

2.4. Пресування порошкоподібних будівельних матеріалів

2.4.1 Визначення. Класифікація

Виробництво деяких будівельних матеріалів і виробів (цеглини, каменя, плит, плиток, блоків, панелей і т.д.) організовано із застосуванням процесу пресування формувальних сумішей (мас, прес - порошків і т.п.).

Пресування - це формування виробів (напівфабрикатів) в прес - інструментах під дією тиску. Розрізняють пресування: статичне, ізостатичне, квазіізостатичне, гідростатичне, газостатичне, динамічне, гідродинамічне, електрогідродинамічне, високошвидкісне (імпульсне), екструзійне (мундштучне), вібраційне, ударне, холодне, гарячіше, циклічне, безперервне, пряме, з бічним закінченням, зворотне і ін. [96].

Ізостатичне пресування здійснюється в еластичних або пластичних оболонках тиском рідини або газу.

Квазіізостатичне пресування проводиться всестороннім тиском, передаваним за допомогою сипкого, пористого, в'язкого або пластичного робочого середовища.

Гідростатичне пресування - це ізостатичне пресування, здійснюване в гідростатах, в яких робочим середовищем є рідина.

Газостатичне пресування - це ізостатичне пресування, при якому робочим середовищем є гази.

Динамічне пресування - це високошвидкісне пресування прес - порошку за рахунок динамічної дії жорсткого прес - інструменту.

Гідродинамічне пресування - це пресування порошкових матеріалів (особливо важко пресованих) енергією гідравлічного імпульсу, що виникає в рідині унаслідок вибуху або електричного розряду (при електродинамічному пресуванні).

Високошвидкісне пресування - це пресування, здійснюване за рахунок вибухової хвилі, електромагнітного імпульсу, механічного удару або інших подібних енергій.

Ударне пресування - це пресування за рахунок енергії удару прес-інструменту, магнітного імпульсу, хвилі рідини або газу.

Пряме пресування - це пресування, при якому переміщення пресування і інструменту відбувається в одному напрямі.

Зворотне пресування - це пресування, при якому закінчення матеріалу відбувається в напрямі, протилежному руху прес, - інструменту.

Найширше розповсюдження в промисловості будівельних матеріалів одержало статичне, екструзійне (мундштучне) і вібраційне пресування. Машини, вживані для пресування, називаються пресами або агрегатами для пресування.

Статичне пресування (одностороннє, двостороннє, пряме, холодне, циклічне, одноступінчате, багатоступінчате, з жорсткою і "плаваючою" прес-формою і т.п.) здійснюється в закритій прес-формі з переміщенням прес-пороша і пресуючого інструменту, головним чином, в одному напрямі (мал.6.7).

Мал.6.7. Схеми статичного пресування: а - одностороннє; б - двостороннє; в - одностороннє з "плаваючою" прес-формою.

При пресуванні будівельних формувальних сумішей в закритих прес-формах вони піддаються всесторонньому стисненню (об'ємної деформації). При цьому відбувається ущільнення спочатку за рахунок видалення повітря, а потім за рахунок переорієнтації і більш щільної упаковки частинок матеріалу. Необоротна зміна об'єму матеріалу, що стискається, при пресуванні можлива тільки при деформації, що перевищує пружну. Залишкова деформація виникає в матеріалі при певній величині додатку навантаження, яке прийнято називати граничною. Протягом всього циклу пресування у будь-який момент часу збільшення тиску пресування викликає приріст пластичної деформації і зміну густини матеріалу (пресування).

Пресування, що одержало задану форму і розміри, володіє певною міцністю, яку можна пояснити таким чином [53, 70, 102].

1. Дією міжмолекулярного електростатичного зчеплення, що виникає в місцях контактів частинок формувальної суміші.

2. Взаємним переплетенням частинок і упровадженням виступів одних в западини інших, створюючим механічну міцність. На думку М.Ю. Балишина, міцність пресування, одержаного з сухих металокерамічних порошків, є переважно механічною. Електростатична міцність тут невелика. Обидва міцності пропорційні контактній поверхні частинок і, у свою чергу, тиску пресування.

3. Склеюючою дією тонких плівок води, здатною утворювати міцну структуру під впливом власних силових полів, тобто за рахунок зчеплення частинок суміші.

4. Натягненням мікро- і макрокапілярів, не повністю заповнених водою, що приводить до зближення твердих частинок між собою. За даними Д. Терцаги, капілярні сили можуть створювати вельми великий питомий тиск, наприклад, в глинах ці сили додають зв'язність грунтам [92].

Таким чином, в ущільнюваній формувальній суміші є умови для одночасної дії різних сил, що додають міцність пресуванню. Вплив кожної з приведених сил може мінятися в досить широких межах і залежить від великої кількості чинників.

Вивчення процесу стиснення матеріалу при пресуванні дає можливість пов'язати фізико-механічні і технологічні властивості порошкоподібних будівельних матеріалів з циклом пресування, конструкцією, кінематикою і режимом роботи пресів. При вивченні об'ємної деформації порошкоподібних матеріалів розглядаються наступні питання: розподіл тиску в об'ємі пресування; спресованість матеріалу; залежність густини від тиску пресування; вплив фізико-механічних і технологічних властивостей формувальної суміші і її компонентів на тиск пресування і міцність пресування, вплив тривалості пресування, вплив формувальної вогкості суміші і т.д.

2.4.2 Закономірності пресування

Кінетика процесу ущільнення матеріалу при пресуванні визначається умовами пластичної деформації пористого тіла, що стискається, механічні властивості якого залежать від фізико-механічних властивостей формувальної суміші.

Криві статичного пресування (стиснення) відображають сучасне представлення теорії пресування дисперсних (сипких, порошкоподібних і ін) матеріалів і дозволяють виявити фізичну сторону процесу (мал.6.8).

Як показник ефективності пресування приймається зміна міцності, густини, пружності і інших властивостей матеріалу (пресування) залежно від тиску пресування (мал.6.8), або зміна зусилля пресування (навантаження) від деформації матеріалу (зміни об'єму, товщина пресування, ходу прес-інструменту і т.п.) (мал.6.8, 6.9).

Рис.6.8. Залежність міцності (а) і густини (б) пресування від тиску пресування і вогкості суміші

По кривих пресування видно, що до утворення суцільної однорідної структури пресування з максимальним ущільненням маси (суміші) спочатку відбувається різке підвищення густини залежно від тиску, а потім незначне підвищення густини при різкому збільшенні тиску пресування.

Характер кривих пресування (мал.6.9) може бути різним і залежить від прессованості формувальних сумішей (мас). Під прессованістю (ущільнюваністю) розуміється здібність сипкого матеріалу до формування і ущільнення. На практиці залежно від прессованості сипкі формувальні матеріали умовно розділяються на важко-, середньо- і легкоущільнюючі матеріали.

Мал.6.9. Криві (діаграми) пресування: а - важкоущільнюючих матеріалів; б - середньоущільнюючих матеріалів; в - легкоущільнюючих матеріалів.

До важкоущільнюючих матеріалів відносяться такі, які після тривалого попереднього ущільнення (без великої витрати енергії) перед максимальним ущільненням випробовують різке зростання навантаження (зусилля пресування). Спостерігається незначне підвищення густини при різкому збільшенні тиску пресування. Діаграма пресування легкоущільнюючих матеріалів має малу зону попереднього ущільнення. Навантаження поволі зростає протягом всього часу пресування. Більшість матеріалів (середньоущільнюючих) володіє великою пружною післядією.

В зоні А (мал.6.9, б), відповідної початку пресування, відбувається більш швидка зміна об'єму матеріалу за рахунок вільного переміщення і зсуву його частинок. При цьому з матеріалу віддаляється велика частина повітря і на ущільнення затрачується небагато енергії. Енергія витрачається, в основному, на подолання сил внутрішнього тертя частинок і зовнішнього тертя частинок об стінки прес-форми. Ущільнення матеріалу по висоті прес-форми відбувається нерівномірно. Найбільшому ущільненню піддається шар матеріалу, прилеглий до пресованого інструменту. Протяжність зони А залежить від багатьох чинників: фізико-механічних і технологічних властивостей матеріалу, ефективності засипки прес-форми, порожнистості виробу, тривалості додатку навантаження і ін.

В зоні Б ущільнення можливе лише при деформації частинок матеріалу, що вимагає великої витрати енергії. Частина енергії витрачається на подолання сил внутрішнього і зовнішнього тертя частинок, а інша - на пружно-пластичну деформацію матеріалу. В кінці процесу пресування при найбільшому тиску відбувається перехід пружної деформації в пластичну, унаслідок чого структура пресування зміцнюється і зберігається її форма. На вживаних в промисловості будівельних матеріалів пресах важко (майже не можна) здійснити так зване квазістатичне пресування (зони А і Б), оскільки потрібен відносно повільний додаток навантаження. В більшості випадків швидкість пресуючого органу дуже велика, тому в результаті невідповідності швидкості деформації і релаксації напруг в матеріалі на діаграмі пресування спостерігається ділянка (зона В), відповідна розширенню пресування після зняття навантаження. При підвищенні часу витримки пресування під тиском пружні деформації можуть переходити в залишкові.

В теорії пресування порошкоподібних матеріалів можна відзначити два основні підходи до вивчення процесу: перший характеризується введенням ряду допущень, які дозволяють вирішувати задачі експериментальним шляхом для певного виду формувального матеріалу (прес-порошку); другий грунтується на фізичному єстві процесу пресування з його математичним описом і є складним для інженерного вирішення [6, 44, 53, 70, 102]. Перший підхід з урахуванням використовування математичних методів планування експерименту і математичної статистики одержав найбільше вживання при вивченні процесу пресування порошкоподібних будівельних формувальних сумішей (мас, прес-порошків).

Для опису процесу пресування розроблено достатньо багато рівнянь. З численних рівнянь велике розповсюдження одержало рівняння М.Ю. Бальшина [6, 53]:

 (6.20)

де т - константа, що характеризує матеріал і умови пресування, визначається досвідченим шляхом; ρ - густина матеріалу; р - тиск пресування; р_отах - тиск, відповідний максимальному ущільненню матеріалу, тобто отриманню пресування достатньої густини і міцності.

Рівняння, що зв'язує густину пресування і питомий тиск пресування, має вигляд

 (6.21)

де ρ_о - густина засипки (суміші в прес-формі); р - питомий тиск пресування; а, b - досвідчені коефіцієнти. Рівняння, що характеризує зміну тиску по висоті (товщині) пресування, запропоноване Л.П. Баландиным [102]

 (6.22)

де Р_H і Р_о - тиск власне на відстані Н і у від пресуючого інструменту (пуансона, штампу, штемпеля і т.п.); е - підстава натуральних логарифмів; до - емпіричний коефіцієнт, визначуваний досвідченим шляхом; R - гідравлічний радіус перетину пресування; Н - висота засипки (наповнення) прес-форми.

Двосторонній додаток зовнішнього навантаження (мал.6.7, б) зменшує ступінь нерівномірності пресування по висоті, оскільки величина H зменшується значно (майже удвічі).

Залежність пористості П пресування від тиску пресування описується рівнянням А.С. Бережного

 (6.23)

де П - істинна пористість; р - питомий тиск пресування; а і b - досвідчені коефіцієнти.

Коефіцієнт ущільнення, що характеризує зміну об'єму матеріалу при пресуванні [44, 70, 75, 102]

 (6.24)

де V_c, V_пр - відповідно об'єми формувальної суміші і пресування;

Н, h - відповідно висота засипки прес-форм і пресування;

ρ_пр і ρ_з - відповідно густина пресування і засипки прес-форм.

Для практики пресування будівельних формувальних сумішей можна рекомендувати наступні значення коефіцієнта К_упл: 1,4-2,0 (для силікатної суміші); 1,30-1,70 (для керамічної суміші).

Коефіцієнт пружного розширення, що характеризує зміну об'єму пресування після зняття тиску, тобто випресовування з прес-форми

 (6.25)

де V'_np, V_np - відповідно, об'єми пресування після і до випресовування; h', h - відповідно, висота (товщина) пресування після і до випресовування; ρ'_пр ρ_пр - густина пресування, відповідно, в ущільненому стані (в прес-формі) і після випресовування з прес-форми. По значеннях К_упл і К_упр судять про прессованості порошкоподібних формувальних мас (сумішей). Зусилля пресування

 (6.26)

де р - питомий тиск пресування; S - загальна площа пресування; S_П - площа перетину прес-форми; Z - кількість прес-форм на позиції пресування; К₃ - коефіцієнт запасу, К₃ = 1, 20-1,25. Робота пресування

 (6.27)

Важливим параметром, що характеризує процес пресування в умовах усестороннього стиснення, є коефіцієнт бічного тиску, рівний відношенню бічного тиску до тиску пресування

 (6.28)

Величина ξ для різних формувальних матеріалів коливається в межах від 0 до 1. Для ньютонівських рідин він рівний одиниці, а для абсолютно твердого тіла - нулю. Для порошкоподібних формувальних будівельних сумішей коефіцієнт бічного тиску змінюється від 0,03 до 0,25 від тиску пресування.

Іноді при вивченні процесу пресування для обліку фізико-механічних властивостей формованих мас (сумішей) використовують уявний об'ємний модуль E_v [53]

 (6.29)

Де p - тиск пресування; ΔV - приріст об'єму; V_c - об’ем формувальної суміші (початковий об'єм).

По E_v можна знайти коефіцієнт стисливості, який рівний його зворотній величині.

В теорії і практиці пресування різних формувальних сумішей крім одноступінчатого пресування має місце і багатоступінчате пресування. Передбачається, що на першому ступені пресування висота засипки H зменшується значно при порівняно невеликому питомому тиску пресування. Вторинний додаток зовнішнього навантаження з паузою на пружну післядію після першого ступеня змінює висоту засипки значно менше при невеликому збільшенні питомого тиску і т.д. Отже, багатоступінчате пресування дає можливість одержати рівне осідання маси або густину пресування при дещо меншому питомому тиску за рахунок більш повного видалення повітря при пресуванні. Проте конструкція пресового устаткування при багатоступінчатому пресуванні стає складніше. Тому воно не знайшло широкого вживання в промисловості.

Приведені закономірності процесу пресування можуть бути використані на практиці при визначенні зміни об'єму формованих сировинних будівельних мас залежно від пресованого тиску, розрахунках і конструюванні пресового устаткування.

2.4.3 Параметри пресування

Вивченню залежності густини (міцності) пресування від тиску пресування присвячено багато робіт [6, 17, 44.55, 70, 75, 102].

При дослідженні зусиль пресування силікатної суміші (маси) В.И. Мидовским (ВНІїСтроммаш) використана залежність

 або

де р - тиск пресування; а, b - досвідчені коефіцієнти, що характеризують властивості силікатної суміші; h - осідання суміші при пресуванні; е = 2,71.

Мал.6.10. Залежність тиску пресування р від осідання суміші h при різних значеннях коефіцієнта а

На мал.6.10 в напівлогарифмічній системі координат представлена залежність тиску пресування р від осідання h силікатної суміші [5, 6].

Проведені дослідження показали, що коефіцієнт а (кг/см²) для різних мас має певне значення, яке залежить від фізичних властивостей пресованої суміші (маси) і характеризує той тиск пресування, яке необхідне прикласти до пресованої маси для отримання її заданого осідання.

Коефіцієнт b (1/см) встановлює зв'язок між осіданням h і фізико-механічними і технологічними властивостями пресованої маси. Для силікатних мас значення коефіцієнта а коливається від 0,5 до 3,5 кг/см². Всі прямі на мал.6.10 мають однаковий кут нахилу θ, рівний 54°30'. Тому значення коефіцієнта b для силікатних мас може бути прийнято постійним і рівним 1,4 1/см. Подальша задача зводиться до визначення оптимальних значень коефіцієнта а для відповідної пресованої маси і параметрів пресуючого механізму (преса).

При формуванні, наприклад, силікатної суміші середня густина пресування (цеглини-сирцю) є непрямим показником ущільнення (мал.6.11).

Мал.6.11. Залежність коефіцієнта ущільнення К_упл від крупної і вогкості силікатної суміші (W_см).

Дослідження, проведені у ВНІIСтроймат [102], показали, що міцність сирцю при стисненні підвищується значно повільніше, ніж тиск пресування (мал.6.12). При p₂/p₁ = 2,25-5,0 відношення міцності сирцю R₂/R₁ = 1,50-2,0.

В табл.6.1 приведені параметри пресування силікатних формувальних сумішей при виробництві силікатної цеглини і каменя.

З табл.6.1 видно, що при майже однаковому питомому тиску пресування значні відмінності є в тривалості і характері додатку навантаження.

Мал.6.12. Залежність міцності цеглини - сирцю від питомого тиску пресування, вогкості суміші і часу пресування:

Таблиця 6.1.

Основні параметри пресування силікатних формувальних сумішей

Дослідження, проведені у ВНІїстромі, показали, що тривалість пресування силікатної формувальної суміші не перевищує 6 с (мал.6.13).

Мал.6.13. Залежність тривалості пресування від питомого тиску

На мал.6.14 приведені діаграми (циклограми) пресування силікатних формувальних сумішей на вітчизняних і зарубіжних пресах.

Мал.6.14. Діаграма (циклограма) пресування силікатних формувальних сумішей: а - на револьверних пресах; б - на пресах з рухомим і нерухомим столом; 1,2 - СМС-152; 3 - "Ротомат"; 4 - "Дорстенер"; 5 - "Атлас"; 6 - СМ-1085; 7 - S-S500; 8 - "Крупп-Інтертехник".

З мал.6.14 видно, що в сучасних пресах передбачається витримка при пресуванні під найбільшим тиском від 0,5 с до декількох секунд. Час власне стиснення суміші коливається від 0,8 до 6 с. Це дозволяє, як зазначено вище, пресувати більш сухі суміші (вогкістю 4-5%), сприяє ефективному ущільненню, релаксації напруг, залученню меншої кількості повітря і забезпечує високу якість виробів.

Зв'язок основних параметрів пресування формувальної суміші з конструктивними параметрами пресового устаткування можна виразити у вигляді залежності [55, 56]

 (6.32)

де N - потужність електродвигуна преса; п - частота обертання електродвигуна; i - загальне передавальне відношення; η - КПД приводу; i_Р, r - розміри ланок пресуючого механізму преса; φ, β - кути ланок механізму преса.

Мал.6.15. Блок-схема контролю зусилля пресування: 1 - прес; 2 - електродвигун механізму пресування; 3 - трансформатор струму; 4 - перетворювач потужності; 5 - підсилювач сигналів; 6-осцилограф; 7 - пульт управління; 8 - тарировочний блок.

В даний час для контролю і управління зусиллям пресування розроблено декілька схем, заснованих на вимірюванні значень зусиль і миттєвої споживаної потужності. Наприклад, для механічних пресів з поворотним стовпом при пресуванні силікатних формувальних сумішей розроблена блок-схема, приведена на мал.6.15.

Сигнал, пропорційний потужності, поступає на вхід підсилювача 5 і осцилограф 6, шкала якого проградуйована в одиницях вимірювання зусилля (тиск) пресування. При перевищенні допустимого значення зусилля пресування, відзначеного на шкалі осцилографа, подається сигнал на зменшення висоти (глибини) засипки прес-форм і навпаки.

2.5. Випресовування

При виробництві стінних і інших матеріалів і виробів (цеглини, каменя, блоків, плит, плиток і ін) способом напівсухого пресування важливу роль в загальному циклі пресування грає процес випресовування (випресовки, виштовхування) з прес-форми напівфабрикату (виробу-сирцю). Випресовування (випресовка) - видалення пресування (напівфабрикату) з прес-форми після пресування формувальної суміші (прес-пороша) і зняття тиску. Пристрої для випресовування називаються механізмами або механізмами випресовки, що випресовують або виштовхуючими (виштовхування).

Для витягання з прес-форм спресованих напівфабрикатів (пресувань) вимагається докласти з боку механізму випресовки (виштовхування) зусилля, яке залежить від великої кількості чинників: фізико-механічних і технологічних властивостей формувальної суміші (прес-пороша); способу і величини тиску пресування; характеристики пресування; напрями і закономірності випресовки; форми, розмірів і порожнистості пресування; конструкції, жорсткості і якості прес-форм; коефіцієнта тертя між пресуванням і стінками прес-форми і ін. (мал.6.16).

Велику роль в теорії і практиці процесу випресовування (виштовхування) зіграли роботи учених: П.П. Боландіна, М.Ю. Бальшина, В.Г. Філімонова, Г.М. Ждановіча, Р.Я. Попільського.А.С. Ільіна.

Рис.6.16. Випресовування з прес-форми виробу-напівфабрикату: а - засипка прес-форми; б - пресування формувальної суміші; в - випресовування пресування

Р.Я. Попильский і Ф.В. Кондрашов рахують одну з причин розшарування пресування при випресовуванні її з прес-форми тиск запресованого в ній повітря (табл.6.2).

Після зняття зовнішнього навантаження пресування під впливом запресованого повітря прагне розширитися, чому перешкоджають стінки прес-форми. В процесі випресовування частина пресування, що вийшла з прес-форми, має нагоду розширитися, а частина, що залишилася, - ні. Тому при затримці виштовхування і великому тиску запресованого повітря виникають оперізувальні пресування горизонтальні сили, що приводять до утворення тріщин (розшарування). Таке явище спостерігається при неоптимальному зерновому складі суміші і підвищеному вмісті в ній тонкодисперсних частинок. Іншою причиною, зухвалого тріщиноутворення, є тертя пресування об стінки прес-форми і бічний тиск. Коефіцієнт зовнішнього тертя при випресовці є постійною величиною для конкретних умов пресування, а бічне зусилля змінюється по напряму пресування. Ближній до пресуючого штампу шар пресування, як самий ущільнений, якнайбільше перешкоджає випресовуванню через більше тертя об стінки прес-форми.

Таблиця 6.2.

Коефіцієнт запресовки повітря при пресуванні вогнетривких (багатошамотних) порошків

Тиск, створюваний при випресовуванні, деформує пресування. Наступає такий момент, коли сили, що згинають нижній, прилеглий до штампу шар пресування, перевищують зчеплення з наступним шаром і утворюється тріщина (розшарування).

Для ліквідації розшарування пресування при випресовуванні з прес-форми може служити швидке зняття бічного тиску (розпору). Це може досягатися розширенням прес-форми у напрямі виштовхування пресування на 0,2-0,5%. Зусилля виштовхування значно зменшується при вживанні конічних прес-форм, тобто з ухилом стінок у бік випресовування 0,5%.

Зусилля виштовхування, розраховане по запропонованих формулах, для умов пресування будівельної формувальної суміші, наприклад, силікатної маси, виявилося вельми різним і коливалося від 4-х до 25% від зусилля пресування.

Зусилля виштовхування орієнтовно можна розрахувати по формулі

 (6.33)

де К - дослідний коефіцієнт, К = 0,03 - 0,15; Р_ПР - зусилля пресування, або по формулі Н.П. Шанина і М.И. Дубинера

 (6.34)

де λ - коефіцієнт зниження бічного тиску (пружний результат), , ξ - коефіцієнт бічного тиску; Р - тиск пресування, f - коефіцієнт тертя пресування об стінки прес-форми; S - площа бічної поверхні пресування; Р_бост - залишковий бічний тиск після зняття зусилля пресування; Р_б - бічний тиск.

Коефіцієнт λ визначається при сумісному розгляді деформацій прес-форми і пресування як при додатку навантаження, так і після її зняття.

Подальший розвиток теорії і практики процесу випресовки і виштовхуючих механізмів одержав в роботах А.С. Ільіна, В.Г. Струкова і В.К. Мартинова [24, 52, 93].

Для вивчення процесу випресовування і визначення оптимальних значень параметрів механізмів виштовхування з прес-форми пресування розроблена і виготовлена лабораторна установка (Рис.6.17). В комплект установки входять переносна знімна прес-форма, виштовхуючий механізм, гідравлічний прес, привід і контрольно-вимірювальна і реєструюча апаратура. Установка дозволяє пресувати і виштовхувати з прес-форми виріб з розмірами, зменшеними в порівнянні з натурними зразками в 2,5 рази. Механізм виштовхування виконаний важелем по аналогії з механізмами пресів напівсухого пресування. Знімні прес-форми дозволяють пресувати вироби різної конфігурації за площею: прямокутні, квадратні, круглі і ін., а також повнотілі і порожнисті.

Мал.6.17. Установка для вивчення процесу випресовки (виштовхування): а - схема установки; б - кінематична схема приводу; 1 - рама; 2 - приводний вал; 3 - кулачок; 4 - ролик; 5 - виштовхуючий важіль; 6 - опора; 7 - пружина; 8 - фіксатор; 9 - поршень; 10 - циліндр; 11 - ходовий гвинт; 12 - контргайка; 13 - штамп; 14 - прес-форма; 15 - скоба; 16 - гвинт; 17 - пресування (нап

Випробування показали, що зусилля випресовування росте із збільшенням питомого тиску пресування. Залежність має лінійний характер. Кут нахилу досвідченої прямої до осі абсцис складає 35°. Відношення зусилля випресовки до зусилля пресування, навпаки, із зростанням питомого тиску пресування зменшується. Зменшення або збільшення швидкості виштовхування (випресовки) в порівнянні із значеннями, прийнятими для сучасних пресів напівсухого пресування, не приводить до зміни виштовхуючого зусилля.

Зусилля випресовки збільшується із зростанням густини засипки прес-форм формувальною сумішшю. При зміні відносної густини засипки з 0,96 до 1,05 зусилля випресовки зростає майже на 55%. Зміна порожнистості, тобто кількості пусток у виробі з 3-х до 21 майже не позначається на зміні зусилля випресовування. Встановлено, що при односторонньому пресуванні і додатку зусилля пресування від низу до верху зусилля випресовки має меншу величину, ніж при двосторонньому пресуванні. Частота обертання кулачка механізму випресовки майже не впливає на зусилля виштовхування в діапазоні прийнятих на практиці швидкостей. Перетин пресування істотно впливає на зусилля випресовування. Зміна закону переміщення виштовхуючого штампу не робить впливу на зусилля випресовки. Вогкість і модуль крупної формувальної суміші помітно впливають на зусилля випресовування. Наприклад, зміна вогкості силікатної формувальної суміші на 1% від прийнятого значення приводить до зміни зусилля випресовки в середньому на 25%.

2.6. Екструзійне формування

Екструзійне (пластичне) формування здійснюється шнековими пресами відомих конструкцій. Шнекові преси є основними машинами технологічних ліній по виробництву глиняної цеглини. Вогкість формованої маси більш 17...18%. Вітчизняна промисловість випускає шнекові преси з однією-двома частотами обертання шнекового валу.

Фактична частота обертання шнекового валу преса для конкретних глиномасс, забезпечуюча продуктивність при допустимій величині тиску в головці преса, часто значно відрізняється від встановленої заводом-виготівником. Для глиномасс з жорсткими властивостями реологій існує оптимальна частота обертання шнекового вала, в порівнянні з якою збільшення або зменшення частоти обертання шнека приводить до зменшення продуктивності. При формуванні матеріалу в шнековому пресі мають місце наступні основні потоки матеріалу.

Прямий потік, викликаний штовхаючою здатністю фронтальної поверхні лопаті шнека.

2. Зворотний потік, викликаний тиском в головці преса за випорною лопаттю шнека і рухом поверхні лопатей шнека у зворотному напрямі. Зворотного потоку у прямому розумінні слова не існує. Він виявляється в стримуючому впливі на прямий потік.

3. Потік витоку, викликаний перепадом тиску по обидві сторони від лопаті шнека в кільцевому каналі по периметру лопаті.

Прямий потік може бути визначений в загальному випадку з урахуванням того, що за один оборот шнека в головку преса поступить об'єм матеріалу, що знаходиться між випорною лопаттю і лопаттю, наступною за нею на відстані, рівному кроку t:

 (6.35)

Зворотний потік можна визначити, якщо взнати пропускну спроможність крізного каналу шнека. Якщо допустити, що в канал, що знаходиться за випорною лопаттю, з головки під дією тиску поступає глиномасса і зворотному руху глиномасси сприяє також рух стінок каналу - лопатей шнека в тому ж напрямі, що і дія тиску, то задачу визначення зворотного потоку можна звести до рішення простої задачі перебігу маси, захоплюваної паралельними стінками, що рухаються, під дією тиску на вході в канал. Рішення цієї задачі дозволяє знайти витрату матеріалу через канал по формулі:

 (6.36)

де п - частота обертання шнека; L - глибина шнека; 2h - відстань між двома лопатями шнека; ψ - індекс перебігу глиномасси; q - зворотна величина індексу течії; μ₁ - коефіцієнт, що характеризує поведінку реології глиномасси; S - довжина гвинтового каналу шнека від випорною лопаті до зони завантаження преса; k_δ - коефіцієнт бічного тиску; k_δ = 0,4...0,7; β - кут, під яким глиномасса входить в головку преса, утворений віссю каналу шнека і площиною поперечного перетину циліндра шнека; Р_пл - тиск, затрачуваний на подолання пластичного перебігу глиномасси в головці і формуючих насадках преса.

Потік витоку можна визначити, вирішивши задачу руху глиномасси в кільцевому каналі, утворюваному кромкою лопаті шнека і поверхнею циліндра:

 (6.37)

де Р_упр - тиск, затрачуваний на подолання пружних властивостей глиномасси при вході її в головку і формуючий насадок преса Р_упр= (0,5...2) Р_пл; δ - зазор між кромкою лопаті шнека і сорочкою циліндра.

Перший доданок правої частини рівняння відображає витрату глиномасси в результаті руху внутрішнього глиняного циліндра, захоплюваного шнеком у напрямку до головки преса.

Другий доданок правої частини відображає витрату матеріалу під дією тиску за випорною лопаттю шнека у зворотному напрямі.

Якщо абсолютна величина другого доданку перевищить абсолютну величину першого, то це може означати, що з'явився потік витоку - рухи матеріалу в кільцевому зазорі по напряму від головки преса до завантажувальної зони.

Таким чином, в загальному випадку продуктивність шнекового преса можна визначити по формулі:

 (6.38)

Підставивши значення параметрів  заздалегідь спроектувавши на горизонтальну вісь шнека швидкості потоків глиномасси в каналах шнека, одержимо рівняння для розрахунку продуктивності нагнітача преса - шнекового валу.

Картина руху глиномасси в головці і мундштуку достатньо складна і має свої особливості.

Випорна лопать шнека створює на вході в головку різні швидкості руху глини: максимальну - біля стінок головки і мінімальну - у її осі. У міру просування глини до мундштука картина течії міняється на зворотну. Швидкість стає максимальною на осі і мінімальної біля стінок. Профіль швидкостей частинок в поперечному перетині головки стає параболічним, а загальна картина руху глини подібна картині перебігу в'язких рідин.

Розрахунок характеристик формуючих елементів преса ведуть в такій послідовності:

формуючі елементи преса розбиваються на ділянки так, щоб одержати канали простої геометричної форми (конус, циліндр і т.п.);

задаються значення продуктивності шнекового преса;

для кожної ділянки визначаються градієнти швидкості;

для цих ділянок знаходяться значення ефективної в'язкості по кривій реології перебігу глини;

визначається падіння тиску на кожній ділянці;

підсумовується загальне падіння тиску в каналі складної конфігурації з втрат тиску на окремих ділянках;

будується графік залежності Q = f (P), визначаючий характеристику формуючого елемента преса.

2.7. Реологія будівельних матеріалів

За останні роки прикладна реологія дисперсних систем одержала значний розвиток в роботах вітчизняних і зарубіжних учених. Роботами академіка П.А. Ребиндера і його школи були закладені основи нового напряму - фізико-хімічної механіки.

Розуміння фізичного єства поведінки матеріалу при його обробці в робочих каналах механічного устаткування дає вивчення його реакції на дію різних зусиль і їх комбінацій, у тому числі об'ємного стиснення, одноосного розтягування, простого зсуву, стиснення із зсувом.

Матеріал, що переробляється, як відомо, може знаходитися в твердому, рідкому, газоподібному станах і проявляти при деформації в'язкі, пластичні, в'язко-пластичні, пружні, в'язко-пластично-пружні властивості. У кожному конкретному випадку важливо знати характер зв'язку прикладених зусиль і деформації матеріалу, що виникає в робочому каналі машини.

Більшість вологомістких дисперсних систем проявляє під навантаженням як в'язкі, так і пластичні властивості. Пластичні властивості матеріалів вивчають за допомогою моделі реології Сен-Венана. Пластичним тілом Сен-Венана називають тіло, деформація (течія) якого під дією прикладеної напруги відсутня, якщо напруга не досягає певної для даного матеріалу величини, званої межею текучості τ₀. Причому, якщо навантаження на матеріал досягне межі текучості, процес деформації проходить вже незалежно від всіх інших умов (наприклад, від швидкості деформації). Встановити співвідношення між величиною і швидкістю деформації і прикладеною напругою не вдається, можна лише констатувати умову настання стану текучості - пластичності матеріалу (мал.6.19).

При  - деформація відсутня, градієнт швидкості рівний нулю.

При  - відбувається перебіг матеріалу.

Графік "перебігу" тіла Сен-Венана представлений прямою лінією (мал.6.19), паралельної осі

Мал.6.19. Графік течії і модель реології тіла Сен-Венана

Більшість початкових мас для виробництва будівельних матеріалів - вологомісткі дисперсні системи - проявляють під навантаженням в'язко-пластичні властивості.

В 1881 р. шведів, а в 1919 р. Бінгам запропонували метод оцінки пластичних властивостей оброблюваного матеріалу, що одержав назву методу Шведова-Бінгама.

Згідно їх уявленням

 (6.39)

де τ - напруга зсуву в сталому "потоці" матеріалу в робочому каналі, Н/м²; τ₀ - "межа текучості" ("гранична напруга зсуву", яка необхідна створити, щоб почався перебіг матеріалу в робочому каналі машини), Н/м²; η - коефіцієнт в'язкості, що характеризує внутрішнє тертя матеріалу, Н-с/м;  - градієнт швидкості сталої течії в робочому каналі, с-1.

В'язко-пластичні середовища згідно концепції Шведова-Бінгама, на відміну від ньютонівських, не зазнають видимих деформацій до тих пір, поки напруга зсуву не перевищить деякого значення, званого межею текучості.

Таким чином, істинно в'язкі матеріали відрізняються від пластичних тим, що у в'язких відсутня гранична напруга зсуву τ_о і вони "течуть" навіть під впливом власної тяжіння.

Як показує практика, більшість будівельних матеріалів при їх використовуванні разом з вязкопластичними проявляє і пружні властивості.

Згідно дослідженням П.А. Ребіндера, Н.В. Міхайлова, всі системи, що піддаються механічним діям, можна розділити на рідкообразні і твердообразні. До рідкообразних відносяться ньютонівські рідини і структуровані системи, що не мають граничної напруги. Для цих систем τ₀ = 0. До твердообразних тіл - в'язко-пластичні, в'язко-пружні, в'язко-пластично-пружні системи, що володіють граничною напругою зсуву.

Експериментальні роботи, проведені з в'язко-пластичними дисперсними матеріалами зниженої вогкості показали, що у принципі вони поводяться під навантаженням аналогічно структурованим рідинам з малою концентрацією дисперсної фази.

"Кривий перебіг" реологій твердообразних систем в загальному випадку може бути представлені таким чином (мал.6.20).

Якщо здвигові зусилля не перевищують межі міцності просторової структури матеріалу, що деформується, то відбувається повільний рух середовища з постійною найбільшою в'язкістю. Дуже повільний рух матеріалу йде без руйнування структури або з частковим її руйнуванням і одночасним відновленням.

Рис.6.20. Криві реологій для твердообразных систем: а) - залежність градієнта швидкості від напруги зсуву; б) - залежність логарифма ефективної в'язкості від напруги зсуву: 0-1 - зона пружних деформацій; 1 - 2 - зона пластичного тертя з найбільшою в'язкістю:   - найбільша пластична в'язкість по Шведову; 2-3 - початок зони лавинного руйнування структури; 3-4 - зона в'язкопластичної текучості:  - якнайменша пластична в'язкість по Бінгаму; 5 - зона ньютонівської течії з постійною в'язкістю гранично зруйнованої структури.

Ця область 1-2 називається Шведовською областю пластичної течії з найбільшою в'язкістю

. (6.40)

де τ_ст - умовно-статична межа текучості, гранична напруга зсуву, відповідна первинному руйнуванню структури; γ - градієнт швидкості;

2-3 - зона лавиноподібного руйнування структури;

3-4 - зона в'язкопластичної течії з якнайменшою пластичною в'язкістю по Бінгаму

 (6.41)

4-5 - зона ньютонівської течії з постійною в'язкістю гранично зруйнованої структури.

Визначення властивостей реологій оброблюваних в'язких і в’язкопластичних матеріалів здійснюється на капілярних вискозиметрах і реометрах різних конструкцій.

Капілярний вискозиметр є циліндровим каналом (капіляр) і системою вимірювання витрати матеріалу - (q) і тиск - (р), продавлюючого через нього досліджуваний матеріал. По набутих значеннях q і p визначають головні характеристики "потоку" - напруга зсуву (τ) або в'язкість (μ) у функції градієнта швидкості (γ). Довжина капіляра повинна бути достатньою, щоб на значній його частині існував сталий профіль швидкостей.

Суть ротаційної вискозиметрії полягає у визначенні зв'язку напруги зсуву на поверхні внутрішнього циліндра з градієнтом швидкості на тій же поверхні.

Ротаційний вискозиметр придатний для вимірювання в'язкості ньютонівських рідин, пластичних дисперсних систем, розплавів полімерів.

Для числового визначення параметрів реологій високов'язких пластичних матеріалів розроблені прилади і методи. Проте через специфічні властивості в'язко-пластичних матеріалів ці прилади часто виявляються непридатними для досліджень реологій. Характеристику реології в'язко-пластичного матеріалу, як правило, одержують у вигляді графіка залежності в'язкості (або напруги зсуву) від градієнта швидкості. З точністю, достатньою для інженерних цілей, можуть бути одержані відомості про поведінку матеріалу в процесі деформації, якщо скористатися поняттям ефективної (аномальної) в'язкості.

Аномалія в'язкості була знайдена Ф.Н. Шведовым і полягала в тому, що заміряна в'язкість зменшувалася із збільшенням градієнта швидкості всупереч існуючому уявленню про постійність цього коефіцієнта у формулі Ньютона.

Поняттям ефективної в'язкості дуже зручно користуватися, оскільки це дає можливість замість 20 критеріїв, що описують поведінку в'язко-пластичних матеріалів при їх деформації, користуватися практично залежністю .

Для спрощення висновків розрахункової залежності допускають μ_эф = const, тобто що коефіцієнт μ_эф відображає деяке "середнє" значення в'язкості, визначуване деяким "середнім" значенням градієнта швидкості "потоку" середовища в робочому каналі (γ_{ср. э}), утворене впливаючими на середовище стінками елементів машин. Таке "усереднювання", безумовно, позначається на точності розрахунків. Проте, для визначення енергосилових параметрів формуючих машин вага більше вживання знаходить практика характеристики властивостей реологій оброблюваних матеріалів залежністю . Одержані у такий спосіб розрахункові результати добре співпадають з експериментальними даними, і точність одержаних розрахункових рівнянь в основному залежить від точності визначення характеристик реологій в'язко-пластичної маси, що переробляється.

Повна крива реології пластичної глини може бути побудована за допомогою лабораторних установок, які відповідають фізичним моделям реальних машин. Як такі установки були використані лабораторні вальці, прес з конусом і глинорозтирачем. Попередні теоретичні дослідження показали, що зміна величини зусиль розпорів у вальцях, тиску і витрати оброблюваного матеріалу в конусній головці стрічкового пресу, максимального тиску на стінці глинорозтирача пропорційні зміні в'язкості глиномасси і геометричним параметрам робочого каналу установки.

Розрахувавши для кожного випадку градієнт швидкості і побудувавши графік залежності "в'язкість - градієнт швидкості" для кожної машини, можна шляхом порівняння цих графіків зробити висновок про достовірність пропонованої методики. Збіг набутих значень в'язкості при відповідних значеннях градієнтів швидкості для всіх трьох установок підтвердив положення, згідно якому властивості реологій пластичних глин можуть характеризуватися кривій реології в координатах   - градієнт швидкості перебігу оброблюваного матеріалу.

На мал.6.21 представлений графік залежності ефективної в'язкості від градієнта швидкості глини, одержаний на моделях вальцов і преса. Як видно з графіка, обидві криві, одержані на моделях різних машин, достатньо близькі один до одного.

На мал.6.22 показаний графік залежності в'язкості від градієнта швидкості Кембрійської глини в інтервалі їх формувальної вогкості в діапазоні градієнтів швидкостей роботи глинооброблюючого устаткування. Графік побудований в логарифмічних координатах, в яких залежність  - є прямою лінією.

Для математичного опису цієї графічної залежності найбільш придатне статечне рівняння вигляду

 (6.42)

Параметр ψ може бути легко знайдений з графіка, оскільки тангенс кута нахилу прямої рівний (ψ - 1). З другого боку, при градієнті швидкості, рівному 1,  і коефіцієнт визначається по відрізку, що відсікається прямій на ординаті . Чим вища в'язкість матеріалу, тим вище розташована його пряма на графіку.

Мал.6.21. Крива реології глиномасси Галіцинського керамічного заводу: 1 - з урахуванням пружних і пластичних властивостей (конус); 2, 3 - з урахуванням тільки пластичних властивостей (2 - циліндр Ø0,062 м; 3 - циліндр Ø0,012 м).

Мал.6.22. Графік залежності в'язкості від градієнта швидкості Беськудниковськой глиномасси вогкістю: 1-1' - 22%; 2-2' - 24%; 3-3' - 26%; 1-1' - 22% і Кембрійською глиномасси вогкістю: 4-4' - 20%; 5-5' - 24,5%; 6-6' - 26%; I - ділянка кривих, одержуваних на щілистій насадці шнекового преса; II - крива, одержувана на глинорозтирачі для Беськудниковськой глиномасси вогкістю 24%; III - ділянка кривих, одержуваних на лабораторній валковій установці.

Таким чином, шляхом порівняння кривої досліджуваної глини реології з кривою вивченою реології, можна на підставі графіка не тільки якісно оцінити деформативні властивості матеріалу, що цікавить нас, але, враховуючи однозначну залежність зусиль, що виникають у вузлах машин, від в'язкості матеріалу і їх геометричних характеристик, графічно визначити орієнтовну величину основних параметрів цих машин, що є початковими при їх подальших розрахунках.

Розділ 3. Дозування сипких і рідких матеріалів

3.1. Дозування будівельних матеріалів і рідких продуктів

Сучасне виробництво будівельних матеріалів, виробів і конструкцій характеризується широким використовуванням багатокомпонентних будівельних сумішей. При їх приготуванні значна увага відводиться технологічному процесу дозування.

Дозуванням називається процес відмірювання певної кількості (об'єму, маси) матеріалу або рідини із заданою точністю (погрішністю).

Дозування походить від слова дозувати - відміряти дозу. Пристрої для дозування сипких матеріалів і рідких продуктів називаються дозаторами. Дозування сипких матеріалів і рідких продуктів в даний час є обов'язковим технологічним процесом при виробництві матеріалів і виробів високої якості.

Дозування можна класифікувати по наступних основних ознаках: призначенню; принципу дії (відмірюванню дози); характеру роботи; інтенсивності відмірювання (зважування); контролю точності дозування; способу управління і ін.

За призначенням дозування підрозділяється на дозування сипких кускових і порошкоподібних (дисперсних) матеріалів, рідин і рідких продуктів (шламів, суспензій і т.д.).

За принципом дії (відмірюванню дози) дозування ділиться на об'ємне і вагове (масове) і рідше на змішане (при приготуванні керамзитобетону).

По характеру роботи дозування підрозділяється на циклічне (дискретне) і безперервне. При циклічному дозуванні відмірювання дози відбувається в мірній або ваговій місткостях (бункерах). Після відмірювання дози місткості звільняються від матеріалу або рідини і процес дозування повторюється. При безперервному дозуванні сипкий матеріал або рідина подаються (транспортуються) безперервно із заданою об'ємною або масовою продуктивністю.

Технологічні схеми дискретної (циклічного) дії звичайно базуються на загальнопоширеній схемі дозування: витратний бункер - затвор (живильник) - циклічний дозатор з мірною місткістю (бункером). По цій схемі для кожного робочого циклу вимагається провести наступні робочі операції: відкрити і закрити затвор (шибер) витратного бункера; провести спочатку грубе, а потім точне дозування (зважування) дози; відкрити і закрити затвор дозатора. Кожна з перерахованих операцій вимагає установки відповідних автоматичних пристроїв.

По інтенсивності відмірювання (зважування) дозування ділиться на одностадійне і двохстадійне. Двохстадійне дозування передбачає попередній набір маси матеріалу (грубе дозування) і остаточне досипання (точне дозування) до заданої загальної дози матеріалу.

Це робиться для підвищення точності дозування за рахунок зменшення коливання вагової системи.

По контролю точності дозування (зважування) дозування підрозділяється на циклічне (дискретне) і безперервне.

За способом управління дозування може бути з місцевою установкою заданих порцій; з місцевою установкою і дистанційною передачею свідчень і з дистанційною установкою заданих порцій матеріалу і передачею свідчень.

Схема дозування дискретної (циклічного) дії (мал.9.1) включає пристрій управління (УУ), що функціонує в автоматичному режимі.

З пульта оператор вводить в систему значення заданої маси дози матеріалу РZ. Після чого УУ формує сигнал для включення електродвигуна М гвинтового живильника 3, і матеріал починає поступати з бункера 4 в бункер дозатора 2. У міру надходження матеріалу в бункер 2 дозатори вісь стрілки покажчика циферблата 6 повертається за годинниковою стрілкою за допомогою системи важеля 5.

Кут повороту стрілки за допомогою датчика Д перетвориться в сигнал, що поступає в УУ, яке відповідно до алгоритму функціонування визначає момент (час) і формує сигнали виключення гвинтового живильника 3 і відкриття розвантажувального секторного затвора 1 пневмоциліндром 7.

Мал.9.1. Схема дискретного (циклічного) дозування: 1 - секторний затвор; 2 - бункер дозатора; 3 - гвинтовий живильник; 4 - приймально-витратний бункер; 5 - система важеля дозатора; 6 - покажчик циферблата; 7 - пневмоциліндр; Д - датчик; УУ - пристрій управління; М - електродвигун гвинтового живильника; Р_Z - задане значення маси матеріалу; Р_{Д -} дійсне значення маси матеріалу.

Алгоритми управління процесом набору дози можуть бути різні. Їх ефективність істотно залежить від методу визначення моменту формування сигналу управління гвинтовим живильником [3].

В алгоритмі управління передбачається, що значення маси матеріалу в бункері дозатора Р_Д (t_і) в кожний момент часу в точності відповідає значенню сигналу на виході датчика Д. На початку процесу УУ формує сигнал включення живильника. У міру надходження матеріалу в дозатор змінюється поточне значення маси Р_Д (t) і в УУ перевіряється умова Р_Д (t_і) = P_Z до тих пір, поки ця умова не буде виконана. Коли маса матеріалу в бункері 2 дозатори, визначена по поточному значенню сигналу датчика, стане рівної заданому значенню маси дози Р_Z, УУ формує сигнал виключення живильника, після чого процес набору дози матеріалу закінчується.

Для визначення моменту виключення гвинтового живильника 3 використовують безконтактні путні датчики БК, БК-А і ін.

Найпростіший алгоритм набору дози має низьку точність дозування, оскільки не враховує наявності потоку матеріалу, що знаходиться в процесі падіння у момент вимірювання поточної маси; динамічної дії цього потоку на грузоприйомний пристрій, обумовленого безперервними ударами частинок падаючого матеріалу об матеріал в бункері дозатора; наявність перехідних процесів і ін.

Маса дози матеріалу P_z в кінці процесу відмірювання відрізняється від значення Р_Д (t₁), визначеного у момент t₁ формування сигналу виключення живильника. В реальних системах Р_Д (t₁) > P_z. Різниця Р_Д (t₁) - P_z=ΔP називається помилкою системи. Зменшити помилку можна вживанням в алгоритмі випереджаючих даних по обліку падаючого потоку матеріалу. На відміну від найпростішого алгоритму в складному алгоритмі на підставі значення сигналу Р_Д (t) обчислюється прогнозоване значення маси матеріалу Р_Д (t₁), яка опиниться в бункері дозатора після закінчення процесу дозування.

 (9.1)

де А_П - постійний параметр в межах інтервалу часу набору заданої дози.

Якщо А_П прийняти рівним середньому значенню помилки системи, то постійна складова помилки набору дози виявиться рівна 0, що більш ніж в два рази підвищує точність дозування. Тому замість путніх датчиків в системах застосовують високоточний перетворювач кут-код на базі сельсина [3,17, 30, 63].

На мал.9.2 приведена схема безперервного дозування сипких матеріалів.

Принцип дозування полягає в наступному. Положення вантажу 1 на консольній підвісці 2 вибирається таким, щоб m_гpgl₂ = m_Mgl₁. Якщо густина матеріалу зростає, то т_м збільшується проти заданої величини і консоль 2 повертається щодо крапки Про на деякий кут. При цьому система важеля 3 опускає шибер 5 і відповідно зменшує товщину шару матеріалу h, тобто знижує т_м до заданого значення. Якщо густина матеріалу зменшується, то все відбувається в зворотному порядку: шибер підіймається і збільшує т_м до заданого значення. Точність дозування по такій схемі невелика [2, 3, 17].

Мал.9.2. Схема безперервного дозування сипких матеріалів: 1 - врівноважуючий грузнув; 2 - підвіска живильника: 3 - система важеля приводу шибера (заслінки); 4 - бункер; 5 - шибер (заслінка); 6 - живильник стрічковий.

Безперервне дозування при Q ≈ const здійснюється декількома способами: підтримуючи постійну швидкість υ, вимірюючи т_м і впливаючи на завантажувальний пристрій, змінювати його продуктивність; вимірюючи т_м і впливаючи на привід дозуючого пристрою, змінювати швидкість V; вимірюючи і змінюючи обидва параметри т_м і v. Отже, перший спосіб здійснює регулювання дози (продуктивності) по масі матеріалу; другий - по швидкості транспортування матеріалу, і третій - по двох параметрах одночасно.

Погрішність дозування по двох параметрах одночасно, хоча і менше ніж при першому і другому способах, все ж таки залишається високою. Застосовуючи інші схеми дозування, наприклад, схему двохстадійного дозування, можна значно понизити погрішність дозування.

На мал.9.3 приведена схема безперервного вагового дозування рідких продуктів (шламу, суспензії) і порошкоподібних матеріалів (цементу, сировинної муки, прес-пороша, пил і ін) в незалежності від їх в'язкості і густини з використанням живлячого диска з лопатями [2].

Мал.9.3. Схема безперервного вагового дозування: 1 - диск з лопатями; 2 - електродвигун; 3 - редуктор з вимірювальним пристроєм; 4 - блок датчиків; 5 - корпус; 6 - труба живляча; 7 - зливна труба; 8 - вал приводний.

Мал.9.4. Схема вагового дозування з використанням дискового живильника: 1 - стрічковий вагозвішувальний конвеєр; 2 - регулятор електронний; 3 - датчик індукційний; 4 - прилад інтегруючий; 5 - виконавчий механізм; би - диск (тарілка); 7 – бункер; 8 - привід диска; 9 - задатчик; 10 - ніж.

Шлам або сипкий матеріал поступає на диск з лопатями при вільному закінченні з живлячої труби або тічки. Лопаті диска, витягуючи матеріал, повідомляють йому тангенціальну швидкість. При цьому на валу диска створюється гальмівний момент, визначуваний зусиллям, затрачуваним на додання матеріалу тангенціальної швидкості. Гальмівний момент пропорційний кутовій швидкості чутливого елемента (диска з лопатями), квадрату його радіусу і ваговій витраті матеріалу, що проходить через чутливий елемент в одиницю часу, і обернено пропорційний прискоренню сили тяжіння. Момент перетвориться механічною системою вимірювального пристрою в переміщення плунжера індукційного датчика, який з'єднується з показуючим, реєструючим і інтегруючим вторинними приладами.

На мал.9.4 показана схема вагового безперервного дозування з використанням дискових (тарілчатих) живильників [2]. Матеріал (вапняк, добавки, гіпс, клінкер і ін) поступає з бункера (силосу) великої місткості на стрічковий вагозвішувач з дискового (тарілчатого) живильника і не випробовує тиск стовпа матеріалу. Цей спосіб дозування дозволяє використовувати переваги дискового живильника як одного з найефективніших розвантажувальних пристроїв для силосів (бункерів) великої місткості, забезпечуючого надійне розвантаження матеріалу, а також переваги вагового обліку і дозування.

Сигнал вагової витрати, вимірюваного стрічковим вагозвішувач 1, перетворений індукційним датчиком 3, поступає на вхід електронного регулятора 2 і на показуючий, реєструючий і інтегруючий електронний прилад 4. При відхиленні вагової витрати від заданого електронний регулятор 2 через виконавчий механізм 5 впливає на зміну швидкості обертання диска живильника і тим самим приводить до зміни інтенсивності закінчення матеріалу з силосу (бункери) до тих пір, поки відхилення не зникне і вагова витрата не стане рівною заданому.

Дисковий (тарілчатий) живильник має привід постійного або змінного струму. Вживання електродвигуна змінного струму підвищує надійність і економічні показники.

Для вимірювання малих витрат матеріалів (наприклад, ПАВ, вода, добавки і ін), що подаються в цементні трубні млини, використовують дифманометри, що відносяться до приладів постійного перепаду тиску [1, 30, 94]. Дифманометри, передбачені для вимірювання перепадів тиску на різних типах звужуючих пристроїв, одним словом, пневмометричних трубках, можуть бути або показуючими з інтеграторами або без них, або бесшкальними датчиками з індуктивним або диференціально-трансформаторним дистанційним зв'язком з вторинними приладами.

Погрішність дозування - це відхилення маси або об'єму дози матеріалу від її заданої (що вимагається) величини [1,4,5].

Абсолютна погрішність дозування визначається з виразів:

 (9.2)

 (9.3)

Відносна погрішність дозування - це відношення абсолютної погрішності до заданої (що вимагається) величини дози

 (9.4)

 (9.5)

В табл.9.1 і 9.2 приведені основні параметри циклічного і безперервного дозування при виробництві бетону і розчину.

Тривалість зважування дози (порції) матеріалу при дискретному дозуванні визначається з виразу [94]

де М_тах - максимальна маса дози матеріалу, кг; Q_mp - необхідна продуктивність живильника по заповненню бункера дозатора, т/ч.

Таблиця 9.1.

Параметри циклічного дозування при виробництві бетонів і розчинів

Таблиця 9.2.

Параметри безперервного дозування при виробництві бетонів і розчинів

Тривалість циклу дозування

 (9.7)

де t_выгр - тривалість вивантаження матеріалу з вагового бункера, с; t_авт - тривалість спрацьовування елементів системи автоматики t_авт = 1,5 - 2 с.

Швидкість закінчення матеріалу з бункера дозатора

 (9.8)

де λ - коефіцієнт закінчення λ = 0,4 - 0,5; q - прискорення сили тяжіння, м/с²; R - гідравлічний радіус отвору закінчення, м.

В роботі [4] швидкість закінчення матеріалу рекомендується визначати по формулі

 (9.9)

де Q_M - задана масова витрата матеріалу при закінченні; F₀ - площа отвори закінчення; ρ_ч - густина частинки матеріалу; ε - порозність сипкого матеріалу (порошку) ε= (ρ_ч - ρ_м) / ρ_ч, ε ≈ 0,6; ρ_м - густина матеріалу.

Виходячи з допустимої абсолютної погрішності ΔМ_а6с дозування (для мінімальної дози) і мінімальної необхідної подачі (продуктивності) матеріалу Q_mp, можна розрахувати режим завантаження матеріалу у ваговий бункер дозатора.

Спочатку визначають Q_M, відповідне значенню ΔМ_абс, і порівнюють його із знайденим Q_mp. Якщо Q_mp ≤ Q_M, то ваговий бункер завантажують на одному режимі (одностадійне дозування), а площа F₀ закінчення береться з технічної характеристики бункерів (силосів) для заданого значення Q_M. У разі Q_mp > Q_m ваговий бункер дозатора завантажуються малими дозами, при Q_mp = Q_m бункер завантажується великими дозами - спочатку при повністю відкритій заслінці, а потім при частково закритій заслінці, тобто при площі F₀, відповідній даному значенню ΔМ_абс. В цьому випадку первинна, так звана груба засипка ведеться з подачею, що розраховується по формулі

 (9.10)

де М_о - маса дози, кг; М_Д - маса дози при досипанні, кг; t_Д - тривалість завантаження бункера при досипанні матеріалу, с.

 (9.11)

Для забезпечення високої точності дозування приймально-витратний бункер повинен обладнуватись аераційним, вібраційним і іншими струшуючими пристроями і механізмом регулювання швидкості закінчення матеріалу, сприяючим забезпечити стабільне і рівномірне завантаження вагового бункера дозатора.

3.2. Засипка прес-форм формувальною сумішшю

При напівсухому пресуванні формувальних будівельних сумішей засипка прес-форм є складним технологічним процесом, що полягає в загальному випадку в закінченні дискретного сипкого середовища і заповнення нею замкнутого простору у вигляді прес-форми. Зв'язок засипки прес-форм з якістю одержаних при формуванні виробів виявляється в наступному. По-перше, при пресуванні до заданого тиску (наприклад, на гідравлічних пресах з гідравлічним обмежувачем тиску) зміна кількості формувальної суміші в прес-формі приводить до зміни висоти (товщина) виробу. По-друге, при пресуванні до заданої товщини виробу (наприклад, на механічних пресах) різниця в кількості формувальної суміші в прес-формі веде до неоднакового тиску пресування. Крім того, при значному тиску (вище заданих) і нестабільності процесу засипки знижується надійність устаткування. По-третє, при пресуванні в багатомісних (багатокубел) прес-формах має місце нерівномірність розподілу формувальної суміші по окремих прес-формах. По-четверте, при однаковій висоті засипки прес-форм, але різній кількості формувальної суміші в них, вироби одержують однакову товщину в стислому стані, але різну після випресовки через неоднакову густину і пружну деформацію напівфабрикату (пресування).

Отже, засипку прес-форм формувальною сумішшю можна віднести до об'ємного дозування і до процесу закінчення сипкого матеріалу з отвору відповідного пристрою [24, 44, 79]. Процес засипки - це наповнення прес-форм формувальною сумішшю з максимальною густиною і рівномірністю і мінімальною погрішністю. Пристрої, що забезпечують процес засипки прес-форм формувальною сумішшю, одержали назву засипних (наповнювальних) пристроїв, прес-мішалок, наповнювачів, завантажувальних пристроїв і т.п. [15, 24, 79].

Засипку прес-форм при напівсухому пресуванні формувальних сумішей (мас) можна представити у вигляді блок-схеми (мал.9.5).

Кожна з приведених в блок-схемі технологічних операцій має певне значення і характеризується оптимальними параметрами.

До суміші в бункерах пред'являються вимоги як по формуванню певного запасу, так і по стабілізації її властивостей. Засипка (дозування) формувальної суміші з порушеними властивостями приводить до виробництва неякісних виробів. При засипці як мірна місткість використовуються прес-форми, змонтовані в столі преса. Переміщення, заповнення і розподіл формувальної суміші за об'ємом прес-форми на практиці здійснюється уручну або частіше за допомогою механічних засобів. Основна вимога при переміщенні прес-форми з першої позиції на другу полягає в недопущенні перерозподілу суміші в об'ємі прес-форми. Загальна тривалість технологічних операцій  при виробництві пресованих будівельних виробів повинна бути менше часу циклу пресування (t_np). Тому швидкодії процесу засипки і засипних пристроїв винне уділятися особлива увага [24, 44, 79].

Мал.9.5. Блок-схема засипки прес-форм при напівсухому пресуванні

Основи теорії засипки прес-форм і засипних пристроїв висловлені в роботах Р.А. Андрієвського, В.Е. Берниковського, Е.В. Задорожного, А.С. Ільіна, С.С. Кипарісова, Е.Е. Кольма-на-Іванова, Д.В. Кондрашова, І.Д. Радомисельського, І.М. Фе-дорченко, А.А. Соловьева, Р.Я. Попильского і інших.

Кількість формувальної суміші, яка повинна бути засипано в прес-форму перед пресуванням, в масовому або об'ємному виразах визначається по формулах [15, 24, 79]:

 (9.12)

 (9.13)

 (9.14)

де ρ_м - густина безпористого матеріалу виробу; V_И - об'їм вироби; П_І - пористість виробу; K₁ - коефіцієнт, що враховує втрати формувальної суміші при пресуванні, К₁ = 1,005-1,01; К₂ - коефіцієнт, що враховує втрати маси виробу (напівфабрикату) при термічній обробці, К₂= 1,01-1,03; F_nф - площа прес-форми; h_см - товщина суміші в прес-формі (глибина, висота засипки прес-форми); ρ₃ - густина засипки.

Висоту (товщину) формувальної суміші в прес-формі при заданих параметрах готового виробу і густини засипки можна розрахувати по формулі

 (9.15)

де h_ПP - висота пресування (напівфабрикату); ρ_ПР - густина пресування (напівфабрикату).

В окремих випадках використовується коефіцієнт засипки (К₃), визначуваний по формулі [15, 24, 79]

 (9.16)

Якщо задані параметри пресування, розміри готового виробу і їх відхилення, то можна розрахувати висоту пресування (напівфабрикату) і висоту засипки прес-форми перед пресуванням.

Відносні погрішності засипки, що допускаються, можуть бути визначені по формулах

 (9.17)

 (9.18)

 (9.19)

Недоліком приведених аналітичних виразів є чисто теоретичне уявлення про процес засипки без урахування фізико-механічних і технологічних властивостей формувальних сумішей, тривалості засипки, конструкції і параметрів засипних пристроїв.

Для вивчення процесу засипки прес-форм формувальною сумішшю в МГСУ розроблений лабораторний стенд (мал.9.6).

Стенд включає раму, на якій встановлений змінний поворотний стіл із знімними прес-формами, що мають регульовані по висоті днища і що спираються в процесі засипки на вібраційне струшуюче пристрій. Над столом змонтований приймально-витратний бункер, засипний пристрій із змінними робочими органами і привід. В знімному днищі засипного пристрою є засипні вікна і калібрувальний отвір, який використовується при випробуваннях гравітаційного закінчення суміші (маси).

Змінні столи з прес-формами і різні робочі органи засипного пристрою, а також регульовані за об'ємом прес-форми дозволяють розширити лабораторні випробування при вивченні процесу засипки прес-форм [24, 79].

Останніми роками при вивченні процесу засипки прес-форм широко використовується кібернетичний підхід. Математичною моделлю служить функція відгуку, що зв'язує параметри оптимізації із змінними параметрами, які варіюються в ході експериментальних досліджень [15].

Мал.9.6. Стенд для випробування засипки прес-форм: 1 - рама; 2 - поворотний стіл; 3 - прес-форма; 4 - днище; 5 - вібраційний пристрій; 6 - електродвигун приводу поворотного столу; 7,20 - редуктор; 8, 21 - приводной вал; 9, 22 - кільцевий токосъемник; 10, 11 - зубчатая передача; 12, 17 - вертикальний вал; 13 - гальмо; 14 - наповнювальний орган; 15 - засипний пристрій; 16 - приймально-витратний бункер; 18 - конічна передача; 19 - електродвигун засипного пристрою; 23 - засипне вікно.

Наприклад, вивчався вплив тривалості засипки прес-форм формувальною сумішшю і кількості порожниностворювачів на показники засипки. Як показали експериментальні дослідження (мал.9.7), збільшення тривалості засипки прес-форм сумішшю більше 3 с практично не приводить до помітного зростання густини засипки. Це відповідає максимальній тривалості циклу пресування (4 с). Залежність має лінійний характер і виявляється при будь-якій кількості пустоутворювачів в прес-формі.

Наявність пустоутворювачів в прес-формі знижує густину засипки. Залежність має нелінійний характер і виявляється однаково при різній тривалості засипки. Очевидно, що істотну роль тут грають вогкість і модуль крупної суміші. Тому для підвищення густини засипки рекомендується засовувати або примусову подачу суміші в прес-форму, або активізувати роботу засипного пристрою шляхом дії робочого органу на формувальну суміш [15, 24, 79].

Мал.9.7. Графіки залежності густини засипки від тривалості заповнення прес-форм сумішшю і кількості пустоутворювачів в прес-формі.

Мал.9.8. Графіки залежності коефіцієнта рівноплотности від висоти (глибини) засипки непарних і парних прес-форм.

Емпірична залежність густини засипки (ρ_з) від тривалості (t), кількості пустоутворювачів (Z_П) і вогкості суміші (W_см) можуть бути представлені у вигляді наступних рівнянь регресій:

 (9.20)

 (9.21)

Поліноміальна модель має вигляд:

 (9.23)

де  

 - модуль крупної суміші; П - порожнистість.

З рівняння (9.22) виходить, що збільшення модуля крупної (М_кр) і вогкості (W_см) суміші, а також кількості пустоутворювачів (Z_П) знижують густину засипки прес-форм.

Якість засипки декількох прес-форм одночасно може бути оцінене коефіцієнтом рівноплотности (К_р3), рівним відношенню, наприклад, густина засипки непарної прес-форми до густини засипки парної прес-форми (К_р3 = р_зн/р_зч).

Чим вище за значення коефіцієнта рівноплотності, тим менше різниця густини засипки кожної з прес-форм і тим менше розкид міцності виробів. З метою визначення значень висоти засипки кожної з прес-форм, відповідних коефіцієнту рівноплотності, рівному одиниці (К_р3 = 1), методом планування експерименту другого порядку було одержано наступне рівняння регресії

де X₁ і Х_{2 -} відповідно, висота засипки непарної і парної прес-форми.

Після канонічного перетворення рівняння (9.23) і побудови контурних кривих (табл.9.3) можна вибирати значення висоти засипки прес-форм, при яких досягається равноплотная засипка (К_р3 = 1).

Таблиця 9.3

Результати розрахунку для побудови контурних кривих поверхні відгуку К_р3.

На мал.9.9 показана поверхня відгуку коефіцієнта рівноплотності КРз.

Мал.9.9. Поверхня відгуку в задачі оптимізації рівноплотної засипки прес-форм

Експериментальні дослідження [24, 79] показали, що найбільші значення густини засипки спостерігаються в нижніх і потім верхніх шарах по висоті прес-форми. В середній частині прес-форми густина засипки мінімальна. Різниця в густині засипки досягає 16% (мал.9.10).

Утворення мінімальної густини засипки в середині висоти прес-форми пояснюється зменшенням впливу швидкості частинок і сил підпресування за рахунок загального опору.

Рис.9.10. Схеми позначень шарів (а), об'ємів (б) і хвилі ущільнення (в) формувальної суміші в прес-формі при засипці

Якісні показники засипки прес-форм приведені в табл.9.4.

Істотна нерівномірність засипки спостерігається і за об'ємом прес-форми. З найбільшою густиною заповнюються умовні відсіки прес-форми 4, 5 і 6. Відсіки 1, 2 і 3 на 10% заповнюються сумішшю гірше за перші. Пояснюється це орієнтуванням прес-форм, наприклад, в поворотному столі преса і їх переміщенням щодо засипного пристрою (прес-мішалки), тобто напрямом повороту столу преса.

В загальному випадку аналітичний зв'язок між ефективністю засипки і параметрами пресування може бути представлена в наступному вигляді

 (9.24)

де ρ_ПР - густина пресування (напівфабрикату); ρ_з - густина засипки прес-форм; ρ'_ПР - густина пресування від дії пресуючого механізму (питомого зусилля пресування).

Таблиця 9.4

Якісні показники засипки

Практично зв'язок значно складніше і залежить від великого числа чинників.

Теоретичні основи і експериментальні дослідження процесу засипки прес-форм при напівсухому пресуванні є основою для вибору типу, конструктивно-технологічних і енергетичних параметрів і методики розрахунку і проектування засипних пристроїв при виробництві стінних будівельних матеріалів (цеглини, каменя, плит, плиток і ін.).

Розділ 4. Грануляція

4.1. Загальні відомості

Грануляція - одна з обширних груп агломераційних процесів, включаюча такі з них, при яких з порошкоподібних матеріалів унаслідок добавки рідкої зв'язки в процесі обертального руху суміші утворюються гранули.

Іншими словами, грануляція - це агломерація порошків шляхом обливання. В ПСМ грануляцію знайшло вживання при підготовці скляних і портландцементних сировинних шихт, виробництві легких заповнювачів, переробці фосфогіпсу і ін.

Мал.10.1. Схема перекочування гранули через дрібне зерно матеріалу.

Порівняно малоенергоємний спосіб обливання забезпечує передачу на порошок значних зусиль. У момент перекочування гранули радіусом R (мал.10.1) через дрібне зерно п виникає поштовх, направлений до центру гранули. Якщо прийняти швидкість поступального руху гранули Якщо прийняти швидкість поступального руху гранули , кутову швидкість ω, то відповідно до мал.10.1, а = t = kωt = Rtga.

Початкова швидкість перекочування _пер, виникаюча при зустрічі із зерном, рівна

 (10.1)

Вертикальна компоненту цієї швидкості , а вертикальна складова прискорення

 (10.2)

Нормальна до поверхні гранули складова прискорення буде рівна:

 (10.3)

Якщо замінити а_в його виразом з (10.2), а cos а згодне (мал.10.1) його значенням, рівним R/ (R+d), то

 (10.4)

або, позначивши d=R/b, одержимо

 (10.5)

Зусилля поштовху в напрямі, перпендикулярному поверхні гранули, рівне:

 (10.6)

де т - маса гранули, рівна  звідси

 (10.7)

Зусилля, передаване гранулою, що перекочується, на одиничне зерно, може досягати десятків МПа. Правда, для досягнення такого тиску необхідно, щоб гранула при русі спиралася завжди тільки на одну частинку, а поверхня гранулятора була з нееластичного матеріалу. Насправді гранула спирається на більше число частинок і водна плівка на поверхні сприяє більш рівномірному розподілу тиску. Проте, навантаження, сприймані тонкодисперсными частинками в промислових грануляторах, достатньо високі. На поверхні гранули, що перекочується, виникає не тільки поштовх, але і зризувальне зусилля. Частина нерівностей не витримує цих напруг і руйнується, а міцно прилиплі зерна вдавлюються всередину. Це забезпечує придбання гранулами кулястої форми. Ущільнення агломерату при обливанні можливе лише, якщо він достатньо пластичний. Необхідну пластичність йому додає наявність технологічної зв'язки, як правило, води, з другого боку, під дією сил поверхневого натягнення води розвивається великий капілярний тиск в порах гранули, направлений від її поверхні до центру. Чим вище дисперсність матеріалу і чим тонше капіляри, тим більше капілярний тиск. В поєднанні з компресійними навантаженнями при обливанні капілярний тиск грає значну роль в зміцненні гранул.

Як правило, тривалість насичення гранул вологою значно більше, ніж час, необхідний для обливання. Тому для отримання гранул необхідного розміру матеріал бажано зволожувати поступово з урахуванням кінетики вологопоглинання. Швидкість розповсюдження вологи в тонкодисперсному матеріалі знижується у міру підвищення тонкості помелу. При агломерації обливанням швидкість розповсюдження рідкої фази є лімітуючою стадією процесу, а рівномірність її розподілу визначає якість агломератів.

Більшість дослідників вважає, що гранульованість порошків визначається їх пластичністю. Гранулюємось порошків, що переробляються в ПСМ, можна в широких межах регулювати, або виключаючи з складу шихт непластичні компоненти, або вводячи пластичні добавки.

Особливо складний характер носить вплив на процес агломерації температури. Є зведення, що подача на грануляцію гарячих порошків гальмує процес. Це пояснюють зниженням поверхневого натягнення води. В той же час нагрів матеріалів непластичних, гранульованих, як правило, з добавкою електролітів забезпечує їх пластификацию.

4.2 Класифікація процесів грануляції

Всі процеси грануляції можна класифікувати таким чином:

1. З рідкої фази диспергірованням на краплі з подальшою кристалізацією при обезводненні або охолоджуванні;

2. З твердої фази пресуванням з подальшим дробленням брикетів до гранул необхідного розміру;

3. З суміші рідкої і твердої фаз агломерацією порошків з подальшим обливанням агломератів і зміцненням зв'язків між частинками при видаленні рідкої фази;

4. З газоподібної фази конденсацією (десублімацією) з утворенням твердих гранул;

5. З суміші рідкої і газоподібної фаз із здійсненням хімічної реакції;

6. З суміші рідкої, твердої і газоподібної фаз із здійсненням хімічної реакції.

Утворення твердих частинок необхідного розміру при грануляції відбувається або одночасно, або поступово. Тому розрізняють процеси грануляції, що протікають без зміни розмірів частинок в часі, із зміною розміру частинок в часі і з утворенням нових частинок і зростанням наявних частинок. Залежно від вимог, що пред'являються до гранулометричного складу продукту, одержувані при грануляції дрібні частинки або повертають в процес (ретурний процес), або не повертають (безретурний процес).

Ефективність процесу грануляції залежить від механізму гранулоутворення, який визначається способом грануляції і його апаратурним оформленням. У зв'язку з цим методи грануляції доцільно класифікувати таким чином:

обливання (формування гранул, що досягається агломерацією або напластовуванням частинок);

диспергірувание рідини у вільний об'єм або нейтральне середовище (освіта і кристалізація крапель рідини при охолоджуванні в повітрі, маслі і т.п.);

прессование сухих порошків з отриманням брикетів, плиток і т.п., з подальшим їх дробленням на гранули необхідного розміру;

диспергірування рідини на поверхню частинок в зваженому стані (кристалізація тонких плівок на поверхні частинок);

чешуирование (охолоджування рідини на чужорідній поверхні);

формування або екструзія (продавлювання пастоподібної маси через отвори).

4.3. Грануляція на тар ілчатих агрегатах

Широке вживання в промисловості одержали тарілчаті гранулятори, схема дії яких приведена на мал.10.2. Вони менше за розмірами, простіше, зручніше. В них унаслідок вільного скачування матеріалу розвиваються гравітаційні сили, що дозволяє одержувати гранули, більш однорідні за розмірами, підвищеною густиною і міцністю. Тарілчатий гранулятор - металевий диск з невисоким бортом, встановлений під кутом 45...55°. Гранули в ньому утворюються при зволоженні початкової сировини і одночасній обкатці на днищі гранулятора.

Мал.10.2. Схема руху гранул в тарілчатому грануляторі

Гранули, що утворюються, підіймаються на деяку висоту разом з тарілкою, що обертається, а потім скачуються вниз по поверхні шару мілкодисперсного порошку під кутом природного укосу. Одночасно матеріал зрошується водою, що подається через розпилюючу форсунку. Для непластичних матеріалів на хімічно активних зв'язках зволоження порошку може бути замінено локальною тепловою дією (мал.10.3). Рідинну форсунку замінює стаціонарне джерело теплоти (електронагрівач або газовий пальник). Велике значення має вибір місця зволоження гранульованого порошку.

Мал.10.3. Схема грануляції на тарілці з локальним нагрівом: А - зона підготовки до зародкоутворення; В - зона зародкоутворення; З - зона зростання гранул; D - зона обливання гранул; Е - зона вивантаження.

Основні конструктивні розміри гранулятора (діаметр і висота борту, кут нахилу), а також режим його роботи (коефіцієнт заповнення і швидкість обертання) визначають швидкість і число зіткнень гранул. Чим воно більше при допустимій швидкості скачування, тим щільніше і крупніше гранули. Розміри гранул залежать від довжини траєкторії руху гранули по поверхні порошкоподібного матеріалу. Подовження траєкторії руху, наприклад, при збільшенні діаметра тарілки, приводить до підвищення розмірів гранул.

Простіше регулювати розмір гранул, змінюючи швидкість їх скачування. З її збільшенням розмір гранул спочатку росте, а потім, коли вона перевищить допустиму для даного розміру гранул, відбувається їх подрібнення. У свою чергу, швидкість скачування на тарілчатому грануляторі зростає із зростанням частоти обертання і кута нахилу (мал.10.4). Кожному куту нахилу відповідає певний критичний розмір гранул, вище за яке вони існувати не можуть і розбиваються.

Мал.10.4. Залежність середнього діаметра вапняних гранул: а - від кута нахилу чаші; вогкість 1 - 9%, 2 - 10%, 3 - 11%; би - від швидкості обертання чаші: кут нахилу: 1 - 40°, 2 - 47°.