AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA, ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON

AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA, ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON

Dr. Gömze A. Lászlóegyetemi docens

MISKOLCI EGYETEMMŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KARKerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék

http://keramia.uni-miskolc.hu [email protected]

Habilitációs tudományos kollokviumMiskolc, 2011. január 20.

AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON

TEMATIKA

1. Az agyagok és az agyagásványok

2. Az aprítás és őrlés jelentősége és értelmezése

3. A kollerjárat bemutatása és a vele történő aprítás elemzése

4. Az agyagszemcsék keveredése és homogenizálódása a kollerjáraton történő

aprítás közben

5. Az agyagszemcsékben aprításkor ébredő mechanikai feszültségek elemzése

• A csúsztatófeszültégek (nyírás) meghatározása és elemzése

• A nyomófeszültség meghatározása és elemzése

6. Eredmények összegzése

AZ AGYAG FOGALMA

1. Auguszt Hermann SEGER (1878)Az agyag szubsztancia a laza, törmelékes kőzetek olyan frakciója, amelynek szemcsemérete:

d<10µm

2. Albert ATTERBERG (1913)Az agyag olyan laza, törmelékes kőzetek alkotta nyersanyag, amelynek legnagyobb szemcsemérete:

dmax<2µm

3. A mai álláspont szerintA tégla- és cserépgyártáshoz használt agyag olyan laza, törmelékes kőzet:• amely agyagásványt tartalmaz, • víz hozzáadásával a szilárd szemcsék halmazából képlékeny masszává

alakul,• képlékenyen alakítható, formázható,• Wmin≤Wa≤Wmax nedvességtartalom intervallumban formázás után alaktartó.

AZ AGYAGÁSVÁNYOK

Az AGYAGÁSVÁNYOK olyan természetes úton képződött hidroxidokban gazdag rétegszilikátok, amelyek:• Határozott kémiai, és ásványi összetétellel rendelkeznek,• Rendezett belső szerkezettel bírnak (de a hosszú távú rendet kristályhibák

ronthatják!), • Szilárd halmazállapotú vegyületekből – szilárd oldatokból – állnak,• Többnyire földpát tartalmú kőzetek szialitos mállása révén keletkeznek

szilárd fázisú átalakulási folyamatok eredményeként.

NÉHÁNY AGYAGÁSVÁNYKaolinit Al2Si2O5(OH)4 AS2H2 Al2O3*2SiO2*2H2O Halloysit Al2Si2O5(OH)4*2H2O AS2H4 Al2O3*2SiO2*4H2OPirofillit Al2Si4O10(OH)2 AS4H Al2O3*4SiO2*H2OMuszkovit KAl2(AlSi3O10)(OH)2 K A3S6H 2 K2O*3Al2O3*6SiO2*2H2OTalk (zsírkő) Mg3Si4O10(OH)2 M3S4H 3MgO*4SiO2*H2O

A HIDROXIDOK SZEREPE AZ AGYAGÁSVÁNYOKBAN

HATÁSUK AZ ANYAGSZERKEZETRE• Az OH- csoport egyedül, vagy az oxigénnel együtt tölti be az anion helyeket,• Az OH- ionoknak köszönhetően zömmel rétegrácsos felépítésűek,• A rétegek között a kötés van der Waals, vagy hidrogén kötés, • Sokkal kevésbé stabil vegyületek, mint az oxidok,• A kristályok táblás, lemezes szerkezetűek, a rétegekkel párhuzamos síkokban

kiváló hasadási képesség,

HATÁSUK A MECHANIKAI TULAJDONSÁGOKRA ÉS AZ APRÍTHATÓSÁGRA• Nekik köszönhetően az agyagásványok relatíve kis keménységűek, • A nyomószilárdság (Rp) többszöröse a nyírószilárdságnak (Rs)

Ra >> Rb• Összetett (nyíró, nyomó, hajlító, koptató,…) igénybevételnek kitéve

hatékonyan aprítható, őrölhető.

AZ APRÍTÁS, ŐRLÉS JELENTŐSÉGE

A szemcseméret és szemcseszerkezet hatása a fluiditásra és az égetett termék

mechanikai szilárdságára öntött tűzállóanyagoknál Nishikawa (1984) és

Jamamura (1995) szerint

• Szemcseméret csökkentése, fajlagos felület növelése;

• Homogén ásványi (kémiai) összetétel és szemcseszerkezet előállítása;

• Alakíthatóság, formázhatóság javítása;• Hőkezelés, égetés során a végbemenő

kémiai reakciók és átkristályosodási folyamatok elősegítése;

• Pórusméretek és pórusszerkezet befolyásolása;

• A késztermék anyagszerkezetének és mechanikai tulajdonságainak javítása, szilárdságának növelése.

(Durva)

(Finom)(Közepes)

AZ APRÍTÁS, ŐRLÉS ÉRTELMEZÉSE

Az aprítási művelet modellezése

Aprítás, őrlés: • d1 méretről d2 méretre

• Keletkező új szemcsék száma:NK=n3

• Keletkező új felületek nagysága:A=2*3*(n-1)*d1

2

• A törési síkok száma:Nts=3*(n-1)

• Az aprítási fok:n=d1/d2

A KOLLERJÁRAT ELVI KIALAKÍTÁSA

A kollerjárat elvi vázlata

A KOLLERJÁRAT, MINT APRÍTÓGÉP:• Száraz és nedves őrlésre egyaránt

alkalmas;• Az aprítást, őrlést a vízszintes

tengely körül forgó mozgást végző görgők végzik egy vízszintes síkban elhelyezkedő őrlőtányéron;

• Az őrlőtányér lehet álló vagy forgó mozgást végző, perforált (rostélyos) vagy sima;

• Működésüket tekintve a kollerjáratok lehetnek folyamatos és szakaszos üzeműek.

A KOLLERJÁRATON TÖRTÉNŐ APRÍTÁS ELEMZÉSE

A matematikai (mechanikai)elemzéshez használt modell

• A berendezés felfogható olyan ”hengerpárként”, ahol az őrlőtányér görbületi sugara: R2=∞;

• Az alkalmazott koordináta rendszer középpontja a mindenkori görgő-középponthoz képest rögzített, azaz a felvett koordináta rendszer a királytengely fordulatszámával forog;

• Ebben a koordináta rendszerben aprítás közben:- a görgő csak a saját tengelye körül végez forgómozgást;- a tányér „kerületi sebessége” megegyezik a görgő kerületi sebességével (mivel a koordináta rendszer a görgő kerületi sebességével elhalad a tányér felett).

A KOLLERJÁRATON TÖRTÉNŐ APRÍTÁS ELEMZÉSE

A matematikai (mechanikai)elemzéshez használt modell

A MODELL FONTOS ELEMEI

• Bányanedves agyag reo-mechanikai anyagegyenlete:

• (1)

• Aprítás közben az agyag elemi térfogatára ható erők egyensúlyi állapotban vannak:

∑Fx=0, ∑Fy=0 és ∑Fz=0, (2)

• Az erőegyensúlyi állapot az ábra jelöléseivel:

• ahonnan: , vagyis:

• (3)

0)( zyzxppp yxp

AZ AGYAGSZEMCSÉK KEVEREDÉSE, HOMOGENIZÁLÓDÁSA APRÍTÁS KÖZBEN

Az aprítás közben kialakuló áramlási és deformációs sebességviszonyok meghatározásához célszerű a reológiai anyagegyenletet (1) behelyettesíteni a mechanikai egyensúlyi állapotot leíró (3) összefüggésbe. Ekkor:

, (4)

ahonnan kettős integrálás után kapjuk:

, (5)

Az u = v, ha x = 0 es u = v, ha x = t peremfeltételekből a C1 és C2 integrálási

állandókra a következő kifejezések adódnak:

(6)

(7)

2

2

10 2

1C

dy

dpxxCxu


A (6) és (7) kifejezéseket az (5) összefüggésbe beírva a tányér és a görgő közötti résben aprózódó masszában kialakuló áramlási és deformációs sebességviszonyokra adódik, hogy:

(8)

A dp/dy differenciál hányados meghatározható az átbocsájtási teljesítményből.

A kollerjárat átbocsájtási teljesítménye tetszőleges t résméret-szelvénynél:

(9)

ahol:V1 – az időegységre jutó megmunkált agyagmassza térfogat a tetszőlegesenmegválasztott t vastagságú résszelvénynél, [m3/s];L – a kollerjárat görgőjének szélessége, [m];u – az aprítódó massza „áthaladási” sebessége a t résszelvénynél, [m/s].


A (8) kifejezést a (9) összefüggésbe beírva az integrálás elvégzése után a kollerjárat időegységre jutó átbocsájtási teljesítménye:

(10)

Ugyanakkor a kollerjárat V2 átbocsájtási teljesítménye a t0 névleges résméretnél:

(11)

Tekintettel arra, hogy V1=V2, a (10) kifejezés egyenlő a (11) kifejezéssel, ahonnan a nyomás-gradiens:

(12)


A (12) kifejezést (8)-ba visszahelyettesítve, az összevonások után a résben aprózódó agyagmasszában tetszőleges t résszelvénynél kialakuló deformációs- és sebességviszonyokra az alábbi összefüggés adódik:

(13)


Az ábra alapján könnyű belátni, hogy a (13) kifejezés csupán az n fordulatszámmal forgó királytengelytől, az L1 szélességű görgő r1 távolságban középen metsző síkra igaz.Kerületi sebesség a görgő palástfelületének belső szélén:

(14)

Közepén:

(15)

Külső szélén:

(16)

Elvi vázlat a görgő palást felülete „csúszásának” értelmezéséhez


A (14), (15) és (16) kifejezésekből következik, hogy a kollerjáratok görgőinek palástfelülete a királytengely felőli oldalon a királytengely által r1b távolságra gerjesztett kerületi sebességhez képest

(17)

sebességgel „siet”, míg a görgőpalást külső oldalon

(18)

sebességgel „késik”!

A fenti sebességkülönbségek jelentős mértékben hozzájárulnak az aprítási hatásfok javításához és a kollerjárat görgői alatt aprózódó agyagszemcsék térbeli keveredéséhez, homogenizálódásához.

AZ AGYAGSZEMCSÉK APRÍTÁSAKOR ÉBREDŐ MECHANIKAI FESZÜLTSÉGEK

AZ AGYAGSZEMCSÉKBEN APRÍTÁSKOR ÉBREDŐ CSÚSZTATÓFESZÜLTSÉGEK MEGHATÁROZÁSA

Aprítás közben az i-dik, görgő alatti résben a bányanedves agyagmasszában kialakuló u deformációs és sebességviszonyok x szerinti deriváltja:

(19)

A (19) kifejezést a bányanedves agyagmassza (1) reo-mechanikai anyagegyenletébe behelyettesítve és megoldva az aprítás közben ébredő csúsztatófeszültségre kapjuk, hogy:

(20)

iiiii

ii dxtxt

ttRdu

26

30


AZ AGYAGMASSZÁBAN APRÍTÁSKOR ÉBREDŐ CSÚSZTATÓFESZÜLTSÉG A KEMA 18900/S KOLLERJÁRAT PÉLDÁJÁN

A KEMA 1800/S típusú kollerjárat i-edik görgője alatti résben aprítódó a görgőpalástfelületéről t/4 távolságra levő szemcsében ébredő csúsztatófeszültség alakulása az „y”

tengely mentén, du/dx=1.0 s-1 deformációs sebességgradiens esetén, ha az agyagásványdinamikus viszkozitása η1 = 103 Pas


AZ AGYAGSZEMCSÉKBEN APRÍTÁSKOR ÉBREDŐ NYOMÓFESZÜLTSÉG

Az i-edik görgő ds elemi ívhosszának értelmezése

A (19) összefüggés x szerinti deriváltját a (3) kifejezésbe behelyettesítve kapjuk:

(21)

ahonnan:

(22)

A mellékelt ábra jelöléseit alkalmazva:

(23)


A (23) kifejezést a (22) összefüggésbe behelyettesítve az i-edik görgő alatti nyomásviszonyok:

(24)

A (24) kifejezés jól szemlélteti, hogy a bányanedves agyagok kollerjáraton történő aprításkor az ébredő nyomófeszültségek nagysága az agyagmassza ηi effektív viszkozitásától, a ti/t0i aprítási foktól, a tányér és a görgő közötti résben elfoglalt helyzetétől, valamint a kollerjárat konstrukciós paramétereitől – a görgők sugarának és szögsebességének nagyságától – függ.

i

t

i

iiiiii

t

i

iiiiii

p

i dtt

ttRdt

t

ttRRdp

iii

0

3

30

03

0

0

)(2626


A palástnyomást előidéző „koncentrált” erő alakulása az aprítási fok

függvényében bányanedves agyagásvány KEMA 1800/s kollerjáraton történő aprításkor;

Li= 0,5m, Ri = 0,9m; ωi = 1,5s-1, (ηi értéke függ a masszában kialakuló sebességgradiens

nagyságától!)

A palástnyomást előidéző „koncentrált” erő alakulása a görgőpalást kerületi

sebességének függvényében bányanedves agyagásvány KEMA 1800/s kollerjáraton történő

aprításkor; Li= 0,5m, Ri = 0,9m és az aprítási fok a = 8

EREDMÉNYEK ÖSSZEGZÉSE

1. A (13) összefüggéssel sikerült leírni a kollerjárat görgője és tányérja közötti résben aprítódó agyagmasszában kialakuló deformációs- és sebességviszonyokat.

2. A (13) összefüggés a (17) és (18) kifejezésekkel együtt választ ad a kollerjáratokon történő aprításkor megfigyelhető intenzív keverő és homogenizáló hatásra is.

3. A (20), illetve (24) kifejezések jól mutatják, hogy az ébredő mechanikai feszültségek nagysága függ:• Az agyagmassza effektív viszkozitásától;• A görgő és a tányér közötti résben elfoglalt geometriai helyzettől;• Az aprítási fok nagyságától;• A kollerjárat geometriai és konstrukciós paramétereitől.

(24)

A (24) kifejezés jól szemlélteti, hogy a bányanedves agyagok kollerjáraton törté

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁSBLAGODARNOST

Őszinte köszönetemet fejezem ki alábbi orosz és magyar mestereimnek, professzoraimnak:

• Baumann Intézet (Moszkva) Szapozhnikov M. J. Eler A. E.

• Építőmérnöki Egyetem (Moszkva) Szilenok Sz. G. Turenko A. V.

Martinov D. P.• Mengyeleev Vegyészeti Egyetem (Moszkva) Pavluskin H. M.

Balkievits V. L.• Veszprémi Egyetem Juhász Zoltán

Opoczky Ludmila Tamás Ferenc

• Miskolci Egyetem Pethő Szilveszter Szaladnya Sándor

KÖSZÖNÖM AZ ÖNÖK FIGYELMÉT!

Documents

AGYAGÁSVÁNYOK APRÍTÁSA, ŐRLÉSE KOLLERJÁRATON