Full Text

Введение Гранулирование применяется с целью получения требуемого гранулометрического состава материала и формы гранул, в результате обеспечивается требуемая текучесть сыпучего материала, прочность гранул, пористость [1-9]. Гранулирование в планетарном грануляторе (рис. 1) [10-12] позволяет достичь на два порядка более высоких значений скорости соударения частиц и давления по сравнению с гранулятором барабанного типа со стационарной осью. В настоящее время нет четких критериев гранулируемости материалов в планетарном грануляторе. Предполагается, что гранулируемость зависит от фракционного состава сыпучего материала, прочности единичного точечного контакта частиц, смачиваемости материала связующей жидкостью, вязкости жидкости. В настоящей работе в качестве материала для гранулирования выбран непластичный материал - каменный уголь. Целью работы является определение возможности гранулирования измельченного каменного угля, исследование влияния параметров гранулирования (фракционный состав, доля жидкого связующего) на эффективность получения гранул; определение этапов гранулообразования. В данной работе проверяется гипотеза о том, что возможно гранулирование в планетарном грануляторе частиц любого твердого (не пластичного) материала при уменьшении размеров частиц материала до определенного уровня и достижения необходимого давления в сыпучем материале. Выявление возможности гранулируемости каменного угля Предварительно гранулировался дробленый каменный уголь с частотой планетарной и относительной скорости вращения 120 об/мин, лишь в 3 раза превышающей предельную частоту вращения барабанного гранулятора с неподвижной осью барабана. В качестве связующей жидкости использовалась вода (10 об. %). Экспериментально показана возможность образования гранул каменного угля на таком режиме. Полученные гранулы (рис. 2) имеют незначительную прочность. Дальнейшие исследования направлены на то, чтобы изучить влияние параметров гранулирования на примере угля на эффективность гранулообразования и прочность полученных гранул. Физические свойства используемого каменного угля: - прочность: 20 МПа; - плотность насыпная: 0,9 г/см3; - коэффициент трения: 0,25-0,35; - краевой угол смачивания водой: 120°. Для определения влияния фаркционного состава на процесс гранулирования предварительно измельченный уголь рассеивали на три фракции: - крупная фракция (№ 1): >0,32 мм; - средняя фракция (№ 2): 0,2-0,32 мм; - мелкая фракция (№ 3): <0,2 мм; - пыль: <0,05 мм. Рис. 1. Схема планетарного гранулятора: 1 - рама; 2 - водило; 3 - основной вал; 4 - электродвигатель; 5 - формующий барабан; 6 - вал барабана; 7 - подшипники вала барабана; 8 - регулирующий вращение барабанов шкив; 9 - подшипники; 10 - тормозной механизм; 11 - шкив тормозного механизма; 12 - шкив барабана; 13 - корпус основного вала; 14 - ремень привода барабана; 15 - ремень тормозного механизма; 16 - шкив привода основного вала; 17 - стойка натяжителя ремня привода барабана Рис. 2. Гранулы угля ×50, полученные при следующих параметрах: планетарная скорость - 120 об/мин; относительная скорость - 120 об/мин; t - 15 мин; вода - 10 об.% Проведены две серии экспериментов по гранулированию каменного угля. Каждая серия состоит из последовательных экспериментов, при этом в каждом последующем эксперименте используется материал из предыдущего. Относительная частота вращения рабочего барабана гранулятора направлена в обратную сторону относительно планетарной [13-15]. В первой серии использовались частицы фракций № 1 и № 2 (рис. 3) в соотношении 2:1. Исходный материал получен дроблением каменного угля ударным способом и в шнековой мельнице. Получены частицы осколочной формы. В первом эксперименте продолжительностью 6 мин вода в качестве связующего не использовалась. Такие условия были выбраны с целью шлифования крупных частиц в результате интенсивного перемешивания сыпучего материала в планетарном грануляторе с образованием мелкой фракции. Планировалось, что после образования достаточного количества мелкой фракции процесс гранулирования будет инициирован. В последующих экспериментах добавлялась вода в качестве связующего. Как и ожидалось, в результате шлифования крупных фракций появилась мелкая фракция № 3 (рис. 4-6), однако после 50 мин гранулирования ее объем составил лишь 10 % (рис. 7). Частицы фракции № 2 в результате шлифования уменьшились и перешли во фракцию № 3. Поверхность крупных частиц фракции № 1, № 2 отполировалась, сгладилась, ребра и вершины скруглились, в результате вероятность присоединения частиц мелкой фракции № 3 и пыли уменьшилась. После 36 мин гранулирования были обнаружены только две гранулы размером 2 мм (рис. 8), состоящие из фракции № 3 и пыли, заполнившей поры между частицами. Малое количество гранул получено по причине недостаточного количества фракции № 3 и пыли для заполнения всего объема пор между упаковкой крупных фракций № 1, № 2. На фотографиях (рис. 9) видно, что из пыли на торцевых поверхностях барабана образовался плотный слой порошка в виде пластины. Выявлено, что в планетарном грануляторе первоначально идет только процесс шлифования частиц с образованием обломков и пыли, средний размер каждой фракции частиц уменьшается. В определенный момент частицы мелкой фракции уменьшаются настолько, что их смачивание приводит к образованию агломератов в виде пластин, прикрепленных к торцам барабана. Анализ полученных результатов в первой серии экспериментов позволяет сделать следующие выводы. Гранулирование угля, содержащего фракцию № 1, позволяет отшлифовать поверхность и скруглить ребра, вершины и углы частиц этой фракции. Скорости соударения в планетарном грануляторе при планетарной и относительной частоте вращения 600 об/мин, диаметре барабана 0,14 м, планетарном радиусе 0,1 м достигают 10 м/с. В результате ударных взаимодействий при высоких скоростях вращения гранулятора поверхность частиц уплотняется. При этом частицы не разрушаются и теряют не более 10 % своей массы. Таким образом, для получения гранул заданного размера и достаточной текучести можно использовать планетарный гранулятор без добавления жидкости. Полученные гранулы имеют форму осколков, но со скругленными ребрами и вершинами, а также гладкими уплотненными гранями (рис. 10). Прочность гранул равна прочности исходного материала, поверхность не подвержена разрушению от трения, пылению, так как уплотнена, уплотненная поверхность препятствует прикреплению других гранул, слеживанию сыпучего материала. При дальнейшем использовании отшлифованных гранул следует очистить их от пыли. В данном случае в планетарном грануляторе преобладает процесс шлифования, окатывание с образованием агломератов в виде гранул практически отсутствует. Во второй серии экспериментов использовались частицы только мелкой фракции № 3, с добавлением воды от 10 до 15 об. % в качестве связующего в каждом последовательном эксперименте (рис. 11). Получены следующие результаты. В грануляторе формируется, как и в серии № 1, плотная пластина на торцевой поверхности барабана (рис. 12). Структура более ровная (рис. 13), прочность выше, чем в серии № 1. Чем меньше размер частиц, тем более плотной является упаковка материала, увеличивается количество контактов на единицу объема, растет прочность агломератов. Определение размеров частиц с помощью оптической микроскопии показало, что их максимальный размер в составе пластин составляет 1,25 мкм, при том, что максимальный размер частиц в исходном порошке - 200 мкм. Исследование гранулометрического состава пластины с торцевой поверхности барабана является новым способом, позволяющим определить предельный размер частиц, при котором возможна их агломерация, а также оптимальный гранулометрический состав исходного материала для гранулирования окатыванием. Преимущество этого способа заключается в том, что проводится один эксперимент до момента образования пластины на торцевой поверхности барабана. Серия экспериментов № 1 а б Рис. 3. Исходный порошок каменного угля, ×50: а - фракция № 1; б - фракция № 2 а б Рис. 4. Фракция № 1 (а); фракция № 3 (б). Время гранулирования 6 мин. Увеличение ×50 а б Рис. 5. Фракция № 1 (а); фракция № 3 (б). Время гранулирования 12 мин. Увеличение ×50 а б Рис. 6. Фракция № 1 (а); фракция 3 (б). Время гранулирования 21 мин. Увеличение ×50 Рис. 7. Серия экспериментов № 1. Зависимость фракционного состава каменного угля от времени гранулирования Рис. 8. Гранула диаметром 2 мм. Время гранулирования 36 мин. Увеличение ×50 а б Рис. 9. Поверхность пластины, образованной на торцевой поверхности барабана в 1-й серии экспериментов: а - увеличение ×50; б - увеличение ×400. Время гранулирования 51 мин а б Рис. 10. Фракция № 1: а - увеличение ×50; б - увеличение ×400. Время гранулирования 51 мин Серия экспериментов № 2 Рис. 11. Зависимость фракционного состава каменного угля от времени гранулирования а б Рис. 12. Пластина, образованная на торцевой поверхности барабана в серии экспериментов № 2: а - со стороны плоской части пластины, ×400; б - фотография края пластины, увеличение ×400. Время гранулирования 30 мин Рис. 13. Осколок пластины, образованной на торцевой поверхности барабана. Фракция № 1. Увеличение ×50. Время гранулирования 38 мин а б Рис. 14. Агломераты частиц: а - крышка барабана; б - барабан. Время гранулирования 60 мин Для гранулирования окатыванием в планетарном грануляторе с образованием гранул из измельченного до мелких фракций угля необходимо использовать фракции с размером частиц менее 1,25 мкм (см. рис. 12, б), требуется добавление воды в качестве связующего. В работе показано, что возможны два способа получения гранул из твердых частиц каменного угля. В первом способе в качестве исходного материала используются частицы угля, полученные измельчением до требуемого размера гранул. Эти частицы шлифуются в планетарном грануляторе без добавления жидкости. Полученные гранулы имеют форму осколков, но со скругленными ребрами и вершинами, а также гладкими уплотненными гранями, прочность гранул равна прочности исходного материала, поверхность не подвержена разрушению от трения, пылению, так как уплотнена. Во втором способе используются частицы фракции менее 1,25 мкм, добавляется вода в качестве связующего, происходит процесс окатывания с образованием гранул. В обеих сериях обнаружено, что на поверхности торцевых стенок барабана в периферической их части наблюдается образование агломератов частиц (рис. 14). Таким образом, торцевые поверхности являются местом наиболее эффективного образования агломератов. Для выявления различий в скорости сдвига и особенностях движения сыпучего материала около торцевых поверхностей барабана и в средней его части необходимо провести дополнительно компьютерное моделирование методом дискретных элементов [16-26]. Выдвигается гипотеза о том, что увлажненную пылевидную фракцию угля с размером частиц менее 1,25 мкм можно считать комплексным связующим. Доля этой фракции при гранулировании должна составлять не менее объема пористости крупной фракции, т.е. 25-30 %, и не более 40-45 %, так как масса, состоящая из увлажненной пыли, имеет минимальную текучесть. Планируется дополнительное проведение исследований по гранулированию с использованием вышеуказанного соотношения.

About the authors

D. V Lobovikov

Perm National Research Polytechnic University

A. V Kharchenko

Konstruktiv-SP

E. V Matygullina

Perm National Research Polytechnic University

N. A Kolchanov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 69

PDF (Russian) - 39

Refbacks

• There are currently no refbacks.