автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Снижение брака керамических и стеклянных изделий путем эффективного удаления ферропримесей

На правах рукописи

ЕРШОВ Дмитрий Викторович

СНИЖЕНИЕ БРАКА КЕРАМИЧЕСКИХ И СТЕКЛЯННЫХ ИЗДЕЛИЙ ПУТЕМ ЭФФЕКТИВНОГО УДАЛЕНИЯ ФЕРРОПРИМЕСЕЙ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

т

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2013

005060657

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Сандуляк Анна Александровна

Официальные оппоненты: - Бурьянов Александр Федорович

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ • ВПО «Московский государственный строительный университет» кафедра технологии вяжущих веществ и бетонов, профессор

Бессонов Игорь Вячеславович кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН), заведующий лабораторией «Стройфизика-ТЕСТ»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Защита состоится Л им* 2013 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.02 на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, телестудия «Открытая сеть», ауд. № 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «

» „¿¿£1 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Алимов Лев Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наличие железистых примесей в сырьевых материалах, используемых в технологии производства керамики и стекла, вызывают такие дефекты готовых изделий как «мушки», вспучивания глазури на керамических плитках, снижают светопрозрачность оконного стекла. Наличие такого рода дефектов нормируется соответствующими ГОСТами, определяя сортность изделий или брак.

Решением проблемы снижения брака керамических и стеклянных изделий является повышение эффективности магнитного удаления ферропримесей из сырьевых материалов.

Существующие методы контроля не позволяют получить достаточно объективный результат по содержанию такого рода примесей, что приводит к неверному выбору режимов и характеристик магнитных сепараторов, ошибочному определению сорта или марки соответствующего материала, неизбежным дефектам изделий. Кроме того, открытым остается вопрос получения необходимых характеристик магнитного поля в рабочих модулях магнитных сепараторов, что позволяло бы осуществлять эффективное обезжелезивание материалов.

Работа выполнена в соответствии с НИР МГСУ, Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Целью диссертации является снижение брака керамических и стеклянных изделий за счет повышения эффективности магнитного контроля и удаления ферропримесей, вызывающих дефекты изделий.

Задачи исследования:

1. Обосновать возможность повышения качества керамики и стекла за счет удаления ферропримесей из сырьевых материалов.

2. Выполнить анализ нормативно-метрологической базы, касающейся ферропримесей различных сырьевых материалов (кварцевый песок, полевой шпат и пр.) для производства керамики и стекла, а также опытно-промышленных данных магнитной сепарации железистых примесей.

3. Выполнить статистическую обработку размеров выделяемых при магнито-контроле феррочастиц и вовлекаемых частиц анализируемой среды, оценить их долевое присутствие.

4. Разработать и реализовать метод определения потенциальной массы ферропримесей в анализируемой среде, в том числе с учетом погрешности, обусловленной присутствием вовлекаемых частиц этой среды.

5. Оценить погрешность определения содержания ферропримесей при использовании стандартных методов магнитоконтроля.

6. Получить необходимые для развития систем магнитного удаления ферропримесей базовые характеристики индукции поля в модулях магнитных сепараторов.

7. Дать рекомендации по снижению брака керамической плитки, стекла при их производстве, включая разработанные методы и средства магнитного выделения ферропримесей. Определить экономический эффект от снижения выхода бракованной продукции.

Научная новизна работы:

Обоснована возможность снижения брака керамической плитки и стекла за счет применения достоверного контроля ферропримесей в сырьевых компонентах и их эффективного удаления с помощью магнитных сепараторов с расчетными характеристиками магнитного поля в рабочих модулях.

Установлены зависимости массы выделенных ферропримесей из кварцевого песка и полевого шпата от количества операций магнитного выделения.

Разработана модель, позволяющая на основе экстраполяции данных, получаемых при магнитоконтроле, определять суммарную массу всех присутствующих в пробе ферропримесей.

Установлен критерий оценки массы вовлекаемых частиц анализируемой среды для корректировки получаемых зависимостей при магнитоконтроле.

Получены зависимости магнитной индукции (а также ее относительных значений) от расстояния до магнитного элемента в различных модулях магнитных сепараторов (в том числе применен принцип суперпозиции полей, создаваемых магнитными элементами модуля).

Для магнитных сепараторов с фильтрующей матрицей установлен коэффициент извилистости цепочек шаров матрицы для уточненного расчета характеристик магнитного поля.

Практическая ценность работы:

Предложен и реализован расчетно-экспериментальный метод определения общей массы ферропримесей и их массовой доли. Количественно оценена погрешность содержания ферропримесей при проведении магнитоконтроля существующими стандартными методами.

Разработаны и внедрены рекомендации по снижению дефектов изделий из керамики и стекла, вызываемых ферропримесями на заводах по производству керамической плитки и стекла.

Практическая значимость полученных результатов подтверждена патентом на изобретение, а также патентом на полезную модель.

Внедрение результатов работы. Результаты внедрены на предприятиях ЧАО «Интеркерама», ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла». В течение одного года выпуска керамической плитки зафиксировано снижение выхода брака на 2,3% (от общего объема выпуска), что в денежном эквиваленте составляет 145 тыс.евро в год (подтверждено актом внедрения). Общий экономический эффект от внедрения составил 7,8 млн. рублей.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международной конференции «Российские дни Сухих Строительных Смесей» (Москва, МГСУ, 2011), международной научно-практической конференции «Общество, современная наука и образование: проблемы и перспективы» (Тамбов, 2012), международных выставках МовЬшИ, секция Технокерамика (Москва, 2007,2008).

Публикации. Результаты работы опубликованы в 13 научных статьях и докладах (из них 9 работ - в изданиях перечня ВАК), 1 патенте РФ на изобретение и 1 патенте на полезную модель.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 119 источников, приложений. Общий объем работы составляет 133 страницы, включая 54 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Железистые примеси присутствуют в различных сырьевых материалах. В работе обобщены публикации, стандарты, нормирующие этот показатель в таких средах как кварцевый песок, полевой шпат, доломит, тальк, вяжущие гипсовые и др. (см., например, табл. 1-2). В стандартной маркировке многих сырьевых материалов, в частности, кварцевого песка, полевого шпата, доломита, известняка, присутствует цифровой показатель, отражающий норматив содержания именно железистых примесей.

Несмотря на многообразие этих примесей, в нормативно-метрологической документации они чаще всего формально «представляются» в виде оксида железа РегОз. Это большей частью обусловлено особенностями применяемых традиционных методов контроля. Нередко специально оговаривается уточнение - в пересчете на БегОз.

Таблица 1 - Выдержки из ГОСТ 22551-77 «Песок кварцевый, молотые песчаник, кварцит и жильный кварц для стекольной промышленности. Технические условия»_

Марка* Назначение Массовая доля РегОз, %, не более Метод испытаний

ВС-030-В Для производства листового, оконного и технического стекла 0,03 По ГОСТ 22552.2-93 «Песок кварцевый, молотые песчаник, кварцит и жильный кварц для стекольной промышленности. Методы определения оксида железа». Фотоколориметрические методы с применением: 1) 1,10-фенантролина; 2) роданистого аммония; 3) калия и сульфосалициловой кислоты

ВС-040-1 0,04

ВС-050-1 0,05

ВС-050-2 0,05

* Первые три цифры - массовая доля окиси железа в тысячных долях.

Таблица 2 - Выдержки из ГОСТ 15045-78 «Материалы кварц-полевошпатовые для строительной керамики. Технические условия»___

Марка* Назначение Массовая доля РегОз, %, не более Метод испытаний

КПШМ 0,2-0,9 Для производства санитарно-керамических изделии 0,2 По ГОСТ 26318.3-84 «Материалы неметаллорудные. Методы определения массовой доли оксида железа(Ш)» . Фотометрический и комплек-сонометрический методы.

КПШМ 0,3-0,9 0,3

КПШМ 0,2-0,5 Для производства отделочных и облицовочных плиток и низкотемпературного фарфора 0,2

КПШМ 0,3-0,7 Для производства отделочных и облицовочных плиток 0,3

* Первая цифра - массовая доля окиси железа в процентах.

В традиционной системе контроля, основанной на использовании фотоколориметрического и других методов, предусматривается реагентная обработка пробы анализируемой среды. Между тем, известно, что железистые примеси в сырье могут присутствовать в разных формах.

С точки зрения применения и эффективности магнитной сепарации для удаления магнитоактивных включений-примесей информация о содержании железистых примесей в виде Ре203 не может быть вполне объективной. Главной должна являться информация о содержании примесей, обладающих фер-ро- и ферримагнитными свойствами (ферропримесях), но она отсутствует.

Решению задачи контроля магнитоактивных железистых примесей в различном сырье строительных материалов могло бы способствовать использование системы магнитоконтроля, включающей стандартные методы для доломита, вяжущих гипсовых, мела, талька, талькомагнезита и др.

При магнитоконтроле осуществляется выделение таких примесей из пробы постоянным магнитом путем сканирования поверхности тонкого слоя пробы анализируемой среды: регламентируемое число операций 1 - 6. Однако, опыты показывают, что операционная масса т выделяемых ферропримесей не обнуляется ни после первой, ни после третьей, четвертой или шестой, ни после какой-либо иной «-ой операции; убывая с увеличением п, она лишь асимптотически приближается к своему предельному (нулевому) значению. Получение 100 %-го результата выделения примесей остается проблемным.

Необходимо отметить, что различные методы существующей системы магнитоконтроля, к сожалению, не позволяют количественно оценивать степень выделения ферропримесей. Это является одним из принципиальных вопросов.

Более того, наряду с выделением феррочастиц имеет место «попутное» вовлечение частиц анализируемой среды, что вносит дополнительную погрешность в результат контроля. В стандартных методах магнитоконтроля даются неэффективные рекомендации по взаимному магнитному разграничению обеих разносортных фракций, без оценки роли этого фактора.

Было выполнено обобщение данных по магнитной сепарации кварцевого песка, полевого шпата, кварца, мела, крошки лома керамики. При этом учитывались место происхождения сырья, тип сепаратора и содержание железистых примесей: до (со) и после (с) сепарации. При обобщении легализован (ранее неучитываемый) показатель эффективности этого удаления (сепарации) цг, т.е. относительная разность с0 и с (рис.1).'Бессистемный разброс данных объясняется закрепленным в используемых стандартных методиках подходом к контролю железистых примесей в пересчете на Ре203, т.е. утрачивая информацию о содержании магнитоактивных примесей, входящих также в другие соединения, не говоря уже о том, что у маггемита -/-Ре20з магнитная восприимчивость существенно выше, чем у гематита а-Ре203.

60

40 20 0

0.01 0.02 0.05 ОД ОД 0.5 1

Рисунок 1 - Массив имеющихся данных в виде поля концентраций железистых примесей сырьевых сред и значений эффективности их магнитной сепарации; о - песок, а - полевой шпат, Д - кварц, 0 - мел, * - крошка лома керамики.

В различных материалах, на различной стадии обработки и т.д. содержание магнитоактивных примесей является вариативной величиной. Несомненно, этот параметр нуждается в систематическом контроле. Еще одной причиной разброса данных (рис.1) является отсутствие или неполнота информации по характеристикам поля в рабочих зонах сепараторов. Это не позволяет в достаточной мере судить об уровне работоспособности того или иного сепаратора, исключает создание новых сепараторов для дальнейшего развития систем магнитного удаления железистых примесей.

На основании данных, собранных, проанализированных и обобщенных в первой главе диссертации, была выдвинута научная гипотеза. Снижение брака (дефектности) керамической плитки и стекла достигается за счет применения достоверного контроля ферропримесей в сырьевых компонентах и их эффективного удаления с помощью магнитных сепараторов с установленными и используемыми в расчетах характеристиками магнитного поля в рабочих модулях.

В работе были определены массово-операционные характеристики магни-токонтроля ферропримесей кварцевого песка и полевого шпата, а именно данные масс т ферропримесей, выделенных в каждой из п операций магнитокон-троля. Выяснено, что после выполнения неоднократного числа операций маг-нитоконтроля (и=4-10) анализируемые среды полностью не освобождаются от ферропримесей. Остаточная масса ферропримесей хотя и уменьшается по мере выполнения каждой последующей операции, но продолжает оставаться заметной (особенно при увеличении дисперсности ферропримесей).

А всегда присутствующая в пробе остаточная масса ферропримесей вносит непредсказуемую погрешность в результат контроля. Причем определить эту погрешность не представляется возможным из-за отсутствия информации об истинном содержании ферропримесей, которая и является искомой величиной при магнитоконтроле.

Тем самым, можно сказать, что существующие методы системы магнито-контроля, осуществляемые обычно для гипсовых вяжущих веществ, талька,

о

п >

о

с г ' и

с > □

о П О р л л □ т

о о 0 г Ч Со! & д "

- од о Я о с и 3

о Ф А

1

талькомагнезита, доломита, мела и др. при нормативно ограниченном числе операций контроля обладают рядом недостатков. Они существенным образом сказываются на точности такого контроля.

Для решения вопроса определения всех возможных операционных масс т, не прибегая при этом к большому числу операций магнитоконтроля, необходимо было разработать его модель. Это требуется для реализации возможности осуществлять объективную легализацию и прогнозную экстраполяцию получаемых массово-операционных характеристик магнитоконтроля ферропри-месей различного сырья строительных материалов: например, кварцевого песка, полевого шпата. Модель должна давать информацию о любой операционной массе ферропримесей, в том числе за пределами фактического эксперимента, оценивать остаточную массу ферропримесей, определять совокупные массы всех ферропримесей в анализируемой пробе.

Основой подхода к такой модели должен стать предварительно устанавливаемый общий и частный функциональный вид массово-операционных характеристик магнитоконтроля, определяемых опытным путем. Для этого требуется проанализировать роль фактора вовлечения частиц анализируемой среды вместе с выделяемыми феррочастицами при магнитоконтроле. Количественная оценка этого фактора необходима для учета погрешности контроля и внесения требуемых коррективов в его результат. Это стало бы важным шагом в развитии системы магнитоконтроля и приближении такого контроля к прецизионному уровню.

Для определения долевого присутствия при магнитоконтроле феррочас-тиц и вовлекаемых частиц среды была проведена прямая статистическая обработка частиц осадка по их среднему размеру (см. гистограммы распределения, рис.2). На рис. 2а показаны гистограммы распределения количества N частиц (выделенных при реализации магнитоконтроля) по размерам <5: как феррочас-тиц, так и «попутно» вовлеченных частиц кварцевого песка.

Были получены гистограммы распределения объема частиц К по размерам <5, характеризующих размеры частиц, их совокупный объем, а с учетом средней плотности - их массу и массовую долю. Эти гистограммы, как видно на рис. 26, принципиальным образом отличаются от традиционных гистограмм (рис. 2а). С учетом же соответствующих значений плотности материала фер-рочастиц рф и частиц песка рч гистограммы распределения масс феррочастиц Шф и частиц песка т„ по размерам <5 (рис. 2в) характеризуют вклад частиц разных размеров в их совокупную массу. При этом соотношение фракций феррочастиц и вовлеченных частиц песка (по массе) составило практически 1:2.

По выявленному подобным образом коэффициенту коррекции были уточнены массово-операционные характеристики магнитоконтроля ферропримесей кварцевого песка (рис. 3) и полевого шпата. Эти характеристики асимптотически приближаются к своему предельному значению, свидетельствуют о наличии остаточной массы ферропримесей. Такие характеристики, т.е. убывающие зависимости операционных масс т выделяемых феррочастиц от порядкового номера п операции, являются базовыми для развития системы магнитоконтро-

ля. Это позволяет избежать погрешности, вызванной неполным выделением ферропримесей.

Опытные зависимости операционных масс т выделяемых ферропримесей от порядкового номера операции п (рис. 3) близки к экспоненциальным:

т=Аехр(-кп), (1)

что видно из рис. 4. При этом, входящие в формулу (1), легко определяемые на основании результатов экспериментов (рис. 3,4) параметры А я к, являются параметрами, необходимыми и для последующих расчетов. В частности, для кварцевого песка: А = 230мгик = 0,39 (проба № 1),А = 102-мги к= 0,3 (проба № 2), А = 20,2 мгик= 0,14 (проба № 3).

N

300

200 100 о

N

500 400 300 200 100

0,1 02 0,3 0,4 0,3 0,6 0,7 0,8 мм 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 8, ММ

а)

У,мм3

3

У,мм

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 5 мм 0

б)

тп,мг 8

6

4

2

0

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 8, ММ

ОД 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ,

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 8, ММ

В)

Рисунок 2 - Гистограммы распределения по размерам: количества (а), объема (б) и массы (в) выделяемых при магнитоконтроле частиц ферропримесей (слева) и вовлеченных частиц кварцевого песка (справа).

ІЛ.МГ 160 140 120 ІОО ЗО

во

40 20 О

< >

\

\

\

< к

с 1 1 > \

\ і V? N д

Ч ч

"і — -

200 100 50

20 10

[ч

л" с Г

3 1= і-

—^ кг^-

123456789 ІОП

0123456789 10 П

Рисунок 3 - Данные по массам ферроприме-сей, выделенным из кварцевого песка в каждой из операций магнитоконтроля; 1,2,3 -пробы № №1,2,3.

Рисунок 4 - Показательный вид массово-операционных характеристик магнитоконтроля ферропримесей, выделенных из кварцевого песка - по данным рис. 3

Расчетная формула (1) для среды - это первый шаг в реализации предлагаемого опытно-расчетного метода магнитоконтроля, позволяющего находить любое текущее значение операционной массы т, в том числе за пределами фактического участка получаемой массово-операционной характеристики.

На втором этапе из функции (1) получаем расчетные формулы для определения суммарных масс ферропримесей, присутствующих в пробе среды, подвергаемой магнитоконтролю. Так, будучи дискретной, справедливой для натурального ряда чисел 1, 2, З...и, эта функция, если ее записать почленно, дает количественный ряд, который представляет собой бесконечно убывающую геометрическую прогрессию. Следовательно, при известном первом члене этой прогрессии /М1=Л-ехр(-А:-1) и ее знаменателе £=т„ / /я„_1=ехр(-А) может быть определена полная сумма членов этой прогрессии. В данном случае - это суммарная потенциальная масса осадка которуя можно получить при

теоретически неограниченном числе операций магнитоконтроля (и—>оо), т.е.

т

і _

(2)

\-q ехрАг-1

Получаемое значение ти т при известных значениях объема V и массы М пробы той или иной анализируемой среды используется для определения истинных значений объемной су=тх„^1 Г и/или массовой с^т^,^ / М (хЮО %) доли ферропримесей в этой среде.

В частности, для кварцевого песка: теі...т= 230 мг (проба № 1), 102

мг (проба № 2), 20,2 мг (проба № 3), для полевого шпата: 68 мг.

По оси п можно фиксировать число уже выполненных операций магнитоконтроля, а по оси ординат вместо текущей операционной массы ферроприме-

сей т=тп - суммарную массу ферропримесей т\...„= т\+ тг+ Я13+ ... + тп, т.е. массу, выделенную не только в текущей операции магнитоконтроля, а и всех предшествующих операциях такого контроля. Эти накопительные массово-операционные характеристики магнитоконтроля ферропримесей (рис. 5) представляют самостоятельный интерес. Во-первых, они асимптотически стремятся к предельным значениям, а это одновременно указывает и на основную искомую величину самого магнитоконтроля - истинную массу ферропримесей в анализируемой пробе сырья яц...Во-вторых, можно получить еще одно подтверждение правильности модели магнитного выделения. Для этого следует подвергнуть эти характеристики (рис. 5) иному тестированию -по так называемому ^-параметру. Так, если получаемые данные накопленной массы выделенных ферропримесей гп\„л разделить на вычисляемое по формуле (2) значение потенциальной массы этих примесей в пробе т.е. перейти к такому относительному параметру как эффективность магнитного выделе- . ния ферропримесей (накопительного операционного) из пробы сырья:

(/=т1...я//И1...00, (3)

то тем самым накопительные массово-операционные характеристики (рис. 5) можно представить в виде соответствующих им характеристик эффективности выделения ферропримесей из пробы анализируемой среды при осуществлении «пошаговых» операций магнитоконтроля. Для того, чтобы перейти к функциональному виду определения (3), наряду с выражением (2) для полной массы ферропримесей в пробе т\..,т необходимо располагать подобным выражением для массы выделяемых из пробы анализируемой среды ферропримесей »»1...л в случае осуществления того или иного, т.е. ограниченного числа (л) операций магнитоконтроля.

ПН.цЫГ 450 400 350 300 250 200 150 100 50

/

V

2

м

1 у

И

1 23456789 10 П

Рисунок 5 - Накопительные массово-

Рисунок 6 - Линеаризация ¿-параметра опе-

операционные характеристики магнигоконтро- рационно-накопительного выделения ферро- . ля ферропримесей, выделенных из кварцевого примесей из кварцевого песка по мере увели-песка; 1,2,3 - пробы № 1,2,3. чения числа операций магнитоконтроля; 1,2,3

- пробы № 1,2,3.

Это становится возможным, если воспользоваться соответствующей формулой суммы ограниченного числа членов той же геометрической прогрессии ДЛЯ определения величины т.е.

V. т,-т„а , 1 - ехр(-А • л) /=1 1-? ехрЛ-1

Тогда уравнение (3) с учетом (2) и (4) принимает вид:

(р=1-ехр(-Л>и). (5)

Преобразования приводят к промежуточному выражению:

-1п(1- у/) — к'п. (6)

Если в последнем выражении левую часть, представляющую собой логарифм дефицита эффективности, именовать ¿'-параметром, т.е. -1п(1- у/)=£ то выражение (6) приобретает вид прямой пропорциональной зависимости:

ф=кп. (7)

Эта зависимость дает основание для тестирования опытных характеристик накопительного выделения ферропримесей с позиций ^-параметра (после пересчета параметра ^ в параметр £). Видно (рис. 6), что соответствующие данные хорошо линеаризуются, а это липший раз подтверждает достоверность избранной модели прецизионного магнитоконтроля ферропримесей сырья строительных материалов и изделий.

Располагая же определяемой по расчетной формуле (2) величиной т.е. величиной массы всех ферропримесей, содержащихся в пробе анализируемой среды, возможной становится не выполнявшаяся ранее оценка погрешности е такого результата магнитоконтроля, который получается по данным ограниченного числа операций (когда остаточная масса феррочастиц игнорируется). В этом плане весьма показательной является проба № 3 (рис. 3). Наглядно видно, что совокупная масса ферропримесей, выделенных после выполнения расширенного комплекса операций, т.е. 10-ти операций, найденная путем сложения полученных операционных масс, т.е. как /Я1...10 = /Я1+/и2+/Яз+ ... +/яю, составляет заметно меньшую, чем т,...«-, величину. Так, /Я1...ю= 104 мг (рис. 3,5), что в 1,3 раза меньше (гпх.,ло1 т\...а= 0,78, е = 22 %) по сравнению с оговоренной, потенциальной массой тх...„= 134 мг.

Далее полученное значение потенциально выделяемой массы ферропримесей (р21...00= 134 мг) уместно сравнить со значениями масс, получаемых при стандартных методах магнитоконтроля ферропримесей. Так, при осуществлении шести операций (рис. 3,5) суммарная масса выделенных ферропримесей составляет /и1...6= 78 мг. Эффективность выделения ферропримесей при реализации такого контроля достигает всего лишь / /И1...о=0,58, а погрешность С1...6 = 42 %. При такой степени выделения истинное содержание ферропримесей в исследуемом песке превышает результат стандартного шестиоперацион-ного магнитоконтроля в 1,7 раза, а это свидетельствует о низкой достоверности такого контроля.

При осуществлении четырех и трех операций (рис. 3,5) суммарная масса выделенных ферропримесей: т,_4=58 мг и ж,...3=47 мг. Следовательно, степень выделения ферропримесей составляет здесь еще меньшую величину: для

четырех операций - /hi...4//hi...«,=0,43, а для трех операций - 0,35 и

ei..,3=65 %. При этом-истинное содержание ферропримесей в исследуемом песке весьма существенно превышает результат стандартного четырех- и трех-операционного магнитоконтроля: соответственно в 2,3 и 2,9 раза. Это свидетельствует о недопустимости такого лимитирования числа операций.

И совсем неприемлемым следует признать результат однооперационного магнитоконтроля: масса выделенного осадка тх = 18 мг, отнесенная к потенциальной массе (mi...«,), составляет здесь всего лишь т\ / 0,13. При этом, погрешность контроля г! = 87 %. Истинное содержание ферропримесей в исследуемом песке превышает результат стандартного однооперационного магнитоконтроля в 7,8 раза.

Для кварцевого песка (проба № 1, № 2) и полевого шпата при выполнении трех операций магнитоконтроля ферропримесей погрешность такого контроля составляет 12...30 %, а при выполнении одной операции — 47...65 %.

Таким образом, количественный анализ убедительно подтверждает критические замечания по поводу погрешностей стандартных методов системы магнитоконтроля ферропримесей сырья строительных материалов. Предлагаемый опытно-расчетный метод магнитоконтроля способствует развитию системы надёжного магнитоконтроля ферропримесей такого сырья.

Что касается используемых магнитных систем (сепараторов) для удаления железистых примесей из сырья, то для них практически отсутствуют развернутые базовые характеристики индукции поля в рабочих зонах (эти характеристики должны быть паспортными). Данная ситуация является сдерживащим фактором прогресса в системах магнитной сепарации ферропримесей сырья.

Базовыми характеристиками модулей являются пошаговые (по мере удаления х от контрольной точки, например, поверхности магнита) характеристики напряженности Н или, с учетом магнитной константы fio —данные индукции В ~ fiQ-H между магнитными элементами.

В работе получены характеристики индукции модулей, состоящих из двух противостоящих магнитных элементов, отстоящих друг от друга на расстоянии 13... 33 мм.

Хотя в модуле из двух противостоящих магнитных элементов поле усиливается по сравнению с полем одиночного модульного элемента, тем не менее, по мере увеличения межполюсного расстояния b уровень индукции в модуле снижается, причем существенно (более, чем в 2 раза) за счет «разобщения» полей, создаваемых противостоящими магнитными элементами. Данные по степени превышения индукции В (между двумя элементами É' по сравнению с одним элементом É) по мере изменения х и b показаны на рис.7.

Для удаления ферропримесей из керамических суспензий отдается предпочтение системам магнитной очистки фильтрационного типа (фильтр-сепараторам картриджного варианта). Непосредственным рабочим органом таких систем является подвергаемая намагничиванию фильтрующая среда-матрица (засыпка мелких ферромагнитных шаров), выполняющая функцию «поглощающего экрана» ферропримесей при пропускании через нее керамической суспензии. В разветвленных поровых каналах этой фильтр-матрицы

В"/В' 2

1,5 1

ч. V ' 4

1 ---

2 4 6 8 10 12 14 16 Х,ММ

в/в„» 0,8 0,6

0,4

0,2

0,1

[-Її»4 «

О

Рисунок 7 - Превышение данных индукции поля в модуле из двух противостоящих магнитных элементов в сравнении с данными индукции поля в модуле из одного элемента; 1 -Ь=\Ъмм, 2- 18 мм, 3-23 мм, Л-29мм, 5-33 мм.

о 5 10 15 20 25 30 х,мм

Рисунок 8 - Характеристика относительной магнитной индукции в радиальном направлении фильтр-матрицы диаметром 120 мм (с центром на поверхности магнитного блока) при ее различной длине (54-74 мм).

обеспечивается захват феррочастиц.

При использовании такой системы важным является вопрос об уровене намагничивания фильтр-матрицы в «благоприятных» и «неблагоприятных» для этого зонах, т.е. слоях фильтр-матрицы, находящихся вблизи, либо в отдалении от магнитного блока и его полюсных наконечников (периферийных слоях). Оперируя относительными данными средней индукции В/Втах, за величину сравнения (Втах) целесообразно принять значение индукции в точке, наиболее приближенной к магнитному блоку. На рис. 8 показаны относительные данные средней индукции поля в фильтр-матрице кольцеобразной формы, полученные в ее радиальном направлении. Выбираемые значения параметров, таких как диаметр фильтр-матрицы (£>=74-120 мм), ее длина (54-74 мм), с которой согласовывалась и связанная с ней совокупная длина магнитного блока из магнитных элементов (диаметром 25 мм и толщиной 10 мм, а также два полюсных наконечника толщиной по 17 мм), соответствовали значениям этих параметров для реальных систем.

Было выяснено, что с увеличением диаметра фильтр-матрицы £) заметно увеличивается «перепад» между средними значениями индукции поля В/Втшс в фильтр-матрице вблизи магнитного блока и в периферийной области. Так, если для диаметра £>=74 мм величина В/Втах снижается на 15-20 %, то для диаметра £>=98 мм это снижение - 40-50 %, а для диаметра £>=120 мм - 50-60 %. В последнем случае периферийные слои фильтр-матрицы находятся в заметно худших условиях намагничивания, что должно учитываться при создании и развитии систем подобного типа.

В поровых каналах фильтр-матрицы, где проходит очищаемая от ферро-примесей среда, получение характеристики индукции поля считается достаточно сложной задачей из-за малых размеров этих пор. Её можно получить по известной напряженности намагничивающего поля, создаваемого внутренней (или внешней) системой магнитных элементов. На основании получающей распространение модели поканального намагничивания гранулированной сре-

ды появляется возможность решить задачу определения напряженности к и индукции В в модульной поре (при той или иной напряженности намагничивающего поля Н) в зависимости от расстояния г до точки контакта гранул-шаров радиуса Я\ пример такой характеристики показан на рис.9.

В,Тл

0,4 0,3 ОД ОД

ОД ОД 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 r/R

Рисунок 9. - Пример характеристики индукции поля между шарами (ее изменения по мере удаления от точки контакта шаров).

Эта модель разработана для идеального случая выпрямленных цепочек гранул-шаров. При извилистой цепочке гранул-шаров магнитный поток проходит сквозь такую цепочку практически без потерь вплоть до угла извилистости 30-40 . Реальная (средняя) извилистость цепочек гранул-шаров в гранулированной среде-засыпке ранее не оценивалась. А это ставит под сомнение возможность полноценного использования здесь базовой расчетной модели.

Для классической кубической структуры гранул-шаров коэффициент извилистости к= 1, так как цепочки шаров в направлении трех осей координат являются выпрямленными. А в модельной структуре, которая по объемной концентрации гранул-шаров и координационному числу наиболее близка к структуре засыпки шаров, прямые цепочки формируются в направлении двух осей (здесь ¿=1). В направлении еще одной оси соответствующие цепочки гранул-шаров являются извилистыми, как показывает расчет - со значением коэффициента извилистости £=1,15. Следовательно, можно принять усредненное значение к= 1,05. Тогда средний «угол извилистости» цепочек гранул-шаров в принятой модельной (упорядоченной) гранулированной среде, составляет порядка а = 18 Значит, и в среде из естественно упакованных шаров (засыпке) при кажущейся видимости «сильной» извилистости цепочек гранул коэффициент извилистости, достигая локально значений £=1,15 (а=30°), в среднем составляет всего лишь к= 1,05, а угол извилистости - а~ 18°, что намного меньше того угла (а=30-40°), при котором начинает ощущаться снижение магнитного потока сквозь цепочку гранул. А это оправдывает использование модели поканального намагничивания для получения соответствующих развернутых характеристик поля в системах магнитного удаления ферропри-месей керамических суспензий.

Промышленные испытания магнитного сепаратора фильтрационного типа для удаления ферропримесей из керамической глазури показали, что брак керамической плитки снизился на 2,3% (от общего объема выпуска), что в финансовом эквиваленте составляет 145 тыс.евро в год.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована возможность снижения брака керамической плитки и стекла за счет применения достоверного контроля ферропримесей в сырьевых компонентах и их эффективного удаления с помощью магнитных сепараторов с расчетными характеристиками магнитного поля в рабочих модулях.

2. Разработаны и внедрены рекомендации по снижению дефектов изделий из керамики и стекла, вызываемых ферропримесями на заводах по производству керамической плитки и стекла.

3. Разработана модель, позволяющая на основе экстраполяции данных, получаемых при магнитоконтроле, определять суммарную массу всех присутствующих в пробе ферропримесей.

4. Предложен и реализован расчетно-экспериментальный метод определения общей массы ферропримесей и их массовой доли. Количественно оценена погрешность содержания ферропримесей при проведении магнитоконтроля существующими стандартными методами.

5. Установлен критерий оценки массы вовлекаемых частиц анализируемой среды для корректировки получаемых зависимостей при магнитоконтроле.

6. Получены зависимости магнитной индукции (а также ее относительных значений) от расстояния до магнитного элемента в различных модулях магнитных сепараторов (в том числе применен принцип суперпозиции полей, создаваемых магнитными элементами модуля).

7. Для магнитных сепараторов с фильтрующей матрицей установлен коэффициент извилистости цепочек шаров матрицы для уточненного расчета характеристик магнитного поля..

8. Результаты внедрены на предприятиях ЧАО «Интеркерама», ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла». Общий экономический эффект от внедрения составил 7,8 млн. рублей.

Список основных публикаций по результатам исследований

1. Сандуляк A.B., Сандуляк A.A., Ершов Д.В. и др. Магнитная сепарация сырья для производства стекла и керамики. Проблемы контроля железистых примесей // Стекло и керамика. - 2012. - № 6. - С.29-34 (в перечне ВАК).

2. Сандуляк A.B., Орешкин Д.В., Сандуляк A.A., Ершов Д.В. и др. Результаты нелимитированного сканирующего магнитоконтроля ферропримесей кварцевого песка // Строительные материалы. - 2012. - № 4. - С. 80-83 (в перечне ВАК).

3. Ершов Д.В., Сандуляк A.A., Ершова В.А. и др. Совершенствование метода магнитоконтроля ферропримесей сырья стеклянных и керамических стройматериалов для оценки его качества и эффективности магнитной сепарации / Тр. науч.-практ. конф. «Общество, современная наука и образование: проблемы и перспективы». - Тамбов: 2012. - С. 59-60.

4. Сандуляк A.B., Сандуляк A.A., Ершов Д.В. и др. О новых принципах актуализации регламентов магнитоконтроля ферропримесей сырья стройматериалов (на примере кварцевого песка) // Промышленное и гражданское строительство. - 2013. - № 2. - С. 68-72 (в перечне ВАК).

5. Сандуляк A.A., Ершов Д.В. и др. Опытно-расчетный (с функциональным прогнозом) метод магнитоконтроля ферропримесей сырья для производства стекла и керамики // Российский ежегодник сухих строительных смесей. -2012. М„ 28 и 29.11.2011 (Российские дни ССС). С.86-91.

6. Сандуляк A.B., Сандуляк A.A., Ершов Д.В. и др. Магнитоконтроль железистых примесей сырья как метод прямого контроля результативности работы магнитных сепараторов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2012. - № 8. - С. 27-29.

7. Сандуляк A.B., Ершов Д.В., Сандуляк A.A. и др. Роль фактора вовлечения частиц песка при реализации метода магнитоконтроля ферропримесей // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2013. - № 1. - С. 31-35.

8. Сандуляк A.A., Ершова В.А., Ершов Д.В. и др. О свойствах «коротких» гранулированных магнетиков с неупорядоченными цепочками гранул: поле между гранулами // Физика твердого тела. - 2010, Т.52, Вып.Ю. - С.1967-1974 (в перечне ВАК).

9. Сандуляк A.A., Полисмакова М.В., Ершов Д.В. и др. Различные подходы к идентификации пассивных зон в рабочем объеме магнитного сепаратора // Законодательная и прикладная метрология. - 2010. - № 6. - С.23-29 (в перечне ВАК).

10. Сандуляк A.A., Полисмакова М,Н., Ершова В.А., Сандуляк A.B., Ершов Д.В. Характеристики зон захвата ферропримесей в магнитных очистных аппаратах // Известия МГТУ «МАМИ». - 2009. - № 2(8). - С. 151-160 (в перечне ВАК).

11. Сандуляк A.A., Полисмакова М.Н., Свистунов Д.И., Сандуляк A.B., Ершов Д.В. и др. Контроль ферропримесей пробными, экстраполируемыми операциями магнитофореза // Известия МГТУ «МАМИ». - 2010. - № 1(9). - С.188-198 (в перечне ВАК).

12. Сандуляк A.A., Свистунов Д.И., Полисмакова М.Н., Сандуляк A.B., Ершова В.А., Ершов Д.В. и др. «Экстраполируемая цепочка» магнитных тест-фильтров как средство контроля ферропримесей // Законодательная и прикладная метрология. - 2010. - № 3. - С. 26-39 (в перечне ВАК).

13. Сандуляк A.A., Полисмакова М.Н., Ершов Д.В. и др. Функциональная экстраполяция массово-операционной характеристики магнитофореза как основа прецизионного метода контроля феррочастиц // Измерительная техника. -2010. - № 8. - С. 57-60 (в перечне ВАК).

14. Патент РФ № 93305. Устройство для определения содержания в текучей среде магнитно-восприимчивых примесей (варианты). Сандуляк A.A., Полисмакова М.Н., Свистунов Д.И., Сандуляк A.B., Ершова В.А., Полисмаков К.С., Ершов Д.В. и др.

15. Патент РФ № 2411084. Способ идентификации пассивных зон в рабочем объеме магнитного сепаратора. Сандуляк A.B., Сандуляк A.A., Пугачева М.Н., Ершова В.А., Ершов Д.В. и др.

Подписано в печать 22.05.13г. Формат 60X80 1/16 Печать офсетная И - 55 Объем 1,25 п.л. Т. 150 Заказ 105

Издательство КЮГ 127273, Москва, ул. Березовая аллея, д.5, стр. 7 Тел.:+7 (925) 514 27 97 E-mail: polieksp@mail.ru