автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Вибрационно-центробежный гранулятор для формования композиционных смесей

На правах рукописи

Шкарпеткин Евгений Александрович

ВИБРАЦИОННО-ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ГРАНУЛЯТОР ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ СМЕСЕЙ

05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

б МАР 2013

005050441

Белгород - 2013

005050441

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Севостьянов Владимир Семенович

Официальные оппоненты: Вайтехович Петр Евгеньевич -

доктор технических наук, профессор, «Белорусский государственный технологический университет», заведующий кафедрой «Машины и аппараты химических и силикатных производств».

Латышев Сергей Сергеевич -

кандидат технических наук, доцент,

«Белгородский государственный

технологический университет

им. В.Г. Шухова», заведующий кафедрой

«Начертательная геометрия и графика».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тверской государственный

технический университет», г. Тверь.

Защита диссертации состоится «22» марта 2013 г. в 10°° на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» (308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, главный корпус, ауд. 242).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова».

Автореферат диссертации

Ученый секретарь диссертационного совета

разослан «21» февраля 2013 г.

* ^ В.А. Уваров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Во многих отраслях промышленности процессы производства продукции сопровождаются образованием различных техногенных материалов, в том числе в виде тонкодисперсной пыли, использование которой в данном состоянии затруднительно.

Применение технологии гранулирования позволяет получать агломераты заданного размера, формы и необходимых физико-механических характеристик, что уменьшает их потери при транспортировке, хранении и переработке, а также улучшает технико-экономические показатели дальнейшего использования.

Гранулированные техногенные материалы нашли широкое применение при производстве строительных материалов и изделий различного назначения, в том числе при производстве теплоизоляционных материалов.

Процесс формования материалов осуществляется различными способами (окатыванием, экструдированием, прессованием, вибровоздействием и др.). Каждый из указанных способов обладает своими преимуществами и технологической целесообразностью, учитывающей дальнейшее использование сформованных тел. Исходя из этого, отдается предпочтение тем или иным аппаратам, реализующим выбранную технологию формования.

Однако существует категория материалов, гранулирование которых в традиционных аппаратах (барабанных, тарельчатых и др.) затруднительно или связано с высокими энергозатратами. Для таких материалов характерны: высокая удельная поверхность, низкая насыпная плотность, высокая водопоглощающая способность и др. К материалам с указанными свойствами относятся: пылеунос обжиговых печей цементного, известкового, вермикулитового, перлитового и др. производств.

Одним из путей совершенствования оборудования для гранулирования является создание машин, обеспечивающих возможность управления процессом гранулирования на разных его стадиях, а так же реализации других технологических операций (микрогранулирование, классификация, упрочнение поверхностного слоя, сушка и др.) внутри агрегата. Это позволяет получать сформованные тела с заданными геометрическими размерами и физико-механическими характеристиками. Поэтому разработка и создание новых типов грануляторов, учитывающих указанные выше свойства гранулируемых материалов, является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка вибрационно-центробежного гранулятора для формования композиционных смесей, методик расчёта его конструктивно-технологических и энергетических параметров.

Задачи исследований:

1. Провести анализ существующих технологий и технических средств для гранулирования порошкообразных материалов, а также возможных путей их совершенствования.

2. Разработать механическую модель постадийного процесса гранулирования композиционных смесей.

3. На уровне изобретения разработать конструкцию вибрационно-центробежного гранулятора.

4. Исследовать основные закономерности процесса вибрационно-центробежного гранулирования порошкообразных материалов с различными физико-механическими характеристиками.

5. Изучить влияние конструктивно-технологических параметров вибрационно-центробежного гранулятора на эффективность процесса гранулирования, выявить рациональные режимы его работы.

6. Разработать методику расчёта основных конструктивно-технологических и энергетических параметров вибрационно-центробежного гранулятора.

7. Провести опытно-промышленную апробацию и внедрение научно-технических разработок в производство. Определить технико-экономическую эффективность выполненных разработок.

Научная новизна:

- разработана механическая модель процесса гранулирования композиционных смесей, отражающая общие закономерности его реализации;

- получены аналитические зависимости, описывающие процесс формования композиционных смесей в вибрационно-центробежном грануляторе;

- разработана методика расчета основных конструктивно-технологических и энергетических параметров новой конструкции вибрационно-центробежного гранулятора с учетом физико-механических характеристик формуемых материалов;

- получены регрессионные зависимости, позволяющие определить режимно-технологические параметры работы вибрационно-центробежного гранулятора.

Практическая ценность работы заключается в разработке патентно-защищенной конструкции вибрационно-центробежного гранулятора для формования композиционных смесей, методики расчёта его конструктивно-технологических и энергетических параметров, а также технологии получения гранулированных заполнителей для производства теплоизоляционных изделий на их основе.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на VI

международной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов», Украина, г. Харьков ХПИ, 2009 г.; II международной научно-практической конференции, «Наука и современность - 2010», г. Новосибирск 2010 г.; Международной научно-практическая конференция «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов», г. Белгород, 2010 г.; Международной научно-технической конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии», Беларусь, г. Минск 2010 г.; Международной заочной научной конференции «Актуальные вопросы технических наук», г. Пермь 2011 г.; Международной молодежной конференции «Экологические проблемы горнопромышленных регионов», г. Казань (КНИТУ), 2012 г.

Реализация работы. С использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований был изготовлен опытно-промышленный вибрационно-центробежный гранулятор, проведены его опытно-промышленные испытания в условиях ООО «Чистовод» и ООО «Бентопром». Годовой экономический эффект от использования вибрационно-центробежного гранулятора (ООО «Бентопром») составил 237,25 тыс. руб.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и патент РФ на изобретение.

Автор защищает:

1. Механическую модель процесса постадийного гранулирования композиционных смесей, характеризующую общие закономерности его реализации.

2. Разработанную на уровне изобретения конструкцию вибрационно-центробежного гранулятора, реализующую постадийный процесс гранулирования материалов.

3. Методику расчёта постадийного процесса гранулирования материалов в вибрационно-центробежном грануляторе.

4. Результаты теоретических исследований по изучению рациональных конструктивно-технологических и энергетических параметров гранулятора.

5. Результаты регрессионного анализа при изучении основных закономерностей процесса гранулирования композиционных смесей с различными физико-механическими характеристиками и режимов работы вибрационно-центробежного гранулятора.

6. Результаты опытно-промышленных испытаний вибрационно-центробежного гранулятора и технологического комплекса для производства гранулированных теплоизоляционных заполнителей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Общий объем работы 209 страниц, в том числе: 56 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 170 наименований и приложения на 43 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, указана научная новизна, практическая ценность и изложены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. В этой главе проведен анализ методик расчета и исследований процесса гранулирования, изложенных в работах ученых В.И. Коротича, П.В. Классена, И.Г. Гришаева, М.Б. Генералова, JI.M. Сулименко, B.C. Севостьянова, Т.Н. Ильиной и др., что позволило определить направление развития техники и технологии гранулирования. Анализ существующих конструкций грануляторов показал, что к наиболее перспективным видам относится оборудование вибрационного и центробежного типов. Однако они имеют ряд недостатков: сложность конструкции; однотипность движения рабочих органов; сложность в управлении процессами на разных стадиях формования, что ограничивает их функциональные возможности. Одним из путей совершенствования данного оборудования, является реализация различных режимов гранулирования в одном аппарате. Определены цель и задачи исследований.

Глава 2. По результатам анализа современного уровня развития техники и технологии гранулирования установлено, что процесс гранулирования целесообразно осуществлять в следующей последовательности: удаление газообразной фазы, формирование уплотнённой структуры частиц (1 стадия) и центров гранулообразования (микрогранул) (2 стадия), динамическое гранулообразование в водопадном, каскадном или другом режиме с последующим упрочнением поверхностного слоя гранул (3 стадия).

Для описания цикла структурной перестройки порошкообразной системы при постадийном процессе гранулообразования разработана механическая модель, составленная из тел Максвелла, Кельвина с элементом Сен-Венана и тела Бингама.

Постадийный процесс упруго-вязко-пластического деформирования материала описывается выражением

£(0 =£/+£//+£///, (1) где еь £№ £цГ - относительная деформация слоя деформируемого материала на 1й, 2й и Зй стадиях его формования, соответственно.

Или:

Р, Р, Е0 %

.ffak. (2) ^SÍnÁs

где tj0, r¡¡, r¡¡ - вязкость капиллярной, поровой и коагуляционно-структурированной поровой жидкости, Пас, соответственно; t¡, t2, t¡ -время формования материала на разных стадиях, с; Е0 - модуль упругости Гука, Па; ff - давление формования, Па; Т>г - давление формования микрогранул, Па; E¡, Е2 - модули упругости микрогранул и поровой жидкости, Па, соответственно; Т2 - предел текучести микрогранул, Па; еf - сдвиговая деформация при полной перекомпоновке частиц; /Э - предельное давление уплотнения гранул, Па; Рк - напряжение сдвига частиц в грануле, Па; As - предельный угол перекашивания элемента S, град.

Техническим решением для удаления газообразной фазы из формуемого материала и получения микрогранул может служить вибровалковый способ (рис.1).

На процесс предварительного уплотнения формуемого материала большое влияние оказывают его физико-механические параметры: сыпучесть, зависящая от его влажности, гранулометрического состава и формы частиц; коэффициенты внутреннего и внешнего трения; скорость удаления газообразной фазы и др.

Массовый расход материала при его микрогранулировании с учетом закона сохранения массы G4>GU¿P будет равен

= (3)

где В - ширина формующих валков, м. Значение минимальной скорости микрогранулирования может быть получено из следующего выражения:

? (4)

где q - удельный массовый расход, кг/м2 с.

Максимальное значение скорости микрогранулирования ,9 ограничивается

скоростью фильтрации газообразной фазы, движущейся навстречу уплотняемому слою порошкообразного материала и

затрудняющей его доставку в зону уплотнения между валками. Критическая скорость фильтрации газообразной фазы через слой порошкообразного материала ограничивает значение 9игр и определяется значением критерия

Рейнольдса. Таким образом, при разработке конструктивно-технологических решений процесса микрогранулирования

Рис. 1. Схема к расчету процесса

предварительного уплотнения шихты: 1,2- уплотняющие валки; 3- виброжелоб, 4- вибратор.

порошкообразных частиц в устройствах валкового типа необходимо соблюдать условие < 9ф < 9м ,р

Изучение процессов деформации порошкообразных материалов и их релаксации после снятия напряжения позволило установить выражение для определения необходимого времени упругой релаксации материала:

г^р =(\па0-\па,)в/\п( , (5)

где ад - начальное напряжение, Н/м2; о> - текущее напряжение в слое формуемого материала, Н/м2; в - период упругой релаксации формуемого материала, с; £ - длина площади контакта между валками, м.

С учетом свойств материала формующих валков (Ефв - модуль упругости, /л - коэффициент Пуассона), радиуса валков получено

выражение для расчета времени уплотнения и деформации порошкообразного материала при смещающем усилии Р, н/м.

= (2 / яг ■■ пф.) х ^Р(\-цг)1ж-Еф,-Пф,. (6)

При условии Тупрр^Ту^а^Тф и с учетом условий, необходимых для обеспечения упругой релаксации материала, из данного выражения определяется частота вращения формующих валков, пф с

Для эффективной реализации процесса гранулирования, кроме удаления из шихты газообразной фазы и ее микрогранулирования, необходимо обеспечить: вибрационное уплотнение и классификацию материала; последовательное формование гранул в водопадном, водопадно-каскадном или каскадном режимах с получением сформованных тел сферической формы и упрочненным поверхностным слоем.

С целью реализации данной задачи была разработана конструкция гранулятора, включающая, кроме устройства предварительного уплотнения, кривошипно-ползунный механизм, обеспечивающий заданное движение рабочих камер. На рис. 2 представлена схема рычажного механизма вибрационно-центробежного гранулятора (ВЦГ). Блок гранулирования включает три формующих барабана, которые жёстко закреплены на подвижной раме. Каждый барабан совершает движение по индивидуальной траектории за счёт того, что рама, на которой они установлены, в нижней части шарнирно соединена с кривошипами, а в верхней - с ползунами, движущимися по вертикальным направляющим. Точка С является местом крепления верхнего барабана, точка В - среднего барабана, точка А - нижнего барабана.

Для изучения кинематики движения рабочих органов были составлены функции положения основных точек звеньев рычажного механизма. Получены уравнения, описывающие движения, совершаемые верхним, средним и нижним барабанами, что определяет характер воздействия на находящийся в них материал.

В

зависимости Yf

от

К'-

гранулам, ослаблять

Рис. 2. Схема рычажного

механизма ВЦГ: 1 - кривошип, 2 - шатун, 3 - ползун.

требований, предъявляемых к целесообразно усиливать или величину ударного, ударно-окатывающего или окатывающего воздействия на гранулируемый материал (водопадного, водопадно-каскадного, каскадного режима гранулирования).

В связи с этим были введены следующие параметры: коэффициенты контактного напряжения (К„ , К ), определяющие

"в ТВ

соотношения касательных (т) и нормальных (о) напряжений при контактном взаимодействии гранулируемых частиц, при различном расположении точки В по длине АС и, соответственно, различном соотношении плеч LAb, LBc Lac .

— I Lac ; К - LBCI Lac •

(7)

При смещении точки 1срепления среднего барабана (точки В) в сторону точки С возрастает величина LAB и усиливается ударное воздействие на гранулируемые частицы, а при смещении в сторону точки А - ослабевает. Таким образом, при LBC= 0 и LAC= LAB значение к =ma>

К =min или Lab=0 и LBc=LAc значение к = min , /<Г = max •

Гд ТВ "е

В зависимости от необходимости усиления воздействия нормальных или контактных напряжений на гранулируемый материал в барабане агрегата, в его конструкции предусмотрена возможность перемещения среднего барабана (точка В) вверх или вниз по длине шатуна (АС).

Последней стадией формования материала в ВЦГ является процесс придания гранулам сферической формы и упрочнение их поверхностного слоя. Для определения рационального профиля камеры гранулирования целесообразно установить характер изменения скорости vv (м/с) в направлении оси Z с учётом условий несжимаемости материала.

Получено значение скорости сдвиговых деформаций слоя гранул по ширине камеры гранулирования:

= 2 Л7Н

(е+Я,

(ехрД,„ - expíií. г • Д. „ ))

/[І-ехр^й.,,)/^/?...,,)]2

(8)

где е - эксцентриситет эксцентрикового вала, м; Якгр - радиус камеры гранулирования, м; Вкгр - ширина камеры гранулирования, м.

Анализ полученного уравнения показывает, что скорость сдвиговых деформаций слоя гранул по ширине камеры гранулирования изменяется по параболическому закону с экстремальным значением в центральной

части камеры. При Вкгр.,=0 и ВкгргВк^, соответственно, «„=0. Это, в свою очередь, свидетельствует о целесообразности создания условий гранулирования с более равномерным изменением значений ор по ширине камеры, что обеспечивается при использовании тороидального профиля камеры гранулирования.

При реализации процесса гранулирования материала в ВЦГ суммарная потребляемая мощность привода включает в себя: Ммгр. -затрачиваемую на уплотнение и микрогранулирование смеси в валковом устройстве; Мфгр - расходуемую на процесс формования гранул, при заданных траекториях движения барабанов агрегата.

^ВЦГ = 111 + ' Пг ) (9)

где г\ь ц2 - соответственно, КПД приводов устройства предварительной подготовки и блока гранулирования (трех барабанов) агрегата.

Мощность привода валкового устройства для уплотнения и микрогранулирования материала Ымгр определяется крутящими моментами, необходимыми для преодоления сопротивления вращению Мс.ер, от действия максимального давления уплотнения шихты Р^ =рам(Их) и момента сопротивления трению Мтр, возникающего в подшипниковых опорах валков, а также значениями угловой скорости вращения валков сов.

Максимальный крутящий момент, затрачиваемый на преодоление сопротивлений вращению м™р > определяется значением горизонтальной

составляющей силы ~Ра„,тах на среднем радиусе валка Яср . Учитывая площадь силового воздействия 8ао1д на поверхности валка /упл

= «/,„ = -(0,5^-М«„)2 5 (10)

и считая вторую величину подкоренного выражения незначительной, а так же полагая дг,в = 0Д//„ -/г„.т) и На = 2Яср(\-собог,,) + получим

*С -^„вя1,,,. (11)

Момент сопротивления трению Мтр, возникающий в подшипниковых опорах валков, определяется значениями результирующей СИЛЫ Оре-1 от действия силы р^ и силы тяжести Ов

уплотняющего валка.

С учетом сощ)2+01в или +С2В -ЗД>(12)

где ГПр - приведенный коэффициент трения качения, ^=0,001; Д,-диаметр цапфы валка, м; <рв - угол наклона оси центров валков к горизонтали, град.

При выборе частоты вращения валков устройства для предуплотнения и микрогранулирования материала целесообразно учитывать условия формования материала и его физическое состояние.

Полученные ранее граничные условия (тупрр<ту^чд>тф) позволяют установить рациональные значения частоты вращения валков Пф.&. Тогда, с учетом значения пф&, установленных значений м™р (11) и Мтр (12),

общее аналитическое выражение для определения мощности привода можно представить в виде

Для определения мощности привода ВЦГ, затрачиваемой на процесс гранулообразования и упрочнения поверхностного слоя гранул, необходимо знать значения момента сил сопротивления, возникающих в процессе работы агрегата, приведённых к входному звену механизма.

(И)

где Мссум - суммарный момент сопротивления, приведенный к входному звену механизма, Нм; со3 - угловая скорость звена приведения (эксцентрикового вала), рад/с.

Приведенный момент сопротивления, в свою очередь, определятся силами тяжести кинематических звеньев механизма: эксцентрикового вала, блока гранулирования (подвижной рамы, камер гранулирования с закреплёнными в них внутренними устройствами, торообразных камер), системы контргрузов, их скоростных параметров и инерционных сил.

= (G, - У„ ■ cos аи + Gejl>J ■ V6lpJ • cos a2l + F6lpJ ■ V6ípJ • cos a3l + > (15)

+ M6,pl ■ aSjpi + 2 • Gnp, ■ V„p • cos a4, + 2 • Fnp ■ Vnp ■ cos a}) / a, где G3, GS;p., Gnp - соответственно, силы тяжести эксцентрикового вала, блока гранулирования и противовесов, Я; V3i , У6грА , V,,p¡ -соответственно, скорости центров масс эксцентрикового вала, блока гранулирования и противовесов для /-го положения механизма,м/с\ Fc-, ,p„ F„p,¡ - соответственно, силы инерции блока гранулирования и противовесов для /-го положения механизма, Я; М6_грЛ - момент сил инерции блока гранулирования для i-го положения механизма, Ям; a¡¡, а2„ а3„ а4„ a¡, - соответственно, углы между векторами: G3 и V3t; Сб.гр. и K6rp.¡; Ffi.rp.i и V6,v í; Gnp. и Кпр.; Fnp. и Vnp, град; а>э, со6гр, -соответственно, угловые скорости эксцентрикового вала и блока гранулирования, рад/с.

Производительность валкового устройства для предварительного уплотнения и микрогранулирования материала QM.cp. при условии Qu.¿p.-Q?p. определяется по формуле:

б«,,. = тгпв = В1імгриврмгр(рж

(16)

где т - масса микрогранулы, кг; г - количество ячеек на формующей поверхности валков, гит; пв - частота вращения валка, с2; ив- средняя скорость вращения валка, м/с; р.и гр - плотность микрогранул, кг/м3; <р„сп -коэффициент использования рабочей поверхности валков.

Значение фит определено как отношение суммарной площади ячеек на поверхности валка к площади его боковой поверхности с учетом площади одинарной ячейки 8ЯЧ.

<Рисп ~ бок ~ $г

г!лВвВ

(17)

Тогда выражение (16) окончательно имеет вид

кг/с. (18)

Глава 3. В данной главе представлен план, программа, а так же методики проведения экспериментальных исследований. Обоснован выбор используемых для экспериментов материалов: пыль перлитового (ППП), цементного (ППЦ) и известкового (ППИ) производств.

Дано описание стендовой установки гранулятора с прозрачными барабанами, разработанной и изготовленной для изучения влияния конструктивных особенностей агрегата на процесс постадийного гранулирования, кинематических параметров на процесс движения материала в различных барабанах гранулятора, а так же для изучения режимов его работы.

Разработана конструкция вибрационно-центробежного гранулятора (Патент РФ № 2412753) (рис.3).

Рис.3. Конструкция вибрационно-центробежного гранулятора: 1 - станина; 2 - загрузочный бункер; 3 - приводной вал; 4- прессующие валки; 5 - привод; 6-опорные стойки; 7 - вертикальные направляющие; 8 - ползуны; 9 - шарниры; 10 - рама подвижная; 11 - эксцентриковые валы; 12 - опоры; 13 - промежуточный вал; 14 - зубчатая передача; 15, 16, 17 - цилиндрические барабаны; 18 - центральная перегородка; 19 - разгрузочные окна; 20 - вибролотки; 21, 23 - эластичные патрубки; 22, 24 - усеченные конусы; 25 - горообразные камеры; 26 - разгрузочные устройства

Данная конструкция гранулятора обеспечивает выполнение следующих технологических функций:

• удаление газообразной фазы из увлажнённой порошкообразной смеси и её микрогранулирование;

• вибрационное уплотнение формирующегося гранулята, транспортирование и, при необходимости, его классификацию (в верхнем формующем барабане);

• вибрационно-центробежное формование и упрочнение гранулята в водопадно-каскадном режиме (в среднем формующем барабане);

• центробежное формование и упрочнение гранул в каскадном режиме (в нижнем формующем барабане);

• поверхностное упрочнение полученного гранулята и придание продукции товарного вида (центробежное окатывание гранул в торообразных камерах с повышенной степенью свободы формуемого материала).

Представлена методика обработки результатов экспериментальных исследований. При многофакторном планировании экспериментов был использован центральный композиционный рототабельный план второго порядка (ЦКРП-2") полнофакторного эксперимента (где п - число независимых переменных).

Глава 4. Представлены результаты экспериментальных исследований по изучению физико-механические свойств порошкообразных материалов и условия их формования.

Установлено, что максимальная пластическая прочность для пыли цементного производства достигается при влажности XV = 30-32 %, для пыли известкового производства — \У= 22-26 %, для вспученного перлитового песка и некондиционной пылевидной фракции при влажности более 52-54%.

Изучен процесс уплотнения исследуемых порошкообразных материалов. Установлено, что уплотнение происходит по условно выделенным трем стадиям. На первой стадии, при малом давлении (до 1 МПа), уплотнение составляет до 30%. При этом происходит удаление газообразной фазы между твердыми частицами. На второй - происходит фильтрация жидкой фазы, заполнение пустот материала с преимущественно пластической деформацией частиц сыпучей массы. Степень уплотнения составляет 30 - 40%, а прилагаемое давление возрастает (до 1-3 МПа). На третьей стадии степень уплотнения достигает 40 - 60 %, пластические деформации переходят в упругие и сопровождаются резким увеличением давления (до 3-10 МПа).

Определены рациональные составы гранулируемых композиционных смесей (% масс, на сухую часть): на основе пыли перлитового производства и строительного гипса (111111 - 42 - 47;

бентонит - 13 - 17; гипс - 13 - 17; жидкое стекло - 23 - 26), на основе пыли перлитового и цементного производства (111111 - 32 - 36; ППЦ - 24 -30; бентонит - 13 - 17; жидкое стекло - 23 - 26). Данные смеси были использованы для проведения экспериментальных исследований на ВЦГ.

Разработана и изготовлена опытно-промышленная установка ВЦГ (рис.4), имеющая следующие технические характеристики: диаметр

формующих валков Di =0,26 м и D2 =0,18л<, их ширина В[ = В2 = ОД м; зазор между валками h = (1-5)*10'3 м; частота вращения валков пв = 50 - 200 об/мин; диаметр цилиндрических барабанов D|=D2=D3=0,15 м, их длина - L i = L2=L3=0,50 м; диаметр торообразных камер Dn = DT2 = 0,24 м; частота вращения эксцентриковых валов -пэ = 100 - 500 об/мин; эксцентриситет -6=20*103 м.

Представлены результаты изучения процесса постадийного гранулирования композиционных перлитосодержащих смесей с низкой насыпной плотностью (200 - 400 кг/м3) в ВЦГ.

Для исследования режимов работы агрегата использовалось математическое планирование многофакторного эксперимента. В качестве варьируемых факторов были приняты следующие конструктивно-технологические параметры: частота вращения эксцентрикового вала п= 200-400 об/мин; коэффициент загрузки ср = 0,06 - 0,14; коэффициент предварительного уплотнения шихты Куп„ = 1,5 - 3,5, влажность шихты IV = 50 - 58 %. В качестве функций отклика на воздействие факторов были приняты: насыпная плотность сухих гранул р, кг/м3; прочность на сжатие в цилиндре, с;сж, МПа; количество гранул кондиционной фракции q,%.

После соответствующей математической обработки были получены регрессионные зависимости для определения указанных выходных параметров в кодированном и натуральном видах. Анализ полученных уравнений регрессии и построенных по ним графических зависимостей позволил установить основные закономерности процесса гранулирования перлитосодержащих смесей. Из анализа полученных уравнений регрессии было установлено, что наибольшее влияние на процесс гранулирования оказывает частота вращения и степень заполнения барабанов. Коэффициент уплотнения (Кут) и влажность шихты {W, %) изменяются в зависимости от характеристик формуемого материала.

На рис.5 представлены наиболее характерные зависимости парных взаимодействий указанных параметров на выходные величины.

Рис.4. Опытно-промышленная установка ВЦГ.

Дпя композиционной смеси на основе пыли перлитового и цементного производства

:оа

250

II, об мни

п. оо-.\пт

Зависимость плотности = /(п.. ф) при Кум, = 2,5, = 54 %

Зависимость прочности веж. - /(". Ч>) при Кут = 2,5,\¥ = 54%

Дзд композиционной смеси на основе пыли перлитового производства и строительного гипса

<т МПч

Зависимость прочности оаг = /(п, <р) при = 2,5, W = 54 %.

Зависимость количества кондиционных гранул с/,р = /(п, ср) при А'„,-= 2,5, \У = 54 %.

Рис.5. Графические зависимости парного взаимодействия исследуемых факторов.

Анализ графических зависимостей подтверждает установленные ранее закономерности, а также позволяет выбрать рациональные значения варьируемых параметров (и = 300 - 350 об/мин; <р= 0,10; 1У= 52 -54%; АГупл = 2,5) для наиболее эффективной реализации процесса формования смеси в ВЦГ.

Экспериментально установлено, что гранулятор с заданными техническими характеристиками обеспечивает производительность 2^=50-^-100 кг/ч при с],,, > 80 %. Суммарная потребляемая мощность не превышает ЫВцг =1,8кВт при частоте вращения эксцентриковых валов п=300 - 350 об/мин и коэффициенте уплотнения шихты Купл = 2,0 - 2,5. При этом полученные гранулы имеют следующие характеристики: Огр =3 - 10 мм, рнас = 300 - 350 кг/м3, асж = 0,8 - 1,2 МПа.

Глава 5. По результатам теоретических и экспериментальных исследований были разработаны малотоннажный комплекс для получения перлитосодержащих гранул (рис.6), а так же технологические рекомендации по организации процесса производства гранулированной продукции.

,, пг

УУ-У-У"'"* УУ У/У^УуууУ/У.УУ

4/ і] 11 ¿1 2/ 12'

Рис.6. Схема технологического комплекса для производства перлитосодержащих гранул: ^ 1 - автотранспорт; 2, 3 - бункера накопители; 4, 5 - ячейковые питатели; 6 - шнековый транспортер; 7, 8 - бункера добавок; 9 - лопастной смеситель; 10 - вертикальный шнек; 11-вибрационно-центробежный гранулятор; 12, 14- ленточный транспортер; 13 - агрегат сушильный; 15 - дозатор-упаковщик, 16 - склад готовой продукции.

Были проведены опытно-промышленные испытания гранулятора в составе технологического комплекса при производстве гранулированных теплоизоляционных заполнителей для сухих строительных смесей

Рис.7. Технологический комплекс для производства гранулированных теплоизоляционных заполнителей

(рис.7). В результате испытаний получены гранулы, имеющие

следующие характеристики:

прочность гранул на сжатие в цилиндре 0,29±0,03 МПа, насыпная плотность слоя гранул ЗООкг/м , гранулометрический состав: гранулы размером 0,5- 5 мм - (82±5)%, размером менее 0,5 мм - (18±5)%.

Гранулы использовали для получения теплоизоляционных

покрытий, нанесение которых осуществлялось с помощью торкрет-машины. Покрытия характеризуются высокой адгезией к бетону 1,1... 1,2 МПа. Их прочность на сжатие составляет 1,5-1,6 МПа при толщине слоя 10-30 мм, теплопроводность слоя - 0,08...0,09 Вт/м К. Они имеют высокую стойкость к воздействию воды (водопоглощение < 20%) и морозостойкость не менее 15 циклов.

Проведенные промышленные испытания показали, что использование ВЦГ и разработанной технологии производства теплоизоляционных гранулированных заполнителей обеспечивает: утилизацию пылеуноса перлитового производства; получение поризованных заполнителей заданного качества; использование гранулированного поризованного заполнителя в теплоизоляционных смесях, позволяющих снизить теплопроводность покрытия до Х<0,1 Вт/м-К (по сравнению с базовой «КНАУФ-Грюнбанд» >.<0,35 Вт/м-К);

снижение себестоимости сухой строительной смеси. Проведены так же испытания ВЦГ для получения гранулированных заполнителей для легких бетонов и теплоизоляционных изделий.

Годовой экономический эффект от использования вибрационно-центробежного гранулятора для получения гранулированных заполнителей из техногенных материалов при производстве теплоизоляционных смесей на предприятии ООО «Бентопром» (г.Старый Оскол) составляет 237,25 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ известных способов гранулирования порошкообразных материалов и технических средств для их реализации показал, что к наиболее перспективным видам относится оборудование, реализующее комбинированные воздействия вибрационных и центробежных сил на формуемый материал.

2. На основании проведенных исследований процесса гранулирования композиционных смесей с малой насыпной плотностью и разработанной механической модели формования шихты установлены общие закономерности постадийного гранулообразования.

3. Получены аналитические зависимости для определения времени упругой релаксации материала при его уплотнении и деформации, а так же частоты вращения формующих валков.

4. Установлены зависимости контактных напряжений, возникающих в среднем формующем барабане при контактном взаимодействии частиц гранулируемого материала, от кинематических характеристик вибрационно-центробежного гранулятора.

5. Получены аналитические зависимости, определяющие профиль камер гранулирования, обеспечивающих придание гранулам сферической формы и упрочнения их поверхностного слоя. Экспериментально установлено, что в камерах -горообразной формы прочность сформованных гранул увеличивается на 10 - 15%.

6. Разработана методика расчета мощности привода вибрационно-центробежного гранулятора, затрачиваемой на уплотнение и микрогранулирование смеси в валковом устройстве и на гранулообразование при заданном режиме формования.

7. На уровне изобретения разработана конструкция вибрационно-центробежного гранулятора для постадийного формования композиционных смесей с насыпной плотностью 200 - 400 кг/м (патент РФ №2412753). Установлены рациональные значения параметров работы вибрационно-центробежного гранулятора при формовании перлитосодержащих смесей: п=300-350 об/мин; <р= 0,10; \¥= 52 - 54 %; ^упл 2,5.

8. Проведены опытно-промышленные испытания технологического комплекса по производству гранулированных перлитосодержащих заполнителей для теплоизоляционных смесей. Установлено, что разработанная технология гранулирования пыли перлитового производства с использованием вибрационно-центробежного гранулятора позволяет получить гранулы со следующими характеристиками: Огр = 3-10 мм, рнас=300-350 кг/м3, осж = 0,8-1,2 МПа.

9. Теплоизоляционные покрытия из композиционной смеси с перлитосодержащими гранулами, полученные торкрет-способом, обладают улучшенными показателями: асж =1,5- 1,6 МПа, оизг =0,6- 0,75 МПа, ро =300- 350 кг/м3, Х=0,08...0,09 Вт/м К, адгезия с бетоном 1,2 МПа. Годовой экономический эффект от использования вибрационно-центробежного гранулятора для получения гранулированных перлитосодержащих заполнителей (ООО «Бентопром») составляет 237,25 тыс. руб.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Ильина Т.Н. Техника и технология гранулирования отходов перлитового производства / Т.Н. Ильина, Е.А. Шкарпеткин // Сотрудничество для решения проблемы отходов: матер. VI Междунар. конф., Украина, Харьков НТУ, ХПИ, 2009. - С. 102-103.

2. Шкарпеткин Е.А. Анализ методов получения гранул и средств для их реализации / Е.А. Шкарпеткин // Наука и современность - 2010: сб. матер. II Междунар. науч.-практ. конф. 4.2. под общ. ред. С.С. Чернова. -Новосибирск: изд-во «СИБПРИНТ», 2010. - С. 378-383.

3. Ильина Т.Н. Механизм постади иного гранулообразования полидисперсных материалов / Т.Н. Ильина, B.C. Севостьянов, В.И. Уральский, М.В. Севостьянов, Е.А. Шкарпеткин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2010. - № 4. - С. 3-7.

4. Ильина Т.Н. Технологический комплекс для производства перлитосодержащих заполнителей / Т.Н. Ильина, М.В. Севостьянов, Е.А. Шкарпеткин, М.Н. Спирин // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов, сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. Белгород: изд-во БГТУ, 2010. -Ч.З. - С. 107-110.

5. Ильина Т.Н. Конструктивно-технологическое совершенствование агрегатов для гранулирования порошкообразных материалов / Т.Н. Ильина, М.В. Севостьянов Е.А. Шкарпеткин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2010. - №2. - С. 100-102.

6. Ильина Т.Н. Технологический комплекс для производства перлитосодержащих композиционных смесей / Т.Н. Ильина, B.C. Севостьянов, Е.А. Шкарпеткин и др. // Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности

строительных материалов, сб. докл. Междунар. науч.-практ. конф. Белгород: изд-во БГТУ, 2010. - Ч.З. - С. 111-115.

7. Ильина Т.Н. Ресурсосберегающее оборудование для гранулирования техногенных материалов / Т.Н. Ильина, В. С. Севостьянов, А.В. Уральский, Е.А. Шкарпеткин // Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии, матер. Междунар. науч. тех. конф. Беларусь - Минск: БГТУ, 2010. - С. 171-174.

8. Ильина Т.Н. Исследование условий процесса микрогранулирования в дисперсных системах / Т.Н. Ильина, B.C. Севостьянов, М.В. Севостьянов, Е.А. Шкарпеткин// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова.-2011.-№1.-С.81-86.

9. Севостьянов B.C. Технические средства для вибрационно-центробежного гранулирования техногенных материалов / B.C. Севостьянов, Т.Н. Ильина, C.B. Свергузова, Д. Д. Фетисов, Е.А. Шкарпеткин // Актуальные вопросы технических наук: матер, междунар. заоч. науч. конф. (г. Пермь, июль 2011 г.). Под общ. ред. Г.Д. Ахметовой. — Пермь: Меркурий, 2011.— С. 76-80.

10. Севостьянов B.C. Влияние конструктивно-технологических параметров вибрационно-центробежного гранулятора на процесс формования перлитосодержащих смесей / B.C. Севостьянов, Т.Н. Ильина, Е.В. Синица, Е.А. Шкарпеткин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. -2012,-№2.-С. 75-77.

11. Севостьянов B.C. Исследование условий гранулирования материала в •горообразной камере вибрационно-центробежного гранулятора / B.C. Севостьянов, Т.Н. Ильина, М.В. Севостьянов, Е.А. Шкарпеткин // Новый университет. Технические науки. - 2012. №1(7). - С. 21-25.

12. Шкарпеткин Е.А. Изучение влияния кинематических параметров вибрационно-центробежного гранулятора на механизм гранулообразования / Е.А. Шкарпеткин, B.C. Севостьянов и др. // Экологические проблемы горнопромышленных регионов: материалы докладов и выступлений участников Междунар. молодежи, конф. (11-12 сентября 2012 г)/ М-во образ, и науки РФ, Казан, нац. исслед. технол. унт. - Казань: КНИГУ, 2012. - С. 170-173.

13. Пат. 2412753 Российская федерация, МПК B01J 2/00 Вибрационно-центробежный гранулятор / Ильина Т.Н., Севостьянов М.В., Шкарпеткин Е.А., Уральский В.И.; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2009135800/05 заявл. 25.09.09; опубл. 27.02.2011, Бюл. №6.

Подписано к печати 20 02. ,1Ъ Формат 60x84/16

Усл. п. л. 1,28. Тираж 100 Заказ №&9

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г.ШУХОВА»

ШКАРПЕТКИН ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВИБРАЦИОННО-ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ГРАНУЛЯТОР ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ СМЕСЕЙ

Специальность: 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(строительство)

На >писи

04201355812

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Владимир Семенович Севостьянов

Белгород - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ стр. ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 6

1. АНАЛИЗ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАНИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ ... 11

1.1. Существующие способы компактирования

материалов и технические средства для их реализации.............. 11

1.2. Области использования гранулированных

техногенных материалов................................................... 17

1.3. Анализ технических средств для гранулирования материалов и направления их конструктивно-технологического совершенствования.......................................................... 19

1.4. Методики расчета процесса гранулирования и аппаратов

его реализующих............................................................. 25

1.5. Механизмы взаимодействия частиц при гранулировании порошкообразных материалов............................................. 35

1.6. Цель и задачи исследований............................................... 38

1.7. Выводы......................................................................... 39

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ВИБРАЦИОННО-ЦЕНТРОБЕЖНОМ ГРАНУЛЯТОРЕ........................................ 40

2.1. Разработка и исследование механической модели

процесса гранулирования.................................................. 40

2.2. Исследование процесса микрогранулирования

формуемой шихты............................................................ 45

2.2.1. Исследование условий предварительного уплотнения шихты в валковом агрегате........................................ 45

2.2.2. Расчет кинематических параметров валкового предуплотнителя и процесса микрогранулирования

шихты.................................................................. 48

2.2.3. Определение условий выхода микрогранул из ячеек........ 55

2.3. Изучение кинематических параметров и условий гранулирования материала в рабочих камерах гранулятора........ 59

2.3.1. Исследование влияния структурной схемы кинематических звеньев гранулятора на механизм гранулообразования............................................. 59

2.3.2. Исследование условий движения гранул в торообразной камере гранулятора................................................ 66

2.4. Расчет энергосиловых параметров и мощности привода гранулятора.................................................................... 70

2.4.1. Расчет давления при уплотнении и микрогранулировании шихты................................. 71

2.4.2. Расчет потребляемой мощности привода................... 76

2.4.2.1. Мощность привода, затрачиваемая на уплотнение

и микрогранулирование шихты.............................. 76

2.4.2.2. Мощность привода, затрачиваемая на процесс гранулообразования и упрочнения поверхностного слоя гранул.............................................................. 80

2.4.3. Производительность валкового устройства................ 82

2.5. Выводы.......................................................................... 83

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ВИБРАЦИОННО-ЦЕНТРОБЕЖНОГО ГРАНУЛЯТОРА И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ .... 85

3.1. Физико-механические характеристики исследуемых материалов.. 85

3.2. Разработка стендовой экспериментальной установки..............................87

3.3. Разработка конструкции вибрационно-центробежного гранулятора........................................................................................................................................89

3.4. Методики проведения экспериментальных исследований......................92

3.5. Многофакторное планирование эксперимента и обработка

результатов исследований.................................................. 94

3.6. Выводы......................................................................... 97

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ВИБРАЦИОННО-ЦЕНТРОБЕЖНОМ ГРАНУЛЯТОРЕ............ 98

4.1. Изучение физико-механических свойств порошкообразных материалов и условий их формования.................................. 98

4.2. Изучение и выбор состава гранулируемых смесей.................... 102

4.3. Изучение характера движения материала в формующих

барабанах гранулятора...................................................... 107

4.4. Исследование процесса гранулирования перлитосодержащих смесей на различных стадиях их формования......................... 110

4.4.1. Исследование процесса микрогранулирования............... 112

4.4.2. Изучение условий вибротранспортирования.................. 115

4.4.3. Влияния частоты вращения эксцентриковых валов и степени заполнения барабанов на эффективность

процесса гранулирования........................................... 116

4.4.4. Изучение условий уплотнения поверхностного слоя

гранул в торообразных камерах................................. 121

4.4.5. Влияние влажности формуемых смесей на процесс их гранулирования..................................................... 124

4.5. Регрессионный анализ процесса формования композиционных смесей........................................................................... 126

4.5.1. Регрессионный анализ процесса формования смесей на основе пыли перлитового и цементного производства...... 127

4.5.2. Регрессионный анализ процесса формования смесей на основе пыли перлитового производства и строительного гипса................................................................... 132

4.6. Влияние конструктивно-технологических параметров гранулятора на потребляемую мощность привода.................. 135

4.7. Выводы.......................................................................... 136

5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

ВИБРАЦИОННО-ЦЕНТРОБЕЖНОГО ГРАНУЛЯТОРА ДЛЯ

ФОРМОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ СМЕСЕЙ...................... 138

5.1. Разработка технологического комплекса для производства гранулированных материалов............................................. 138

5.2. Опытно-промышленные испытания гранулятора в составе технологического комплекса для гранулирования порошкообразных материалов............................................ 140

5.3. Испытания теплоизоляционных смесей, полученных на основе перлитосодержащих гранул................................................ 144

5.4. Разработка рекомендаций по организации процесса гранулирования композиционных смесей.............................. 146

5.5. Технико-экономическая эффективность от выполненных разработок..................................................................... 147

5.6. Выводы......................................................................... 149

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................................. 150

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................ 152

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................... 167

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в нашей стране повышенное внимание уделяется вопросам рационального природопользования и защите окружающей среды. Это напрямую связано с совершенствованием технологических процессов и технических средств для их реализации, а так же с использованием в производстве техногенных материалов.

Во многих отраслях промышленности процессы производства продукции сопровождаются образованием различных техногенных материалов, в том числе в виде тонкодисперсной пыли, использование которой в данном состоянии затруднительно.

Применение технологии гранулирования позволяет получать агломераты заданного размера, формы и необходимых физико-механических характеристик, что уменьшает их потери при транспортировке, хранении и переработке, а также улучшает технико-экономические показатели дальнейшего использования.

Гранулированные техногенные материалы нашли широкое применение при производстве строительных материалов и изделий различного назначения, в том числе при производстве теплоизоляционных материалов.

Процесс формования материалов осуществляется различными способами (окатыванием, экструдированием, прессованием, вибровоздействием и др.). Каждый из указанных способов обладает своими преимуществами и технологической целесообразностью, учитывающей дальнейшее использование сформованных тел. Исходя из этого, отдается предпочтение тем или иным аппаратам, реализующим выбранную технологию формования.

Однако существует категория материалов, гранулирование которых в традиционных аппаратах (барабанных, тарельчатых и др.) затруднительно или связано с высокими энергозатратами. Для таких материалов характерны: высокая удельная поверхность, низкая насыпная плотность, высокая водопоглощающая способность и др. К материалам с указанными свойствами

относятся: пылеунос обжиговых печей цементного, известкового, вермикулитового, перлитового и др. производств.

Одним из путей совершенствования оборудования для гранулирования является создание машин, обеспечивающих возможность управления процессом гранулирования на разных его стадиях, а так же реализации других технологических операций (микрогранулирование, классификация, упрочнение поверхностного слоя, сушка и др.) внутри агрегата. Это позволяет получать сформованные тела с заданными геометрическими размерами и физико-механическими характеристиками. Поэтому разработка и создание новых типов грануляторов, учитывающих указанные выше свойства гранулируемых материалов, является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка вибрационно-центробежного гранулятора для формования композиционных смесей, методик расчёта его конструктивно-технологических и энергетических параметров.

Задачи исследований:

1. Провести анализ существующих технологий и технических средств для гранулирования порошкообразных материалов, а также возможных путей их совершенствования.

2. Разработать механическую модель постадийного процесса гранулирования композиционных смесей.

3. На уровне изобретения разработать конструкцию вибрационно-центробежного гранулятора.

4. Исследовать основные закономерности процесса вибрационно-центробежного гранулирования порошкообразных материалов с различными физико-механическими характеристиками.

5. Изучить влияние конструктивно-технологических параметров вибрационно-центробежного гранулятора на эффективность процесса гранулирования, выявить рациональные режимы его работы.

6. Разработать методику расчёта основных конструктивно-технологических и энергетических параметров вибрационно-центробежного гранулятора.

7. Провести опытно-промышленную апробацию и внедрение научно-технических разработок в производство. Определить технико-экономическую эффективность выполненных разработок.

Научная новизна;

разработана механическая модель процесса гранулирования композиционных смесей, отражающая общие закономерности его реализации;

- получены аналитические зависимости, описывающие процесс формования композиционных смесей в вибрационно-центробежном грануляторе;

- разработана методика расчета основных конструктивно-технологических и энергетических параметров новой конструкции вибрационно-центробежного гранулятора с учетом физико-механических характеристик формуемых материалов;

- получены регрессионные зависимости, позволяющие определить режимно-технологические параметры работы вибрационно-центробежного гранулятора.

Практическая ценность работы заключается в разработке патентно-защищенной конструкции вибрационно-центробежного гранулятора для формования композиционных смесей, методики расчёта его конструктивно-технологических и энергетических параметров, а также технологии получения гранулированных заполнителей для производства теплоизоляционных изделий на их основе.

Реализация работы. С использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований был изготовлен опытно-промышленный вибрационно-центробежный гранулятор, проведены его опытно-промышленные испытания в условиях ООО «Чистовод» и ООО «Бентопром».

Годовой экономический эффект от использования вибрационно-центробежного гранулятора (ООО «Бентопром») составил 237,25 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на VI международной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов», Украина, г. Харьков ХПИ, 2009 г.; II международной научно-практической конференции, «Наука и современность - 2010», г. Новосибирск 2010 г.; Международной научно-практическая конференция «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов», г. Белгород, 2010 г.; Международной научно-технической конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии», Беларусь, г. Минск 2010 г.; Международной заочной научной конференции «Актуальные вопросы технических наук», г. Пермь 2011 г.; Международной молодежной конференции «Экологические проблемы горнопромышленных регионов», г.Казань (КНИТУ), 2012 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Общий объем работы 209 страниц, в том числе: 56 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 170 наименований и приложения на 43 страницах.

Автор защищает:

1. Механическую модель процесса постадийного гранулирования композиционных смесей, характеризующую общие закономерности его реализации.

2. Разработанную на уровне изобретения конструкцию вибрационно-центробежного гранулятора, реализующую постадийный процесс гранулирования материалов.

3. Методику расчёта постадийного процесса гранулирования материалов в вибрационно-центробежном грануляторе.

4. Результаты теоретических исследований по изучению рациональных конструктивно-технологических и энергетических параметров гранулятора.

5. Результаты регрессионного анализа при изучении основных закономерностей процесса гранулирования композиционных смесей с различными физико-механическими характеристиками и режимов работы вибрационно-центробежного гранулятора.

6. Результаты опытно-промышленных испытаний вибрационно-центробежного гранулятора и технологического комплекса для производства гранулированных теплоизоляционных заполнителей.

1. АНАЛИЗ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАНИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Существующие способы компактирования материалов и технические средства для их реализации

Гранулирование, как способ формования различных порошкообразных материалов, известен давно, а его эффективность во многом определяется техническим уровнем используемого оборудования. В настоящее время спроектировано большое количество агрегатов, позволяющих получать сформованные тела различного технологического назначения.

Процесс гранулирования осуществляется методом окатывания, прессования или экструдирования, вибровоздействия, псевдоожиженного слоя, нанесения плёнок на поверхность гранул и кристаллизации капель расплава, а так же комбинированным способом при совместной работе нескольких аппаратов или за счет применения вспомогательных устройств [1-5].

В зависимости от технологических условий и предъявляемых требований к конечному продукту процесс гранулирования может быть реализован различными вариантами, используя аппараты близкой конструкции в различных технологических схемах производства [1, 6, 7].

Гранулирование методом окатывания на движущейся поверхности [6], является наиболее распространённым и широко применяемым и отличается большим разнообразием технических средств для его реализации. Метод заключается в образовании агломератов из равномерно смоченных частиц или в наслаивании сухих частиц на смоченные ядра - центры гранулообразования. Этот процесс реализуется в грануляторах барабанного или тарельчатого типа, что обусловлено действием сил капиллярно-молекулярного взаимодействия частиц материала с последующим уплотнением агломератов под действием гравитационных и центробежных сил в плотном динамическом слое [1, 5, 8].

Грануляторы барабанного типа представляют собой вращающуюся цилиндрическую обечайку с закрепленными на ней бандажами. Гранулятор оснащен загрузочным и разгрузочным устройством, роликовыми опорными станциями, упорными роликами и закреплённым на обечайке зубчатым венцом, с помощью которого передается вращение гранулятору от привода. Налипание влажных материалов на внутреннюю стенку барабана уменьшают за счет резиной футеровки [1,8].

К преимуществам этих грануляторов относят простоту конструкции и эксплуатации, большую единичную мощность. Кроме того, конструкция барабанных грануляторов-сушилок (БГС) позволяет совместить в одном аппарате процессы гранулирования и сушки, что упрощает технологические схемы получения концентрированных и полидисперсных материалов [9-11].

В окаточных барабанах процесс гранулирования реализуется благодаря трению материала о гладкие стенки барабана. Этих аппараты имеют достаточно большие габаритные размеры, но при этом коэффициент заполнения невелик. Для увелич