Рассмотрение теоретических основ измельчения. Изучение процесса дробления строительных материалов с применением основных законов измельчения. Рассмотрение дробилки как аппарата для дробления. Проведение эксперимента и анализ полученных результатов.
Он имеет важнейшее значение для обеспечения высокого качества изделий в связи с решающим влиянием зернового состава масс на их способность к уплотнению (или, наоборот, разуплотнению, например, в технологии получения пористых материалов) при формовании, протекании физико-химических процессов твердения и спекания. Прочность реальных материалов следует сравнивать с твердыми телами, имеющими идеальную структуру, прочность которых может быть найдена расчетом (теоретическая прочность) [1]. Теоретическая прочность кристаллических твердых тел и их твердость зависят от величины сил взаимодействия между ионами, атомами или молекулами, образующими решетку кристалла данного тела [2]. Твердые тела, как правило, имеют кристаллическое строение, в котором элементы - атомы, ионы, молекулы - расположены в узлах кристаллической решетки, образующей пространственную структуру правильной повторяющейся геометрической формы. В основе этих связей лежит обобществление внешних валентных электронов, но при валентной связи участвуют пары электронов от пары ближайших соседних атомов, а в металлической связи участвуют все атомы кристалла, в то время как свободные электроны перемещаются не у своих атомов, а внутри всей решетки [1].
Введение
Измельчение природного и искусственного сырья и разделение его по крупности на фракции является одним из основных процессов технологии строительных материалов. Он имеет важнейшее значение для обеспечения высокого качества изделий в связи с решающим влиянием зернового состава масс на их способность к уплотнению (или, наоборот, разуплотнению, например, в технологии получения пористых материалов) при формовании, протекании физико-химических процессов твердения и спекания. Кроме того, измельчение оказывает влияние на некоторые важные свойства готового продукта, например, термоустойчивость керамики.
Задача измельчения- доведение минерального сырья до крупности, необходимой для последующего обогащения, или получение продукта заданной крупности для непосредственного использования (производство стройматериалов).
Технологическое назначение операции измельчения заключается в том, чтобы раскрыть минералы при максимально возможной крупности, при минимальном переизмельчении, т.е. осуществить принцип «не дробить ничего лишнего».
Экономическое значение этой операции определяется тем, что на измельчение падает 50-70% общих капитальных затрат и такая же доля общих эксплуатационных расходов. При измельчении расходуется много энергии и стали. Удельный расход энергии по фабрикам колеблется в пределах
7-20 КВТ?ч/т руды, расход стали - от 1 до 3 кг/т руды. Подсчитано, что в настоящее время одна двадцатая часть электроэнергии, производимой в мире, расходуется на измельчение твердых материалов.
Данный процесс является наиболее энергоемким и дорогостоящим, так как капитальные и эксплуатационные затраты на них могут достигать 60-70% всех затрат на обогащение. Поэтому рациональное размещение (компоновка) оборудования в корпусах измельчения, использование традиционных и нетрадиционных его способов, применение совершенного измельчительного оборудования имеет важное значение в условиях рыночной экономики.
Целью данной работы - изучить процесс дробления строительных материалов.
Основными задачами данной работы являются: провести литературно-патентный анализ на основе различных источников литературы;
изучить процесс дробления строительных материалов с применением основных законов измельчения и рассмотреть дробилку как аппарат для дробления;
провести эксперимент и проанализировать результаты.
Теоретические основы измельчения
Теоретическая прочность
Инженерная практика показала, что разрушение любых материалов зависит от различных локальных повреждений или дефектов, имеющихся в образце или конструкции. Однако оставался открытым вопрос, насколько существенно снижается прочность изза наличия в материале тех или иных дефектов [1].
На свойства строительных материалов, в том числе и на прочность, решающее влияние оказывает их строение. Под строением подразумевается взаимное сочетание и распределение кристаллической, стекловидной (аморфной) и газовой (т.е. пор) фаз, их физико-химическая природа и количественное соотношение. Особенности строения любого строительного материала оценивают его микро- и макроструктурой. Микроструктура устанавливает природу кристаллических фаз, характер их строения и сочетания со стекловидной фазой и порами. Макроструктура определяет объем пор, их размеры, строение, форму, взаимное расположение в материале.
В большинстве случаев свойства неорганических материалов обусловливаются особенностью фазового состава и характером строения фаз. Под фазовым составом подразумевают природу и характер строения кристаллических фаз и их сочетание в количественном соотношении со стекловидной фазой. Для материалов органического происхождения фактором, определяющим основные свойства, является наличие аморфной фазы и характер ее связей с кристаллическими и стекловидными фазами (наполнителями). Для плотных материалов свойства определяются в основном микроструктурой, а для пористых - макроструктурой [1].
Прочность реальных материалов следует сравнивать с твердыми телами, имеющими идеальную структуру, прочность которых может быть найдена расчетом (теоретическая прочность) [1].
Теоретическая прочность - это критическое напряжение, которое надо приложить квазистатически (медленно) к бездефектному материалу или телу при низких температурах, чтобы получить необратимые структурные изменения [1].
Теоретическая прочность кристаллических твердых тел и их твердость зависят от величины сил взаимодействия между ионами, атомами или молекулами, образующими решетку кристалла данного тела [2].
Твердые тела, как правило, имеют кристаллическое строение, в котором элементы - атомы, ионы, молекулы - расположены в узлах кристаллической решетки, образующей пространственную структуру правильной повторяющейся геометрической формы. Твердые тела не кристаллического строения (стекла, пластмассы и т.п.) имеют лишь ближний порядок [2].
При нормальных условиях все твердые металлы, а также большинство природных минералов относятся к категории кристаллических материалов. Некоторые из горных пород являются полностью или частично аморфными (некристаллическими) (3). В зависимости от природы сил, удерживающих атомы, ионы и молекулы около центров равновесия, обычно рассматривают четыре типа кристаллических структур: атомные, ионные, молекулярные и металлические(1).
Рис. 1. Основные типы структур.
В узлах ионных кристаллов размещаются противоположно заряженные ионы, каждый из которых находится в совершенно одинаковом отношении ко всем окружающим его ионам противоположного знака. Они взаимодействуют между собой по закону Кулона. Притяжению разноименно заряженных частиц препятствуют силы отталкивания между одноименно заряженными электронными оболочками. Последние проявляются на малых расстояниях и очень быстро увеличиваются с уменьшением этого расстояния.
На рис. 2 приведен график энергии связи для ионных кристаллов. Кривая 3 результирующей энергии связи имеет характерный вид с минимумом (потенциальная яма) при r = r0. Именно этот минимум и объясняет удержание элементов твердого тела около центров равновесия на расстоянии r0 между ионами в молекуле. При r = r0сила притяжения равна силе отталкивания, а результирующая сила взаимодействия частиц равна нулю.
Рис. 2. Схема энергии связи притяжения и отталкивания: 1 - энергия отталкивания; 2 - энергия притяжения;
Ионная (электростатическая) связь характерна для кристаллических решеток солей типа NACL, KCL, NABR и др [1].
При атомной (ковалентной) связи электроны принадлежат одновременно двум ядрам молекул. Если силы обобществленных электронов направлены в противоположные стороны (антипараллельны), то возникают силы притяжения и энергия связи по Лондону может быть подсчитана по уравнению
ES = 2Е0 (K W) / (1 S2), (1.1.1) измельчение строительный дробление аппарат где 2Е0- суммарная энергия двух изолированных атомов; K - электростатическая (кулоновская) энергия связи; S - интеграл ортогональности, изменяющийся от 0 до 1. Атомная (валентная, обменная) связь характерна для силикатных материалов и большинства горных пород. Характер графика энергии связи аналогичен представленному на рис. 2, однако при большей величине потенциальной ямы [1].
Металлическая структура характеризуется относительно малой связью внешних валентных электронов в атомах металлов с ядром. В жидком и твердом состоянии вещества атомы располагаются настолько близко друг от друга, что валентные электроны приобретают способность покидать свои атомы и свободно перемещаться внутри решетки. Связь в решетке металла возникает в результате взаимодействия положительных ионов с электронным газом. Электроны, находясь между ионами, стараются стянуть их, стремясь уравновесить силы отталкивания, действующими между положительно заряженными ионами. С уменьшением расстояния между ионами увеличивается плотность электронного газа и, как следствие, возрастает сила притяжения. С другой стороны, с уменьшением расстояния между положительно заряженными ионами увеличиваются силы отталкивания, которые стремятся удалить друг от друга. Решетка становится устойчивой на таком расстоянии между ионами, когда силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Металлическая связь имеет сходство с валентной. В основе этих связей лежит обобществление внешних валентных электронов, но при валентной связи участвуют пары электронов от пары ближайших соседних атомов, а в металлической связи участвуют все атомы кристалла, в то время как свободные электроны перемещаются не у своих атомов, а внутри всей решетки [1].
Наиболее общим видом связи, возникающей между любыми атомами и молекулами, являются силы Ван-дер-Ваальса. Они возникают между электрически нейтральными системами и системами, не обладающими электрическим моментом. Различают три вида ван-дер-ваальсового взаимодействия между молекулами: ориентационное - в случае дипольной молекулы; индукционное - при возникновении наведенных электрических моментов; дисперсионное - возникающее между нейтральными молекулами при синхронном движении электронов и антипараллельной направленности спинов. Разновидностью ориентационного ван-дер-ваальсового взаимодействия является водородная связь, имеющая энергию связи больше, чем другие виды связи [1].
Характер взаимодействия между молекулами при связях Ван-дер-Ваальса, в том числе и при водородных, соответствует рис. 2, хотя величина потенциальной ямы значительно меньше. Таким образом, характер кривых, представленных на этом графике, отражает характер взаимодействия между частицами твердого тела при всех видах связи [1].
Рассматривая взаимодействие структурных элементов (ионов, атомов, молекул), расположенных внутри тела и на его поверхности, следует отметить, что они взаимодействуют между собой. Структурные элементы, находящиеся на поверхности, взаимодействуют только с некоторой частью соседних элементов, и часть их энергии остается некомпенсированной. Следовательно, эти частицы, находящиеся на поверхности, по сравнению с теми, что находятся в объеме, обладают избыточной энергией. Избыточную (свободную) энергию, отнесенную к единице поверхности, называют поверхностной энергией. На основе полученных расчетных значений поверхностной энергии ряда веществ можно сделать вывод, что для жидкостей она характеризует межмолекулярное взаимодействие, а для твердых тел - прочность кристаллической решетки [2].
Таблица 1. Поверхностная энергия и прочность некоторых материалов
Материал Поверхностная энергия, Дж/м2 Модуль упругости, Па Прочность при растяжении, Па реальная теоретическая
Первую попытку связать механические свойства материалов с их кристаллическим строением сделал Гриффитс. Сила сцепления (взаимодействия двух атомов) определяется суммой сил притяжения и отталкивания. При малых расстояниях наклон кривой сил отталкивания больше, чем для кривой притяжения. Потому наклон кривой суммарного взаимодействия положителен и его значение становится равным нулю при достижении межатомного расстояния, равного r0, соответствующего условию равновесия двух атомов. Для увеличения расстояния между атомами необходимо приложить растягивающее напряжение. Считая силу взаимодействия равной этому напряжению, его можно выразить в виде гармоничной функции расстояния ? = ?maxsin(2? /?), (1.1.2) где ?max - теоретическая прочность; ?/2 - половина длины волны, аппроксимирующей синусоиды [2].
Напряжению ? и перемещению соответствует РАБОТАА на единицу площади, которая при разрушении равна площади под отрезком кривой суммарного воздействия в пределах от = 0 до = ?/2
А = = ? ?max/? (1.1.3).
Если энергия на единицу площади, расходуемая при образовании новой поверхности U, связана только с работой разрушения, то ??max/? = 2U(1.1.4).
При малых перемещениях в пределах линейной упругости справедливы уравнения (1.1.2), с одной стороны, и закон Гука, с другой, т.е. ? = Е (1.1.5)
Исключая , получим ?max = ?Е / 2? , что в комбинации с уравнением (1.1.4) дает уравнение для определения теоретической расчетной прочности ?max= , (1.1.6)
ГДЕЕ - модуль упругости (2).
Ученый Орован также занимался вопросом теоретической прочности и предложил подсчитывать ее по следующей формуле ?т = , (1.1.7) где Е - модуль упругости Юнга; - свободная поверхностная энергия твердого тела; - равновесное расстояние между атомами [1].
Если подставить значение удельной поверхностной энергии натяжения для стали U = 1,0 Н/м, Е = 2 • 1011Па и межатомное расстояние r= 2 • 10-10 м, то получим теоретическую прочность ?max= 3 • 1010 Па. В то же время известно, что прочность стали ? = 5 • 108 - 5 • 109 Па. Аналогичное несоответствие наблюдается и для других материалов [2].
По внутренней структуре и внешнему строению кристаллы различных соединений характеризуются значительным разнообразием, что, безусловно, отражается на их свойствах. Большое влияние на свойства твердых фаз оказывают структурные несовершенства в кристаллах.Их наличие и объясняет описанное выше несоответствие прочности стали [3].
В реальных материалах всегда содержатся различного рода дефекты, связанные с дефектами кристаллической решетки и микротрещинами Гриффитса [1].
Дефекты в кристаллах подразделяются на: точечные;
одномерные;
двумерные;
трехмерные [3].
Точечные (нульмерные) дефекты бывают энергетическими, электронными и атомными. Энергетические дефекты (фононы) - временные искажения регулярности решетки кристалла, вызванные тепловым движением или воздействием различных радиаций (светового, рентгеновского и других излучений). К электронным дефектам относятся избыточные электроны или их недостаток (незаполненные валентные связи в кристалле - дырки) и парные дефекты (экситоны), состоящие из электрона и дырки, связанные между собой кулоновскими силами. Атомные дефекты проявляются в виде вакансий или вакантных узлов (дефекты Шоттки) (рис. 3, а), в виде смещения атома из узла в междоузлие (дефекты Френкеля) (рис. 3, б), в виде внедрения в решетку чужеродного атома или иона (рис. 3, в) [1].
Рис. 3. Атомные дефекты кристаллической решетки
К одномерным (линейным) дефектам относятся дислокации. Дислокация представляет собой одномерный дефект, выявляющийся лучше всего при рассмотрении среза кристалла в электронный микроскоп после сдвига [1].
Рис. 4. Дислокация, образовавшаяся в результате сдвига
Простейшими случаями дислокаций являются краевая и винтовая. На рис. 5, а, изображено строение идеального кристалла в виде семейства параллельных друг другу атомных плоскостей. Если одна из них обрывается внутри кристалла, то место ее обрыва образует краевую дислокацию. Искажение решетки, максимальное вблизи дислокации, быстро рассасывается по мере удаления от нее (рис. 5, б). В случае с винтовой дислокации нет отрыва внутри кристалла какой-нибудь из атомных плоскостей, но сами атомные плоскости представляют собой систему, подобную винтовой лестнице. По существу, это одна атомная плоскость, закрученная по винтовой линии. Винтовая дислокация может быть представлена в виде дезориентации блоков (рис. 5, в). Участок, примыкающий к оси дислокации, представлен в виде двух блоков, один из которых как бы соскользнул на один период по отношению к соседнему блоку. Как и в случае краевой дислокацией, наибольшие искажения решетки находятся вблизи оси дислокации. Область наибольших искажений решетки называется ядром дислокации. Любая конкретная дислокация может быть представлена как сочетание краевой и винтовой дислокаций [1].