ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

Закономерности уплотнения материала и аппаратурное оформление метода прессования

Руда и рудные концентраты, металлическая стружка, отходы ме­таллургических заводов и обогатительных фабрик, стекольные шихты могут быть переработаны в куски-брикеты прессованием с добавлением и без добавления связующего вещества.

Метод прессования используется также в процессах таблетирова - ния, которым подвергаются различные материалы, в том числе шихта катализаторов, порошки бытовой химии, фармацевтические и витамин­ные препараты, концентраты в пищевой промышленности и другие ве­щества.

Механизм основной стадии брикетирования - прессование - в об­щем виде можно представить следующим образом. При небольшом дав­лении происходит внешнее уплотнение материала за счет пустот между частицами. Затем уплотняются и деформируются сами частицы, между которыми возникают силы сцепления. Высокое давление в конце прес­сования приводит к переходу упругих деформаций частиц в пластиче­ские, вследствие чего структура брикета упрочняется и сохраняется его заданная форма.

Механизм уплотнения дисперсных материалов при любом способе гранулирования, в том числе прессования, во многом определяется при­родой материала. Особый интерес в этом плане представляют шихты, в состав которых входят несколько компонентов имеющих различную природу, например, шихты для производства стекол.

Особенность прессования стекольных шихт заключается в том, что по структурно-механическим свойствам они занимают промежуточное положение между металлическими порошками, грунтами, минеральны­ми удобрениями и топливно-рудным сырьем. Так как стекольные шихты полидисперсные и многокомпонентные системы, а их свойства в зави­симости от условий подготовки к уплотнению сильно меняются, зако­номерности процессов прессования, выявленные при исследовании, на­пример, удобрения или металлического порошка, распространять на них нельзя. Однако некоторые общие закономерности процессов прессова­ния порошкообразных материалов при анализе процесса уплотнения стекольных шихт использовать можно. При уплотнении стекольной шихты в пресс-матрице, валковом или вальцовом прессах, ее плотность постепенно изменяется от насыпной до плотности твердого тела.

Анализ поведения шихт под давлением и возможности их прессо­вания можно провести при обработке в закрытой матрице, оценивая по­лучаемые при этом компрессионные кривые. Основываясь на общих за­кономерностях уплотнения сыпучих дисперсных материалов, можно выделить три фазы уплотнения стекольных шихт.

В первой фазе (заканчивается при давлении 200...350 МПа) уплот­нение материала происходит за счет упругой деформации каркаса, обра­зованного при засыпке в закрытую матрицу. При этом удельное давле­ние прессования создает напряжение, превышающее предел прочности при сдвиге каркаса, что приводит к его разрушению и перемещению частиц внутри засыпанного материала. Получить на этой фазе связан­ные, т. е. прочные, прессовки не удается.

Во второй фазе протекают структурные деформации частиц по­рошкового многокомпонентного полидисперсного материала. Интен­сивно идет переупаковка частиц, уменьшается пространство между па­рами и растет площадь контактов между частицами. В зависимости от состава шихты может протекать пластическое разрушение частиц мате­риала, заключающееся в их хрупком разрушении и пластической де­формации. В результате образуются прочные прессовки. Фаза заканчи­вается при давлении примерно 600 МПа.

В третьей фазе разрушаются отдельные частицы и при наличии в шихте пластичного компонента наблюдается пластическое затекание ма­териала в пространстве между порами прессовки. Плотность прессовки при этом меняется и достигает максимума при давлении около 800 МПа. Дальнейшее увеличение давления прессования может привести к массо­вому разрушению частиц шихты.

4 Процесс прессования шихт на валковом прессе происходит следую­щим образом. Исходная смесь 4 посту­пает в загрузочный бункер 3 валкового пресса (рис. 16.7). В результате движе­ния вращающихся навстречу друг дру­гу валков 7, сил трения и адгезии ших­та поступает в зазор между ними и уп­лотняется до плитки 5 требуемой тол­щины и плотности. Для предотвраще­ния механической перегрузки пресса в случае попадания в него инородного предмета один из его валков закреплен в подвижных опорах 2 и может пере­мещаться. При нормальной работе ва­лок удерживается в определенном положении пружинами или гидро­упорами. Давление на валки, формирующие плитку, обеспечивается гидравлической системой.

Детальные исследования брикетированной шихты показали, что физические и физико-химические свойства брикетов зависят как от хи­мического и гранулометрического состава шихты, так и от способа их изготовления, используемого связующего, формы и размеров брикетов, давления брикетирования, распределения температур, длительности хранения.

«Горячий» способ формования, при котором производится нагрев шихты до температуры 30...40 °С, позволяет получать достаточно проч­ные брикеты при относительно низком давлении прессования. Это уп­рощает выбор прессующего агрегата и уменьшает затраты на формова­ние. Нагрев шихты до этой температуры может быть осуществлен за счет теплоты, выделяющейся в результате реакции между содой, суль­фатом и водой.

Прокатка (компактирование) - уплотнение дисперсного мате­риала на валковом прессе. Промышленные валковые прессы серийно выпускают для прессования минеральных удобрений, металлических порошков, руд и топливно-рудных материалов, стекольных шихт и др.

Пресс состоит из валков с опорами, станин, привода и гидросисте­мы. Шейки валка установлены в конических роликоподшипниках, рас­положенных в корпусах. Корпуса подшипников одного валка во время работы неподвижны, а корпуса подшипников второго валка могут пере­мещаться и создавать необходимый зазор между валками. Зазор регули­руется вставками, размещенными между корпусами подшипников вал­ков. Усилие прессования, создаваемое валками, обеспечивается плунже­рами четырех гидроцилиндров одностороннего действия, которые под­жимают корпуса подшипников. Рабочее давление в гидроцилиндрах ре­гулируется от 0 до 23 МПа и создается гидросистемой, состоящей из на­соса с электродвигателем, бака для масла, аккумуляторов, предохрани­тельных и обратных клапанов. Валки снабжены устройством для охлаж­дения.

В табл. 16.1 приведены характеристики валковых прессов, предна­значенных для компактирования стекольных шихт и предложенных к промышленному внедрению. На рис. L6.8 представлена схема валкового пресса.

Таблица 16.1

На фундаментной плите установлены литые стальные станины с траверсами, несущие корпуса с валковыми подшипниками. В подшип­никах размещены шейки двух чугунных валков. Валки приводятся в движение от электродвигателя через коническо-цилиндрический редук­тор, приводные и фрикционные зубчатые колеса. Привод и пресс монти­руют на одной фундаментной плите. Корпуса подшипников заднего вал­ка закреплены неподвижно, а корпуса переднего могут перемещаться в направляющих станины. Пресс снабжен механизмом для регулировки зазора с предохранительными шайбами, имеющим как ручной, так и электропривод.

В случае перегрузки пресса или попадания между валками ино­родного тела предохранительные шайбы срезаются и валки автоматиче­ски останавливаются.

Брикетирование. Разновидностью процесса уплотнения является прессование на валках с профилированной в виде ячеек поверхностью. На таких прессах, называемых вальцовыми (брикетными), можно полу­чать брикеты заданных размеров и формы: в виде лепешки, линзы, шара и т. д. Вальцовые прессы выполнены из двух валков одинакового диа­метра, вращающихся навстречу друг другу. На валки надеты стальные сменные бандажи, на износостойкой поверхности которых выполнены симметричные углубления, соответствующие форме брикетов.

Процесс прессования (вальце­вания) на вальцовых прессах (валь­цах) проходит следующим образом. Шихта поступает из загрузочного бункера подпрессовывающего уст­ройства 1 (рис. 16.9) в зону отстава­ния 2, затем проходит зоны откры­тых 3 или закрытых 4 ячеек и выхо­дит в виде брикетов заданной фор­мы. Основное силовое воздействие на шихту осуществляется в зонах от­ставания и закрытых ячеек. В зоне отставания действуют силы, не обес­печивающие устойчивого состояния шихты. Слои шихты попадают в зону более высоких давлений с разной скоростью, меньше скорости движения поверхности вальца. Уплотнение и сдвиг шихты происходят по цилиндрической поверхности.

В зоне ячеек шихта, связанная с их поверхностью, не вытесняется действующими на них силами, здесь отсутствует перемещение материа­ла из одной пары ячеек в другую. Рост давления приводит к запрессовы - ванию шихты в зону ячеек. Условия захвата шихты в вальцах определя­ются в первую очередь диаметром валков: чем он больше, тем выше удельное давление прессования Между удельным давлением прессова­ния, прочностью брикетов существует прямая зависимость, сохраняемая до определенного предела.

Очень высокие давления нарушают структуру брикетов, умень­шают пористость, что снижает их прочность. При брикетировании со связующими добавками высокие давления могут выдавливать их на по­верхность брикетов, что приводит к залипанню ячеек пресса шихтой, слипанию брикетов во время их транспортировки и хранения.

Недостатком вальцов является взаимное смещение полуформ, вы­зывающее образование в них ассиметричных брикетов. Прочность бри­кетов при этом падает на 10...20 %.

Узлом, определяющим надежную работу пресса, являются фор­мующие валки. Прессы выпускают с накладными сегментами или бан­дажами, имеющими ячейки, с коваными валами, на которых установле­ны зубчатые колеса. На прессах низкого давления применяют сдвоенные кованые валки меньшего диаметра, выполненные из полой ребристой отливки (рис. 16.10).

Наряду с коваными валка­ми и валками с кольцевыми бандажами часто применяют упрочненные сегментные эле­менты, предназначенные для тяжелых условий работы при уплотнении абразивных мате­риалов. Представляют интерес бандажи, собираемые в теле валков из разъемных колец ко­нического сечения. Сегментные элементы небольших размеров изготавливают из специальных сталей, которые не подходят для изготовления корпуса цело­го бандажа.

Бандажи вальцовых прессов выпускают с ячейками различной формы и размеров.