Учебное пособие Редактор И. Г. Кузнецова Подписано к печати 2003 Формат 6090/16. Бумага ксероксная icon

Учебное пособие Редактор И. Г. Кузнецова Подписано к печати 2003 Формат 6090/16. Бумага ксероксная



Смотрите также:
Инструментов
Н. С. Чемоданов Издательство Эдиториал урсс. П7312, г. Москва, пр-т 60-летия Оггября...
Учебное пособие для студентов вузов лр№0171045 от 09. 06. 99. Подписано в печать 23. 05. 2000...
Программа обновление гуманитарного образования в россии а. П...
Федеральная программа книгоиздания России Рецензенты: канд психол наук С. А. Исайчев...
А. Б. Кодак Издательская лицензия лр 030808 от 25. 02. 98. Подписано к печати 15. 09. 2005...
С. Е. Мельчагова Дизайнер обложки...
Монография Утверждено к печати...
Путеводитель по жизни и смерти...
Лабораторная работа по курсам: Радиотехника...
1000 лучших школьных сочинений...
Классный журнал «Школята». №5 / 2007 год...



страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
вернуться в начало
скачать

К




Рис. 6.6. Экспериментальные данные влияния количества

ударов одной частицы материала о билы дезинтегратора

на значение коэффициента восстановления


^ 6.4. Обобщенное уравнение механической активации

золоцементных материалов


Для вывода математической модели, как уже отмечалось в п/п 3.3, необходимо рассчитать напряжение, действующее на обрабатываемый материал в дезинтеграторе. Для этого, учитывая основные допущения, принятые в п/п 6.2, и расчетные схемы движения материала в рабочей зоне мельницы, можно определить энергию удара по изменению кинетической энергии за время соударения:

, (6.5)

где - коэффициент восстановления; – доля потери энергии от кинетической энергии потерянных скоростей; n – число ударов; m3, m4 – масса частицы обрабатываемого материала до и после удара соответственно.

Значение величины коэффициента восстановления, найденное путем статистической обработки экспериментальных данных, приведено в предыдущем параграфе учебного пособия.

Из выражений (6.3) и (6.5) видно, что энергия обработки зависит от точки соударения, т.е. от угла . Так, при = 0 имеем максимальное значение Q, при этом получаем максимально активированный материал.

Необходимо отметить, что материал, скользящий по поверхности била, отделяется от него в точке отрыва, т.е. там, где радиус кривизны естественной траектории будет больше радиуса поперечного сечения мелющего элемента. Учитывая это условие, можно определить скорость частицы соударения из дифференциальных уравнений:

(6.6)

где – скорость вращения ротора дезинтегратора; r1 – радиус била; – угол точки соударения; r0 – расстояние точки от оси вращения ротора; N – нормальная реакция; f – коэффициент трения скольжения.

Радиус кривизны естественной траектории становится больше r0 в точке, где N = 0, и тогда после некоторых математических преобразований скорость V0 будет определяться уравнением

(6.7)

Зная величину энергии удара, можно найти силу разрушения, действующую на материал в дезинтеграторе. Для этого воспользуемся выражением, объединяющим силу удара F с энергией удара Q:

F = 2 Q E / r Rp , (6.8)

где r – радиус обрабатываемой частицы.

Различие между средним напряжением, действующим в нагруженном теле и определяемом как величина полной нагрузки ^ F, отнесенная к поперечному сечению тела S, т.е. =F/S, и локальными истинными напряжениями , действующими непосредственно на межатомные связи в отдельных местах тела (где наиболее интенсивно и идет процесс разрушения), можно оценить по следующей зависимости:

или D F/ S, (6.9)

где D – коэффициент перенапряжения, определяемый следующим образом:

/ Va, (6.10)

где Va – объем молекул данных (исследуемых) веществ, рассчитывается по соотношению

А/ Na, (6.11)

где А – молекулярный вес; Na – число Авогадро; – плотность измельченного материала.

Подставляя в выражение (6.9) значение силы F (6.8), получим формулу для определения действующего напряжения на материал:

. (6.12)

Однако следует иметь в виду, что значение разрушающего напряжения получено в условиях статического нагружения. В условиях динамического нагружения имеет место эффект «запаздывания разрушения» /21/. Этот эффект объясняется необходимостью достаточной продолжительности временного промежутка, в течение которого действуют напряжения . Таким образом, динамическое разрушающее напряжение определяется по формуле

g = х (t) a , (6.13)

где х(t) – временной коэффициент. Данный коэффициент является монотонно убывающей функцией времени удара t, при неограниченном увеличении времени удара временной коэффициент стремится к единице.

Большая часть энергии, потребляемой дезинтегратором, рассеивается в результате трения за счет пластических деформаций мелких зерен, а также за счет сопротивления воздуха в зоне рабочего круга. В связи с чем представляется целесообразным ввести в зависимость (6.13) коэффициент, учитывающий потери энергии, необходимой для разрушения материала.

Таким образом, подставляя зависимость (6.12) в (6.13), окончательно получим формулу для определения действующего на материал напряжения при его измельчении в дезинтеграторе:

, (6.14)

где у – коэффициент, учитывающий потери энергии при измельчении минерального материала в дезинтеграторе.

После подстановки уравнения (6.14) в уравнение (3.34) получим:

. (6.15)

Для того чтобы определить энергию активации процесса механоактивации золоцементных материалов по зависимости (6.15), необходимо знать коэффициенты, входящие в данное уравнение. Величины коэффициентов U0 и определяются графическими построениями зависимости долговечности твердого тела от напряжения, т.е. строится график зависимости lg от , и из наклона прямой вычисляется коэффициент . Затем, экстраполируя прямую пересечения с осью ординат, находят величину коэффициента А. Подставляя полученные величины, определяют

, (6.16)

где для цементных и золоцементных вяжущих принимается равным ~10-13 с, и

. (6.17)

Данные значений коэффициентов U0 и приведены в табл. 6.2.

Данные табл. 6.3 позволяют сделать вывод о том, что начальная энергия активации разных составов схожа по своей величине. Близость результатов объясняется тем, что на величину начальной энергии активации влияют в основном свойства вяжущего, в данном случае цемента.

Величина , как видно из табл. 6.2, в отличие от величины U0 изменяется с возрастом композиционных материалов на основе цемента, уменьшаясь с увеличением прочности материала, что согласуется с выражением (6.15). Данные табл. 6.2 позволяют сделать вывод о том, что начальная энергия активации материалов из смесей разного состава близка между собой по величине. Исходя из вышеизложенного для золоцементного вяжущего коэффициент U0 можно принять равным 175 кДж/моль.

Для расчета величины U время обработки материала в дезинтеграторе () можно принять равным 10-2...10-3 и 10-3…10-5 соответственно.

Число циклов ^ N измельчения материала равно числу рядов бил на дисках дезинтегратора. Прочностные показатели исследуемого материала Rp, Е выбираются согласно справочникам. В связи с тем, что время измельчения смесей в дезинтеграторе невелико, а также для упрощения вычислений температура Т процесса разрушения принимается равной температуре окружающего воздуха. Временной коэффициент х(t) для золоцементных материалов равен 4. Коэффициент, учитывающий потери энергии при измельчении золоцементного вяжущего в дезинтеграторе, равен 0,95. Результаты расчета энергии активаций, произведенные по зависимости (6.15) с использованием значений вышеуказанных коэффициентов, приведены в табл. 6.3.


^ Таблица 6.2

Значения коэффициентов U0 и материалов на основе цемента



Величина

Образец

Значения величин

при возрасте образцов, сут.

Источник

30

60

90

, МПа

U0,

Цементогрунты

52,05


166,34

42,36


168,52

37,47


168,56

/22/

, МПа

U0,

Песчаный раствор

169,56





/23/

, МПа

U0,

Цемент

48,60


180,00

172,00





/22/


/16/

/22/


Как видно из табл. 6.3, энергия активации исследуемого процесса напрямую зависит от действующего на нее напряжения: с увеличением напряжения на материал его энергия активации уменьшается.

На рис. 6.7 приведена графическая зависимость энергии активации исследуемого процесса от действующего на материал напряжения с учетом потерь энергии.

Зависимость (6.15) показывает, что при увеличении температуры на обрабатываемый материал энергия активации исследуемого процесса понижается (рис. 6.8).


^ Таблица 6.3

Результаты расчетов энергии активации по зависимости (6.15)



Состав

смеси

Ц/З

Скорость

вращения

дисков , с-1

Энергия

удара Q,

Дж.10-14

Напряжение, действующее на материал

g МПа.10-2

Энергия активации

исследуемого процесса

U, кДж/моль

100/0

0

0

0

175,00

100/0

16,67

20,3

14,7

163,00

100/0

33,33

58,1

42,8

144,00

100/0

50,00

71,4

52,6

132,00

60/40

0

0

0

166,30

60/40

16,67

24,5

4,2

162,30

60/40

33,33

147,3

25,2

142,30

60/40

50,00

159,6

27,3

140,30


g.10-2, МПа

U, кДж/моль

Рис. 6.7. Зависимость энергии активации от

действующего на материал напряжения


U, кДж/моль

Т, 0С

Рис. 6.8. Зависимость энергии активации от темпера-

туры окружающего воздуха при фиксированной ско-

рости вращения роторов дезинтегратора =16,67 с-1


Кроме того, наглядно продемонстрирована суть коэффициента перенапряжения D, т.к. знание сути данного коэффициента объясняет явления неравномерности распределения тепловой энергии между атомами твердого тела, порождаемой хаотичностью теплового движения.

Необходимо отметить, что с повышением коэффициента D возрастает наличие в твердом теле определенного числа атомов с повышенной энергией, позволяющей развиваться процессам, которые были бы немыслимы, если бы энергия была распределена равномерно и все атомы обладали бы средней, сравнительно низкой энергией.

Данные обстоятельства говорят о том, что величина энергии активации напрямую зависит от физико-механических свойств измельчаемого материала, а также режимных параметров дезинтеграторной установки.

Из вышеизложенного следует, что энергия активации является важным показателем процесса механической активации, связывающим физико-механические характеристики обрабатываемого материала и технические параметры мельницы с конечными свойствами получаемого продукта. Учитывая, что отношение энергии активации U к средней тепловой энергии, приходящейся на одну степень свободы атомов тела, определяет скорость развития процесса, в данном случае для минеральных вяжущих понижение энергии активации в данном соотношении указывает на такие изменения физико-механических свойств последнего, как повышение сроков схватывания, набора прочности и т.д. Поэтому в зависимости от того, какие свойства готового материала необходимо получить, задается энергия активации процесса механоактивации получаемого материала.

Как было показано, по абсолютному значению U, обусловленному межатомным взаимодействием, можно судить о механизме процесса и участии в нем межатомных перегруппировок и разрывов межатомных связей, в этой связи очень важным является обстоятельство, что определенные из механических испытаний величины U0 для различных твердых тел оказались близкими к начальной энергии активации распада межатомных связей, определяемых независимыми методами (не из механических испытаний), т.е. энергия активации U различных физико-химических процессов сходна по своему численному значению.

Это вносит ясность в картину разрушения тела, позволяя отождествить ее с процессом последовательного распада межатомных связей.

Предположим, что адекватность зависимости (6.15) можно проверить путем исследования кинетики механоактивационных процессов в обрабатываемом материале. В качестве последнего возьмем дифференциально-термический анализ смесей, произведенный на высокотемпературном дериватографе МОМ 1000-1500 с помощью прибора "Derivatograph Q-15000" /24/. Помимо адекватности формулы (6.15), дифференциально-термический анализ смесей определяет эффективность механоактивации.

Суть метода, позволяющего определять параметры уравнения кинетики процесса декарбонизации, сводится к следующему: из-за сложности процессов термического разложения твердых веществ трудно найти количественное описание, адекватное конкретным физико-химическим превращениям в образце. Поэтому эти процессы описывают формальными уравнениями, в качестве которых обычно используют уравнение классической формальной химической кинетики:

, (6.18)

где – степень превращения компонента, масс. доли; – время, мин; К – константа скорости реакции; n – порядок реакции.

Зависимость константы скорости реакции ^ К от энергии активации U (кДж/моль) можно выразить по уравнениям Аррениуса

, (6.19)

где z – предэкспоненциальный множитель, число столкновений молекул в секунду в единице объема; R – универсальная газовая постоянная, кДж/(моль.К); Т – абсолютная температура, К.

Как следует из уравнения Аррениуса, в которое U входит в качестве показателя степени, даже небольшое уменьшение энергии активации приводит к значительному возрастанию скорости реакции.

Температура в образце изменяется по линейному закону:

const, (6.20)

где q – скорость изменения температуры.

Таким образом,

. (6.21)

В работе Н.Л. Глинки предложен интегральный метод определения кинетических параметров уравнения, описывающего неизотермический процесс потери массы образцов.

Уравнение (6.21) записывается в виде

, (6.22)

где

. (6.23)

Интегрирование даст

. (6.24)

Величина интеграла .

Тогда уравнение (6.19) принимает вид

(6.25)

и после логарифмирования

(6.26)

Величина может быть определена по экспериментальным данным для любого заданного n. Энергию активации определяют из условия постоянства разности

const. (6.27)

В качестве критерия правильности выбора величины В рассматривается дисперсия данной величины:

. (6.28)

В качестве наполнителя к цементу в данном исследовании использована зола-унос ТЭЦ-2 г. Омска.

Необходимо отметить, что скорость реакции декарбонизации существенно зависит от размера зерен известняка и повышается с понижением их размера. Для сырьевых смесей влияние на процесс диссоциации карбоната Са оказывает и реакционная способность остальных сырьевых компонентов. Так, например, известно, что глинистые минералы на 90 – 1300С уменьшают температуру диссоциации СаСО3.

Для расчета параметров кинетического уравнения неизотермического процесса декарбонизации используем данные прецизионного дифференциально-термического анализа по методике, описанной выше.

Полученные расчетом на ЭВМ данные представлены в табл. 6.4 и на рис. 6.9, а дериватограмма – на рис. 6.10.

В каждом случае точное содержание карбоната кальция в исследуемых смесях рассчитывается по суммарным потерям массы при съемке дериватограмм. Расхождения по потерям при прокалывании каждого из видов смеси не превышает 0,3 %, что доказывает постоянство их химического состава.

Необходимо отметить, что полученное значение начальной (=0) энергии активации процесса декарбонизации исследуемых смесей совпадает с данными табл. 6.1.


U, кДж/моль

, с-1


Рис. 6.9. Зависимость энергии активации

от скорости вращения роторов дезинтегратора


Сравнение теплот эндотермического процесса декарбонизации для исследуемых смесей различной степени механической обработки показывает, что с увеличением скорости измельчения уменьшается значение энтальпии диссоциации. Поскольку тепловой эффект определялся по площади ДТА – кривой, невозможно разделить собственный эндоэффект декарбонизации и возможные экзоэффекты реакций взаимодействия химически активного оксида кальция с другими компонентами сырьевой смеси. С увеличением длительности обработки смеси, а также с добавлением в вяжущее золы, кроме уменьшения величины эндотермического пика разложения карбоната, происходит снижение температуры декарбонизации.

Анализ уравнения формальной неизотермической кинетики (6.18) показывает, что с повышением энергии активации от 130 до 180 кДж/моль при постоянных значениях остальных параметров скорость изменения степени декарбонизации при увеличении температуры уменьшается, т.е. чем меньше энергия активации, тем быстрее идет химический процесс (рис. 6.11). Можно предположить, что уменьшение затрат внешнего тепла на процесс декарбонизации вызвано появлением источника энергии в смеси, причем интенсивность такого источника по мере увеличения нагрузки измельчения возрастает.


Таблица 6.4

^ Термодинамические и кинетические параметры

процесса декарбонизации механоактивированных смесей

Состав

смеси

Ц/З

Скорость

вращения

роторов,

, с-1

Энергия

активации U,

кДж/моль

Поря-док реак-

ции

n

Предэкс-

понен-

циальный множитель z

<Т>, 0С

Ндек, кДж/моль

К 1000к =

zexp(-U0/RT)

100/0

0

175,0

0,6

1,3.106

740…960

177,4

1,0.10-3

100/0

16,67

163,0

0,4

4,6.105

730…920

167,4

1,4.10-3

100/0

33,33

142,4

0,1

5,2.104

720…910

148,0

1,9.10-3

100/0

50,00

130,7

0,0

1,5.104

720…900

134,1

2,3.10-3

60/40

0

166,3

0,4

6,0.105

730…930

156,5

1,2.10-3

60/40

16,67

160,2

0,3

3,3.105

730…920

145,0

1,4.10-3

60/40

33,33

144,1

0,1

6,8.104

720…920

130,3

2,0.10-3

60/40

50,00

138,3

0,1

3,6.104

720…920

126,8

2,2.10-3



Предэкспоненциальный коэффициент z можно рассматривать как меру интенсивности процесса. Чем больше z, тем больше скорость диссоциации известняка изменяется в сторону, определяемую параметрами U, n.

Наибольшее влияние на кинетику процесса декарбонизации на стадии, лимитируемой химической реакцией, оказывает параметр n. Отрицательное его значение означает, что процесс диссоциации карбоната Са ускоряется с увеличением степени диссоциации. Другими словами, образующийся в ходе реакции оксид Са инициирует процесс дальнейшего разложения карбоната Са, что равносильно, а образующийся оксид Са интенсивно связывается с другими компонентами смеси и тем самым удаляется из зоны реакции. Положительное же значение показателя n означает самоторможение процесса декарбонизации. Абсолютное значение n характеризует интенсивность просмотренных процессов.

Из данных табл. 6.4 явствует прямая связь между термодинамическими Н, U и кинетическими n, z параметрами процесса, что доказывает правильность сделанных выводов.

Рис. 6.10. Дериватограммы: 1- неактивированный цемент с режимом обработки; 2, 3, 4 – активированный цемент обработки соответственно16,67, 33,33 и 50,00 с-1; 5 – неактивированная золоцементная смесь (Ц/З=60/40%); 6, 7, 8 – активированная золоцементная смесь (Ц/З=60/40%) с режимом обработки соответственно 16,67, 33,33 и



К

U, кДж/моль


Рис. 6.11. Влияние энергии активации на скорость

процесса декарбонизации


На кривых ДТА в интервале температур 350 – 410 0С появляется ярко выраженный экзотермический эффект, интенсивность которого увеличивается пропорционально интенсивности механического воздействия. Природа этого эффекта объясняется частичным отжигом дефектов. Необходимо также отметить появившийся экзоэффект при 490 – 650 0С на кривых ДТА для золоцементных образцов. Данный экзоэффект можно объяснить выгоранием недогоревших коксовых остатков.

Как видно из табл. 6.3–6.4, значение энергии активации процесса декарбонизации согласуется со значениями энергии активации процесса механоактивации, определенной по уравнению (6.15) золоцементного вяжущего, тем самым показано, что механоактивация через механическое воздействие на материал влечет за собой его химическое превращение. При этом необходимо отметить, что относительная погрешность значений энергии активации исследуемых процессов, вычисленная по зависимости (6.29) , не превышает 7 %.

%, (6.29)

где – абсолютная погрешность результата; – среднеарифметическое значение результата.


^ 7. ПОЛУЧЕНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИОННЫМ СПОСОБОМ ЗОЛОЦЕМЕНТНОГО ВЯЖУЩЕГО


7.1. Влияние режимных параметров дезинтегратора

на свойства золоцементного вяжущего


      1. Изменение дисперсности


Характеристики используемых материалов для данного и последующих исследований приведены в табл. 7.1–7.3.

Как показано на рис. 7.1 и табл. 7.4, удельная поверхность измельченных в дезинтеграторе минеральных материалов охватывает весь диапазон значений, представляющих интерес для цементной промышленности.


^ Таблица 7.1

Химический состав зол уноса ТЭС-2, ТЭС-4, ТЭС-5 г. Омска, ТЭС-Б


п. Яровое Алтайского края, песка р. Иртыш


Материал

Содержание оксидов, % по массе

SiO2

Fe2O3

Al2O3

СаО

MgO

TiO2

SO3

Na2O

K2O

п.п.п

Сарг.

ТЭС-2

59,7

12,2

20,5

1,7

1,3

-

0,5

0,08

1,5

18,3

-

ТЭС-4

51,3

11,5

27,7

1,6

0,8

1,2

0,8

0,02

0,9

6,0

-

ТЭС-5

57,9

55,7

25,8

1,4

0,5

1,1

0,1

0,8

0,9

5,2

-

ТЭС-Б

54,3

99,6

22,4

2,4

2,8

1,0

0,3

4,2

2,5

15,7

8,6

Песок

94,4

11,0

3,1

0,5

0,2

-

0,1

-

-

0,6

-


Примечание. Способ удаления и место отбора зол-уноса: ТЭС-2 – гидроудаление, золоотвал (каменный уголь Кузнецкого бассейна); ТЭС-4, 5 – гидроудаление из циклонов, золоотвал (экибастузский каменный уголь); ТЭС-Б – гидроудаление (каменный уголь Богатского разреза Кузнецкого бассейна)


Зависимость удельной поверхности (см. рис. 7.1) от числа оборотов ротора дезинтегратора показывает, что принципиально возможно непрерывное, без агломерации, увеличение дисперсности с увеличением интенсивности ударов.

Однако при увеличении скорости обработки материала интенсивность роста его удельной поверхности замедляется.

Данное замечание можно объяснить тем, что разрушение материала в начальной стадии обработки происходит по микропорам и микротрещинам крупных частиц, за счет чего образуется много мелких частиц размером 1…5 мкм, дальнейшее измельчение которых затруднено. При этом необходимо отметить, что при совместном измельчении цемента с золой удельная поверхность относительно скорости помола растет быстрее, чем при измельчении этих материалов каждого в отдельности. Это явление можно объяснить уменьшением аутогезионных сил совместно измельченных материалов, а также из-за дополнительного их измельчения

между собой.


Таблица 7.2




оставить комментарий
страница5/10
Дата04.03.2012
Размер1,76 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх