UTILAJE PENTRU REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR

CURSUL 1

PROCESUL DE MĂRUNŢIRE

1.1. Consideraţii generale

Într-o serie de procese ce se întâlnesc în industria chimică, cocso-chimică, minieră, alimentară şi industrii similare se impune ca materiile prime, produsele finite sau produsele intermediare, să fie mărunţite fie pentru accelerarea unei faze tehnologice, fie pentru obţinerea unui anumit produs din materia primă, fie chiar şi numai pentru realizarea comercializării produselor. Intensitatea multor procese depinde de mărimea suprafeţei materialului solid căruia i se aplică. Aria suprafeţei are o mare importanţă pentru vitezele de reacţie, randamentele proceselor tehnologice şi calitatea produsului final. În unele cazuri prin mărunţire se urmăreşte modificarea dimensiunilor şi granulozităţii materialelor, cerută de faza tehnologică care urmează în cadrul procesului tehnologic.

Studierea proceselor de mărunţire şi a utilajelor aferente este deosebit de importantă datorită faptului că operaţia de mărunţire este energointensivă şi se urmăreşte scăderea consumului de energie necesar reducerii dimensiunilor materiilor prime la dimensiuni necesare prelucrării ulterioare.

Generic, mărunţirea poate fi definită ca operaţia care are ca obiect reducerea dimensiunilor materiilor prime sau materialelor sub acţiunea unor forţe mecanice. Materialele solide supuse mărunţirii au iniţial forme şi dimensiuni geometrice foarte variate şi proprietăţi fizico-mecanice specifice naturii acestora.

Procesul de mărunţire sau reducere a dimensiunii se bazează pe studii probabilistice. Atât alimentarea unui utilaj cât şi produsul rezultat se defineşte cu

7

Cap.1. Procesul de mărunţire

ajutorul funcţiei de distribuţie a dimensiunilor particulelor, ceea ce exprimă probabilitatea ca o particulă de o anumită mărime să fie prezentă într-un eşantion de material de măcinare. Scopul proiectării unui utilaj de mărunţire este acela de a determina condiţiile necesare pentru creşterea probabilităţii de mărunţire a particulelor cu anumite dimensiuni şi pentru obţinerea unei distribuţii a dimensiunilor dorite la produsul final. Procesul de mărunţire trebuie să se realizeze în aşa fel încât materialul prelucrat să nu sufere modificări nedorite, cum ar fi impurificarea sau încălzirea excesivă.

Mărunţirea materialelor solide se realizează prin operaţii tehnologice de concasare, măcinare, granulare, tăiere.

Concasarea este operaţia de sfărâmare a unui material dur în bucăţi mai mici, cu ajutorul utilajelor speciale numite concasoare.

Măcinarea este operaţia de mărunţire fină a materialelor. Ea se efectuează cu ajutorul morilor.

Granularea este operaţia de sfărâmare a unui material dur, în bucăţi mărunte, având forme geometrice rotunjite.

Tăierea este operaţia de detaşare sau desprindere a unei porţiuni dintr-un material solid, prin strivire locală (ceea ce constituie tăierea propriu-zisă), forfecare, despicare sau aşchiere.

Mărunţirea poate avea următoarele scopuri: - facilitarea sau grăbirea operaţiilor fizico-chimice prin creşterea suprafeţei

de contact între fazele care participă la transferul de căldură sau de materie, cum este cazul dizolvării unor substanţe, uscării;

- separarea constituenţilor unui produs până la limita în care fiecare particulă reprezintă un component, aceştia putând fi apoi separaţi prin cernere, flotaţie etc;

- necesitatea omogenizării amestecurilor eterogene; - obţinerea fineţii necesare pentru a conferi produselor caracteristicile cerute. Operaţia de mărunţire este influenţată de o serie de factori care sunt prezentaţi

în tabelul 1.1.

8

UTILAJE PENTRU REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR

Tabelul 1.1 Factorii care influenţează mărunţirea Proprietăţile fizico-mecanice ale materialului de mărunţit

Caracteristicile constructive şi funcţionale ale utilajelor de mărunţire

Proprietăţile fizico-mecanice ale materialului mărunţit

Factori economici

- mărimea, forma, structura materia-lului;

- umiditatea; - rezistenţa meca-

nică la compre-siune, întindere, forfecare;

- duritate; - elasticitate; - plasticitate; - adezivitate; - abrazivitatea; - sensibilitatea

termică.

- modul şi durata de acţiune asupra mate-rialului de mărunţit;

- uzura organelor active; - gradul de mărunţire; - temperatura de lucru; - tipul mecanismului

mărunţirii; - riscul de impurificare a

produsului final.

- granulaţia finală; - mărimea, forma şi

structura particu-lelor mărunţite;

- reactivitatea chimi-că a particulelor;

- suprafaţa specifică finală;

- greutatea specifică a materialului în vrac;

- numărul trep-telor de mărun-ţire;

- utilizarea sitelor pentru cernerea între treptele de mărunţire şi la final;

- consumul spe-cific de energie necesar;

- alimentarea şi evacuarea pro-dusului;

- funcţionarea continuă sau discontinuă.

Mecanismele mărunţirii sunt diferite funcţie de construcţia maşinii în care

aceasta este efectuată conform figurii 1.1:

În figurile 1.1, a, b se reprezintă schematic procesul de mărunţire prin

compresie şi frecare, a unei particule sau a unui colectiv de particule. Suprafeţele de lucru pot fi netede sau cu nervuri având forma geometrică plană sau curbă. Mecanismul de mărunţire este specific concasoarelor cu fălci, cu con şi cu valţuri.

Fig. 1.1

Mecanismele mărunţirii

9

Cap.1. Procesul de mărunţire

Mărunţirea prin contact cinetic cu o suprafaţă dură (fig. 1.1, c) este întâlnită la concasoarele cu ciocane fixe. În cazul concasoarelor cu ciocane articulate şi a morilor cu bile sau bare, mărunţirea se produce prin contact cinetic şi frecare pe o suprafaţă dură, cum ar fi blindajul concasorului sau corpurile de măcinare (figura 1.1, d). Granulele pot fi mărunţite şi prin ciocnire între ele (fig. 1.1, e) aşa cum se întâmplă în cazul morilor cu jet. Mecanismul mărunţirii prin tăiere, forfecare sau desprindere (fig. 1.1, f) se aplică materialelor solide cu rezistenţă la forfecare mai mică de 70,4 10 Pa⋅ . Pentru domenii bine precizate, se folosesc mecanisme pentru mărunţirea materialelor solide prin solicitări în medii gazoase sau lichide, în care sunt introduse aceste materiale.

Operaţia de mărunţire este evaluată prin gradul de mărunţire definit de relaţia:

Did

= (1.1)

unde: D - dimensiunea medie a materialului alimentat; d - dimensiunea medie a materialului mărunţit.

În funcţie de valoarea gradului de mărunţire operaţiile de mărunţire pot fi împărţite în două grupe mari: sfărâmare, cu ajutorul concasoarelor şi măcinare, cu ajutorul morilor. Termenul de măcinare se foloseşte şi atunci când materialul de mărunţit este procesat împreună cu un mediu de măcinare în camere rotative sau oscilatoare. Acest lucru presupune contactul maxim între mediu şi material între care au loc procese abrazive şi de impact. Mediul de măcinare poate fi format din bile de oţel, bare de oţel, bucăţi de material ceramic sau chiar bucăţi de material de măcinat, caz în care măcinarea se numeşte autogenă. Tabelul 1.2 prezintă clasificarea operaţiilor de mărunţire.

Tabelul 1.2 Clasificarea operaţiilor de mărunţire

Denumirea operaţiei Dimensiunile maxime ale bucăţilor [mm] Gradul de mărunţire

Materialul alimentat (D)

Materialul rezultat (d)

Did

=

Concasare

Grosieră 1300-200 250-40 5≤ Mijlocie 200-50 40-10 5 măruntă 50-20 10-1 5-20

Măcinare 25-3 0,4≤ 15≥ Măcinare coloidală 0,75< 0,1 mµ≤

10

UTILAJE PENTRU REDUCEREA DIMENSIUNILOR MATERIALELOR

Metoda optimă de mărunţire variază în funcţie de material. De aceea alegerea ei ţinând cont şi de costul operaţiei, presupune experienţă, înţelegerea practică a modului de utilizare a energiei precum şi uzura părţilor ce sunt în contact direct cu materialul de mărunţit.

1.2 Teoriile mărunţirii

Datorită faptului că operaţia de mărunţire este una dintre cele mai costisitoare operaţii, pentru raţionalizarea procesului şi implicit reducerea costurilor, au fost elaborate numeroase studii referitoare la determinarea factorilor care influenţează mărunţirea sau la perfecţionarea utilajelor.

Fundamentele teoriei moderne a mărunţirii au apărut în secolul al XIX-lea în Germania unde Rittinger în 1867 şi Kick în 1885 au propus modele de calcul bazate pe aria suprafeţei şi respectiv pe volumul particulei de material. În 1951 Bond a dezvoltat o nouă teorie numită “a treia”, care este larg utilizată şi în zilele noastre. Charles a stabilit o teorie generală care permite calcularea energiei utile de mărunţire, valabilă pentru orice material supus mărunţirii. Conform acestei teorii raportul dintre variaţia energiei de mărunţire, dE şi variaţia dimensiunii granulei, dx este negativ şi invers proporţional cu dimensiunea x a granulei ridicată la o putere m , ce depinde de natura materialului şi condiţiile de mărunţit:

m m

dE C CdE dxdx x x

= − ⇒ = − (1.10)

unde: C - constantă de proporţionalitate. Energia utilă de mărunţire va fi:

0

E d

s mD

CE dE dxx

= = −∫ ∫ (1.11)

Pentru valoarea 1m = relaţia de mai sus se integrează şi astfel se obţine legea

Kick-Kirpicev:

11 1lg lgsE Cd D

= −

(1.12)

11

Cap.1. Procesul de mărunţire

Potrivit legii Kick-Kirpicev energia necesară pentru mărunţirea unor corpuri asemănătoare şi omogene variază direct proporţional cu volumele sau greutăţile acestor corpuri. Coeficientul 1C corespunde consumului de energie, pentru mărunţirea

unei unităţi de greutate a materialului de mărunţit cu un grad de mărunţire multiplu de zece. Legea Kirpicev a fost verificată experimental şi s-a observat o bună concordanţă în cazul materialelor de dimensiuni mari dar erori importante în cazul materialelor de dimensiuni mici. Pentru valoarea 2m = din relaţia (1.11) se obţine legea Rittinger:

21 1

sE Cd D

= −

(1.13)

Potrivit legii Rittinger, energia utilă de mărunţire este proporţională cu

creşterea suprafeţei specifice a materialului. Coeficientul 2C este egal cu consumul de

energie necesar pentru formarea unei unităţi noi de suprafaţă specifică. Legea Rittinger verificată experimental dă bune rezultate în cazul materialelor de dimensiuni mici. Pentru valoarea 1,5m = din relaţia (1.11) se obţine legea Bond:

31 1

sE Cd D

= −

(1.14)

Potrivit legii Bond, energia utilă mărunţire este egală cu diferenţa dintre

energiile conţinute de material după şi înainte de mărunţire.

12