ОСОБЛИВОСТІ НОРМАЛЬНИХ ДЕФОРМАЦІЙ УЩІЛЬНЕНИХ ОСАДІВ ПРИ АКТИВІЗАЦІЇ ОБ'ЄМНОГО ЗСУВУ

Гарковенко Є.Є.
Донецький національний технічний університет

Источник: Гарковенко Є.Є. Особливості нормальних деформацій ущільнених осадів при активізації об’ємного зсуву // Вісник Криворізького технічного університету. – 2005. – вип.7. – с. 89-93.

Вугілля ще значний час буде головною складовою частиною паливно-енергетичного комплексу України. В останні роки в рядовому вугіллі, що надходить на збагачення, відбувається неухильне зростання вмісту шламів, тонких та глинястих фракцій. При цьому найбільші труднощі виникають при зневодненні мілких і тонких класів корисної копалини. Вдосконалення технології механічного зневоднення, яке є найменш коштовним, дозволить економити паливо, що витрачається на сушарному обладнанні, особливо для підприємств, переробляючи коксівне вугілля.

Одним з процесів механічного зневоднення є фільтрування під дією перепаду тиску, котре використовується досить широко в різних галузях промисловості. Теоретичні та експериментальні дослідження призвели до розробки основ гідродинаміки та фізики процесу, створенню та успішному впровадженню різних методів фільтрування і приладів для реалізації цих методів в промисловості [1,2].

Однак, підвищення вмісту тонких класів в живленні процесів зневоднення викликає необхідність в вирішенні нових теоретичних та практичних задач, таких як використання при фільтруванні спеціальних заходів, змінювання співвідношення між фазами процесу, застосування хімічних речовин для обробки поверхні частинок, раціональне формування осадів.

Швидкість видалення вологи залежить від прикладеного перепаду тиску та опору осаду й визначається капілярними явищами, параметрами взаємодії фаз, а також мікроструктурою порового середовища. Структура порового середовища осаду залежить в свою чергу від його фізичних параметрів (форми й розміру частинок, пористості, величини питомої поверхні).

Слід зазначити, що мікроструктура осаду визначається не тільки його гранулометричним складом, але й параметрами динамічного впливу на осад, що зневоднюється механічними методами. Тому виникає необхідність в виконанні критичного аналізу впливу властивостей осадів, мікроструктури складного пористого середовища на вдосконалення методів та розширення можливостей їх обезводнення. Такий аналіз дасть змогу визначити в порівнянні відповідний вплив різних факторів на технологічні можливості процесу та шляхи вдосконалення властивостей осадів та розробку технології зневоднення.

Метою даної роботи є дослідження властивостей тонких ущільнених осадів при накладанні динамічних полів, наприклад об'ємного зсуву.

При дослідження різних процесів досить часто користуються так званими ідеальними середовищами. В даному випадку ідеальним середовищем буде осад, що сформований з кулеподібних частинок. При різних способах укладки кульок друг відносно друга можна одержати різні властивості середовища, що досліджується, і таких способів укладки існує дев'ять різновидів. При цьому пористість середовища коливається в широкому інтервалі значень: від т = 0.26 до т = 0.78. В першому випадку кожна кулька торкається з дванадцятьма іншими, в другому – з трьома сусідніми.

В тому разі, якщо середовище уявляє собою ромбоедр, то пористість визначається за формулою [3]:

де β – кут ромба, з якого утворені грані ромбоедра. З формули (1) витікає, що основним параметром є відносне розташування частинок, тобто укладки їх.

На рис. 1 показано деякі способи укладки частинок.

Мал. 1. Кубічний (а) та гексагональний (б) спосіб укладки частинок в ідеальному середовищі при формуванні тонких осадів

Найбільш пухка укладка осаду утворюється при кубічній системі розташування кульок-частинок. При цьому кут дорівнює значення β = 90°, а центр кожної частинки розташований над центром кульки, яка лежить нижче, та під центром кульки, яка находиться віще. Кожна кулька входить в контакт з шістьма розташованими поруч кульками. В цьому разі пористість осаду має величину т = 0.48. Елементарні пори мають форму октаедру з угнутими сферичними гранями. Радіус найбільш вузьких проходів, що виникають між сусідніми частинками-кульками, дорівнює радіусу кола, вписаного між ними (див. рис. 1, а). Цей радіус визначається наступним співвідношенням:

(2)

Тут r - радіус вписаного між сусідніми частинками кола; d - діаметр частинки.

Найбільш щільну укладку порового середовища можна одержати при гексагональній укладці (див. рисі, б). В цьому випадку кожний наступний ряд кульок зсувається по двох перпендикулярних напрямках (площинах) один відносно одного в межах змінювання кута β від β = 90° до β = 60° . Кількість точок дотику кульок-частинок підвищується до дванадцяти, а пористість зменшується до мінімального значення т = 0.26.

Гексагональна укладка дає змогу одержати пори двох видів: тетраедричної та ромбоедричної форми з угнутими сферичними гранями. Порове середовище має досить складну форму навіть для ідеалізованого осаду. Радіус найбільш вузьких проходів визначається з формули:

(3)

В реальних умовах укладка частинок випадкова, також випадкова їх форма та кількість точок дотику. Тому порове середовище реальних осадів має досить складну структуру та може описуватися характеристиками вірогідності [4, 5].

Існує значна кількість параметрів, що характеризують стан осаду в процесі його зневоднення. Живлення такої операції зневоднення як фільтрування під дією перепаду тиску на дискових вакуум-фільтрах, що використовуються для кеку, та на фільтр-пресах, котрі зневоднюють тонкі осади відходів флотації, які важко фільтруються, уявляє собою суспензію. З підвищенням концентрації суспензії її початкові частинки (особливо в разі наявності глинистих порід) утворюють агрегати, тобто в суспензії виникає об'ємна структурна сітка.

В тому разі, коли агрегати є достатньо стійкими для того, щоб зберегти свою форму при формуванні осаду на фільтрувальній тканині або сітці, то фільтрація рідини відбувається по каналам між агрегатами. В такому осаді можна спостерігати два різновиди пор: пори міжагрегатні, що визначаються крупністю агрегатів та їх гранулометричним складом, та пори в самих агрегатах, які визначаються крупністю початкових частинок та порозністю агрегатів.

При утворенні осаду течія рідини відбувається по міжагрегатним порам, а при подальшому фільтруванні за рахунок часткового або повного видалення вологи з агрегатів існує можливість їх зминання та руйнування.

В результаті утворення агрегатів в суспензії питомий опір осаду зменшується внаслідок зниження внутрішньої питомої поверхні каналів.

Для підвищення ефективності зневоднення осадів, які важко фільтруються, необхідно використовувати динамічний вплив на осад, як найбільш дешевий механічний засіб. Це повинно прискорити процес переформування каналів та агрегатів в структурі осаду і як наслідок підвищити швидкість пересування рідини. Одним з напрямків використання динамічної дії на осад може бути накладення зсувних деформацій або зсувних полів.

Тонкі глинисті осади відносяться до зв'язних. Такі осади відрізняються від незв'язних (сипких) тим, що частинки та окремі агрегати частинок в них є зв'язаними між собою. Ці зв'язки можуть бути пластичними (водно-колоїдними) та частково жорсткими (цементаційно-кристалізаційними) [6]. При цьому опір зсуву буде в значній мірі залежати від сил зчеплення тобто від зв'язності частинок в осаді.

Всілякий зовнішній тиск на водонасичені зв'язані осади за умов вільного відтоку (видаленню) вологи викликає значне змінювання їх густини та вологості, що впливає на загальний їх опір зсуву.

Показники опору зсуву залежать від тиску та умов в точках контакту частинок. Межовий опір зсуву при прямому площинному зсуві визначається при випробуванні осадів на однозрізувальних приладах. Приклад конструкції такого приладу наведено на мал. 2 [6].

Мал. 2. Зрізувальний прилад для випробування осадів на зсув: 1 – вантаж, 2 – фільтр, 3 – зразок осаду

При проведенні випробувань циліндричний зразок осаду розташовують в зрізувальному приладі так, щоб одна його половина залишалась нерухомою. Інша половина повинна мати змогу переміщатися в горизонтальному напрямку під дією зсовуючого навантаження Т. Також до зразка осаду прикладають нормальне до поверхні зсуву навантаження N.

Для кращого зв'язку штампу з осадом в штампі утворюють невеличкі виступи, котрі при зсуві врізуються в нижню та верхню поверхні осаду. Це забезпечує зв'язок штампу з осадом та більш рівномірне розподілення зсувних напружень по площині зрізу.

Зсувне дотичне навантаження прикладають до площини зрізу до тих пір, поки не відбудеться зсув та ковзання однієї частини осаду відносно другої. При цьому одночасно з прикладанням навантаження виконують вимірювання вертикальних пересувань осаду.

В залежності від первинного стану осаду на поверхні фільтруючої тканини можна одержати різні показники вертикальних пересувань. Варіанти результатів вимірів змінювання вертикальних розмірів осаду показані на мал. 3.

В позиції а показано осад при умові гексагональної упаковки, тобто кульки-частинки в шарах 1, 2, 3, 4 розташовані досить густо і осад має мінімальну пористість і висоту h. При накладанні зсувних деформацій до такого осаду, котрі відбуваються по площині А, тільки шари кульок 2 та З змінюють своє розташування на кубічну упаковку. В такому разі пористість декілька збільшується (див. мал. З, б). Висота осаду виростає на величину Δ₁h. Такі умови виконуються при використанні зрізувального приладу, що наведений на мал. 2.

Мал. 3. Варіанти змінювання вертикальних розмірів осаду в залежності від його первинного стану: а – гексагональна упаковка; б – зсув в одній площині; в – кубічна упаковка; г — недоконсолідований осад; д – переконсолідований осад

В тому разі, коли створюються умови для забезпечення пересування всіх шарів кульок відносно їх первинного стану та розташування центрів ваги кульок таким чином, щоб центр кожної частинки був розташований над центром кульки, яка лежить нижче, та під центром кульки, яка находиться віще, тобто виконуються умови для кубічної упаковки, висота осаду збільшується. Величина цього збільшення має значення Δ₂h. Для співвідношення Δ₁h та Δ₂h виконується наступна залежність:

Δ₂h > Δ₁h. (5)

При формуванні шару осаду на поверхні фільтрувальної тканини у фільтрувальному пристрої, будь то вакуумний дисковий фільтр або фільр-прес, живлення надходить до цієї поверхні у вигляді суспензії. І тому осад у первинному стані уявляє собою недоконсолідований, який умовно показаний на рис. З, г, і має висоту Н. Якщо активізувати об'ємний зсув в цей момент, то при недоконсолідваному стані осаду він може змінити свій стан на переконсолідований, який приведено на мал. З, д. При цьому висота осаду зменшиться на значення Δ₃h, канали між частинками будуть мати мінімальні розміри як в випадку гексагональної упаковки (мал. З, а). В такому разі мета, з якою збуджуються зсувні деформації в осаді, не буде досягнута і збільшення площі перетину каналів між частинками для видалення вологи не відбудеться.

При постійній швидкості деформації осаду діаграма зсуву буде мати вигляд, який представлений на мал. 4 [6].

Мал. 4. Діаграма зсуву для переконсолідованого (1) та недоконсолідованого (2) осаду

Дослідження свідчать про те, що осад при зсуві досягає певного значення пористості. При цьому пористість переконсолідованих осадів при зсуві збільшується, а недоконсолідованих – зменшується.

Для досягнення осадом переконсолідованого стану на фільтрувальній тканини необхідні деякі умови: перепад тиску, час та певне значення вмісту вологи в осаді. І тільки після цього накладення зсувних полів на осад може дати очікуваний ефект збільшення його пористості та як наслідок підвищення швидкості видалення вологи по міжчастинковим та міжагрегатним каналам. В такому разі досягається зниження кінцевої вологості осадів.

Подальші дослідження можуть бути направлені на визначення процесу активізації об'ємного зсуву, моменту та тривалості його активізації та впливу на показники механічного зневоднення тонких осадів, що важко фільтруються.


Список літератури

1. Майдуков Г.Л. Технология фильтрования продуктов обогащения углей. М.: Недра. – 1975. – 142с.

2. Бейлин М.И. Теоретические основьі процессов обезвоживания углей. М.: Недра. – 1969. – 238с.

3. Лейбензон Л.С. Движение природньїх жидкостей и газов в пористой среде. Гостехиздат. – 1947. – 210с.

4. Е.И. Назимко, Е.Е. Гарковенко Микроструктура кека флотоконцентрата и ее роль в процессах обезвоживания // Збагачення корисних копалин. – 2000. – №9 (50). – с. 93-98.

5. Гарковенко Е.Е., Назимко Е.И., Самойлов А.И., Папушин Ю.Л. Особенности флотации и обезвоживания тонкодисперсньїх углесодержащих материалов. Донецк: Норд- Пресс. – 2002. – 266 с.

6. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Вьіща школа. – 1979. – 272 с.