Эффективное смешивание инновационным смесителем «ТОРС» // Строительные материалы. 2016. № 12.

Авторы:

И.Ф. ШЛЕГЕЛЬ - канд. тех. наук, директор ООО «ИНТА-СТРОЙ»;
Г.Я. ШАЕВИЧ - исполнительный директор ООО «ИНТА-СТРОЙ»;
А.В. АНДРИАНОВ - начальник отдела ООО «ИНТА-СТРОЙ»;
Д.А. ПЕРМЕНЕВ - инженер-технолог ООО «ИНТА-СТРОЙ».

 

Растущие требования к качеству современных строительных смесей приводят к созданию новых смесителей, обеспечивающих высокую однородность конечного продукта. Выбор смесительного оборудования является ответственным шагом на пути получения смеси высокого качества.

 

Равномерное распределение многокомпонентных добавок в смеси во многом зависит от интенсивности и времени воздействия рабочих органов на материал, оптимальной энергонапряженности процесса, от свойств перемешиваемых компонентов. Однако, получение гомогенных смесей, процесс достаточно дорогой, требующий высоких затрат энергии, поэтому зачастую выбирается не оптимальная степень совмещения компонентов, а всего лишь минимально достаточная или практически достижимая при использовании смесительных агрегатов «классической» конструкции.

 

Перед коллективом института «ИНТА-строй» стояла задача не только создать высокоэффективный смеситель с уменьшенным энергопотреблением, но и разработать и предоставить методику определения качества смешивания. Проанализировав ряд стандартных методов качественной оценки смеси, был разработан метод, основанный на определении коэффициента вариации с последующей его оценкой [1].

 

Смешивание различных материалов – сложный механический процесс. Основной качественный критерий завершенности процесса смешивания – однородность конечного продукта. Однородной считается смесь, в которой содержание компонентов в любом ее объеме не отличается от заданного содержания всей смеси.

 

Невозможно определить, насколько равномерно распределены все компоненты в смеси. Проследить за равномерностью распределения 1-2 компонентов можно. Экспериментально установлено, что если какой-то компонент распределен в смеси равномерно, то и другие компоненты также распределены равномерно. Однако определить равномерность распределения этих компонентов можно лишь в тех случаях, когда методы их количественного определения сравнительно просты и наличие других компонентов не мешает анализу. Такие компоненты называют «ключевыми».

 

Эффективность смешивания, которое рассматривают как стохастический (случайный) процесс, определяют на основе статистических характеристик смеси. Такой характеристикой обычно служит коэффициент вариации (неоднородности) распределения «ключевого» компонента в смеси.

 

Коэффициент вариации определяют по формуле:

 

где

 

 – среднее содержание «ключевого» компонента в смеси, %;

X_i – содержание «ключевого» компонента в каждой из проб, %;

n – число проанализированных проб.

 

Для оценки процесса смешивания следует придерживаться следующих показателей принятых в пищевой промышленности [2]:

 

V_c < 5% - качество смеси отличное;

5% < V_c < 7% - хорошее,

7% < V_c < 15% - удовлетворительное,

V_c > 15% - плохое.

 

Опираясь на принципы, изложенные выше, для определения эффективности смешивания предложена и опробована следующая методика. В шихту вводится известное количество «ключевого» компонента, в данном случае, использованы гранулы вспенивающегося полистирола марки FSA, фракции 0,8 – 1,2 мм. Количество вводимого компонента может составлять 1-2% от массы материала. В процессе перемешивания отбираются представительные пробы. Количество проб должно быть не менее 3 и масса каждой пробы - не менее 3 кг.

 

Вторым шагом, в методике определения качества смешивания является анализ содержания «ключевого» компонента в 5-10 навесках по 100 г каждая, отобранных из каждой представительной пробы методом квартования. Материал и полистирольные гранулы высушиваются при 105ОС. В процессе сушки полистирольное зерно вспучивается, что позволяет его легко отделить от остальной (песчаной, цементной и тд.) составляющей и взвесить. Вычисляется процентное содержание гранул в каждой отдельной пробе. Для полученных значений содержания компонента в пробах, по формуле (1) рассчитывается коэффициент вариации. Средне значение коэффициентов вариации представительных проб и является критерием оценки эффективности смешивания.

 

В сложившейся ситуации, когда существующее технологическое оборудование, как и сама реализуемая ими модель смешивания, практически полностью исчерпали возможности дальнейшего улучшения, особую опасность представляет распространенное заблуждение, что достигнутый уровень однородности смеси является вполне достаточным и дальнейшее его повышение экономически не целесообразно. При этом забывается тот факт, что производственная практика получения смесей высокого уровня однородности, зачастую останавливается именно на грани экономичности, обусловленной самим типом применяемого смесительного оборудования. Имея сравнительный метод оценки качества, перед ООО «ИНТА-строй» встал вопрос создания смесительного оборудования, отличающегося простотой конструкции, но в тоже время способного за короткое время перемешать сухие смеси с оптимальными энергозатратами. Такой машиной стал торовый смеситель «ТОРС».

 

Известные смесители циклического действия с горизонтальным валом, в зависимости от диаметра активатора и угловой скорости вращения смешивающего органа, осуществляют перемешивание компонентов сухих смесей в четырех основных режимах. Условно их можно обозначить как: «тихоходный», «среднескоростной», «скоростной» и «высокоскоростной» режимы смешивания [3]. Изобретение ООО «ИНТА-строй» [4] относится к «скоростным» смесителям периодического действия.

 

Для «скоростных» смесителей характерно помимо механического воздействия смешивающих органов на обрабатываемый материал интенсивное воздействие динамических потоков смешиваемых компонентов, что, в свою очередь, обеспечивает глубокое объемное перемешивание массы материала в «мертвых» зонах, однако полностью исключить такие зоны в существующих смесителях не получалось. Эта проблема была решена за счет особенности конструкции смесителя «ТОРС».

 

Рассмотрим конструкцию и основные особенности смесителя на примере пилотной установки «ТОРС-150», прошедшей комплекс испытаний на производственной базе ООО «ИНТА-строй» (рис.1).

 

Данная модель имеет рабочий объем корпуса 150 литров, мощность привода активатора 5,5 кВт, скорость его вращения 1440 об/мин.

   

Смеситель «ТОРС-150» состоит из смесительной камеры (1), выполненной в форме сектора тора, в днище (2) которого смонтирован активатор (3), установленный на валу электродвигателя (4). К днищу (2) крепится поворотное устройство (5), повороты камеры (1) осуществляются за счет мотор-редуктора (6). Для загрузки и выгрузки материала служит горловина (7), соединенная с торовой камерой (1). При выгрузке материала камера (1) поворачивается за счет устройства (5) вниз горловиной (7), а при загрузке – вверх. При работе смесителя происходит качание корпуса на предварительно настроенный угол в каждую сторону. Для управления активатором и настройки качания служит шкаф управления (8), установленный на раме смесителя.

 

Компоненты, приготовленные для смешивания, загружают через горловину, закрывают крышку камеры. Включается электродвигатель, который приводит во вращение активатор с закреплёнными на нём лопастями. Начинается процесс перемешивания. Материал захватывается лопастями, развернутыми под острым углом в направлении вращения и формирующими вокруг вала некое подобие шнековой лопасти, способствующей не только закручиванию и радиальному разбросу материала под действием центробежных сил, но и его выталкиванию вперед по периметру днища в объем камеры. В центре активатора создается зона разряжения, где материал снова направляется в зону действия лопастей. В результате создается свободная многократная циркуляция материала по всему объему камеры, в процессе которой происходит аэрация материала – дополнительное насыщение его воздухом, что предотвращает комкование материала.

 

Тороидальная поверхность камеры, ограничивающая объем, где происходит перемешивание материала, не препятствует свободе перемещения последнего вверх и вперед, обеспечивая минимальное сопротивление движению материала, чего невозможно добиться, используя цилиндрическую вертикальную или горизонтальную камеры.

 

Кроме того во время работы установки происходит качание смесительной камеры относительно горизонтальной оси поворотного устройства на предварительно настроенный угол вправо и влево для лучшего перемешивания материалов и полного устранения застойных зон.

 

Процесс продолжается до тех пор, пока смесь не станет оптимальной. После чего двигатель отключается, камера смесительная разворачивается на нужный угол (до 180°). Крышку камеры открывают и выгружают полученную смесь через горловину.

 

Система управления, позволяет производить настройку угла качаний, задавать их количество в одном цикле. Встроенный частотный преобразователь позволяет изменять скорость вращения активатора, подбирая оптимальный режим смешивания, и контролировать токовые нагрузки. Допускается ручной запуск активатора и качаний отдельно друг от друга, а так же поворот камеры в любую сторону на необходимый угол.

 

По методике определения качества смешивания была проведена серия экспериментов с различными материалами (легкие, тяжелые и очень тяжелые). Полученные результаты представлены в таблице 1.

 

По результатам испытаний установлено, что смеситель «ТОРС» качественно перемешивает различные материалы на уровне зарубежных аналогов, при этом он имеет меньшую стоимость и энергоемкость.

 

Для каждой смеси можно подобрать свой оптимальный режим смешивания, экспериментально определяя наилучший результат за определенное время, подбирая скорость вращения активатора с наименьшими показаниями токовой нагрузки.

 

Кроме того, для визуальной оценки качества смеси, в каждый материал добавлялся краситель. Например, в песок вводился оксид железа красного цвета в количестве 0,5% от общей массы, после 5 минут перемешивания наблюдался песок, равномерно окрашенный в красный цвет по всему объему (рис. 2).

 

     

Сотрудниками института было принято решение не останавливаться на достигнутых результатах, и в новой герметичной конструкции, провели эксперимент по получению глиняного шликера. В установку загружали сухие комья глины из карьера и добавляли воду. При обработке данной смеси на выходе получили однородный шликер с взмученными частицами глинистой составляющей.

 

При проливе через сита обнаружилось хорошее разделение на тонкодисперсные глиняные частицы и твердые частицы песка. Поэтому установку «ТОРС» можно так же рекомендовать как агрегат для глинороспуска и получения качественного шликера.

   

На основе полученных данных конструкторами института разработан типоразмерный ряд смесителей серии «ТОРС» (табл. 2).

 

Список литературы

1. Шлегель И.Ф., Шаевич Г.Я., Рукавицын А.В., Носков А.В., Слемнев Д.А. Определение эффективности смешивания при пластической подготовке сырья//Строительные материалы 2012. №8.
2. Черняев Н. Оценка качества смеси и эффективности работы дозаторов и смесителей// Комбикорма. 2010. №4, С.36-37.
3. А.В. Телешов, В.А. Сапожников. Производство сухих строительных смесей: критерий выбора смесителя. // Строительные материалы 2000. №1, С. 10-11.
4. Шлегель И.Ф. Смеситель для сыпучих материалов. Патент RU 2538889. МПК: B01F7/00. Опубл.10.01.2015. Бюл. №1