Усреднение – это многостадийный процесс, имеющий целью смешивание больших объемов материалов для получения однородной по химическому и фракционному составу среды. В ходе процедуры усреднения происходит принудительная перегруппировка частиц двух или более сред для получения однородной смеси с заданными характеристиками.
Способы усреднения сыпучих материалов в металлургическом производстве
В отечественной и зарубежной практике для усреднения больших объемов материалов применяют специализированное смесительное оборудование, основой конструкции которого являются объемные бункеры и транспортирующие устройства. На крупных металлургических комбинатах, для этой цели используется мощное загрузочно-усреднительное оборудование доменных или агломерационных цехов. Усреднение здесь предусматривает укладывание определенным образом объема сырья и, после его накопления, последовательный его забор, в ходе которого происходит качественное перемешивание.
В соответствии с современной технологией, специалисты проводят усреднение для получения шихты стабильного состава. Ход работ таков:
- На специальных накопительных складах формируют большие штабеля сырьевых материалов: специализированные усреднительные устройства (конвейерные штабелеукладчики) свободно перемещают материалы в трех направлениях, формируя ровные ряды.
- К штабелеукладчикам материалы подаются конвейерными установками. Так получают штабели аглоруд, концентратов, известняков, топливных материалов.
- Впоследствии, при помощи специального грузозахватного оборудования (экскаваторов, рудозаборных машин, грейферных перегружателей) с торца штабеля производится забор материала, так, что одновременно захватываются все слои штабеля. В итоге, химический состав каждой порции забранного сырья получается практически одинаковым.
ДЛЯ СПРАВКИ: На зарубежных промышленных предприятиях есть практика формирования на территории усреднительного склада от 4 до 6 штабелей сырья и топлива (средний запас составляет 1,5 млн.т.).
Первую стадию усреднения осуществляют штабелукладчики, вторую – специальные усреднительные машины на 1 или 2 ротора. Срезание слоев различных по составу материалов проводится с участием зубчатого рыхлителя, а забирается масса ковшовым ротором, на котором оборудовано множество ковшовых черпаков. Следующим этапом масса погружается в бункер, а оттуда – на ленточный конвейер.
Процессы смешивания сыпучих материалов в химическом производстве
В химической промышленности, а также смежных отраслях зачастую имеется необходимость усреднения или смешивания сыпучих сухих или влажных материалов. Наиболее распространены следующие методы: гравитационный, гравитационно-инерционный, вибрационный, механический, пневматический.
Гравитационный
Гравитационное усреднение проводят в стационарных бункерных установках. Работа гравитационных усреднителей основана на перемещении сыпучего материала под действием силы тяжести. Данное оборудование, как правило, не имеет специальных перемешивающих устройств, а смешивание происходит в момент движения сыпучих материалов к нижнему отверстию в бункере устройства.
Партии сырья предварительно подвергаются смешиванию в гравитационно-статическом смесителе, после чего накапливаются методом наслаивания в бункере. Разгрузка происходит через специальную щель, позволяющую отбирать одновременно все слои. Полученные партии материала представляют собой однородную по химическому составу смесь.
Гравитационно-инерционный
Усреднение гравитационно-инерционным методом проводят в аппаратах барабанного типа, рабочая камера которых вращается вокруг собственной оси.
Барабанный смеситель представляет собой полый цилиндр, установленный на опорные станции с установленными внутри рабочей камеры элементами для более качественного усреднения (ребрами на внутренней поверхности, полочек и горизонтальных полостей). Барабан, как правило, располагают на твердой поверхности, под небольшим углом к месту выгрузки.
Качество смешивания материалов при работе барабанного смесителя обеспечивается осуществлением следующих процессов:
- процесса конвективного смешения, когда частицы перемещаются посредством внедрения и скольжения слоев относительно друг друга;
- процесса диффузионного смешения, когда перераспределение частиц различных материалов происходит через вновь образовавшуюся границу раздела;
- процесса сегрегации, когда однородные частицы аккумулируются в определенных местах под действием инерционных сил.
Доля влияния данных процессов на интенсивность перемешивания зависит от рода смешиваемых частиц, скорости вращения барабана и степени заполнения камеры барабана.
Вибрационный
При вибрационном методе усреднения используется аппаратура с колеблющимися и вибрирующими элементами, посредством которых происходит измельчение и смешивание влажных или сухих сыпучих материалов. Наиболее часто применяются лопастные вибрационные смесители. Главным их рабочим элементом являются валы с вмонтированными лопастями, заключенные в корпусе. Часть лопастей расположена по отношению к оси под углом в 90° (они предназначены для перемешивания сред). Другая часть – под углом 45° (они предназначены для продвижения смешиваемых частиц). Усреднение совершается при встречном движении валов.
Материалы, подлежащие смешиванию, подаются через дозатор в приемную воронку, а затем в рабочую камеру вибросмсителя. При работе валов происходит интенсивное смешивание материалов, затем смесь проталкивается в выводной штуцер. Интенсивность циркуляции возрастает за счет вибрации корпуса, которая происходит с определенной частотой. Частицы приобретают высокие скорости смешения в радиальном направлении.
В трубном вибросмесителе смешиваемые материалы передвигаются вдоль центральной трубы, совершающей круговые или эллиптические вибрирующие движения. Поступательное движение частицы приобретают за счет того, что участок загрузки расположен выше участка выгрузки.
Еще один тип вибрационного устройства – шаровая мельница. Действие оборудования обеспечивается вращением вала и круговыми колебаниями корпуса. Измельчение совершается за счет движения мелющих тел (шаров), которые наполняют корпус мельницы.
Механический
Механическое перемешивание осуществляют путем принудительного воздействия на смесь различных движущих механизмов и элементов: шнеков, винтов, лопастей, а также рамных, якорных, пропеллерных, турбинных мешалок. Посредством данных элементов создается интенсивное измельчение и перемещение сред. Механическое усреднение применяют для сыпучих, влажных и пастообразных материалов. Описывая процесс механического смешивания, говорят об его эффективности, интенсивности и однородности получаемых сред.
Пневматический
Для усреднения больших объемов сыпучих материалов используют пневматические смесители объемного смешивания, в которых применяется принцип псевдоожижения смешиваемого материала. В ходе рабочего цикла, в усреднительное оборудование засыпают материал, к которому подводят через специальные сопла или перфорированные отверстия псевдоожижающий газ (восходящий газовый поток для придания свойств динамической жидкой массы). Чтобы предотвратить большой процент пылеуноса в некоторых устройствах предусматривают возможность импульсной подачи сжижающего газа. В других установках обустраивают пылеулавливающее устройство.
При мокром способе приготовления сырьевой смеси, гомогенизация сырьевого шлама осуществляется при механическом перемешивании после барботирования сжатым воздухом. Возможны два метода усреднения:
При порционном методе усреднения применяют вертикальные шламобассейны из железобетона и металла, установленные на колонны. Сжатый газ подается к сырью через колонны. Достигая шлама, он барботирует через него, после чего производят перемешивание.
При непрерывном методе используют объемные горизонтальные шламобассейны, где производят перемешивание двумя методами: механическим (при помощи специальных мешалок), и пневматическим (посредством сжатого воздуха). В конструкции используют мембранные шламовые насосы, которые высасывают материал со дна в специальный распределительный желоб. Это делается для того, чтобы распределение шлама проходило равномерно в поперечном сечении бассейна.
Усреднительное оборудование
Смесители особой конструкции, создаваемые специально для усреднения отдельных партий сырья с неодинаковым составом называют усреднителями или гомогенизаторами. Основные рабочие части современных усреднителей – объемные бункеры или барабаны и транспортирующие устройства, подающие сырье к смешивающим устройствам и отводящие готовые смеси.
Смесительные машины и аппараты по техническому назначению делят на оборудование для усреднения жидких систем, сыпучих материалов, вязких и пластичных сред, по организации технологического процесса – на машины непрерывного и периодического действия.
Смесители непрерывного действия считаются более эффективными и производительными. В них полностью автоматизован процесс усреднения, к тому же, они рассчитаны на выполнение нескольких процессов одновременно. Данное оборудование имеет более низкие энергозатраты на производство единицы продукции.
Смесители периодического действия позволяют точно дозировать материал. Поэтому для получения качественных смесей высокой однородности используют оборудование данного вида.
В зависимости от характера движения перемешиваемых материалов усреднительное оборудование делится на три типа:
- С поршневым перемещением частиц вдоль оси, без продольного перемешивания.
- С поршневым перемещением и продольным перемешиванием.
- С беспорядочным перемещением частиц.
Рассмотрим некоторые виды усредняющего оборудования.
Пересыпные усреднители
Пересыпные усреднители относятся к оборудованию с поршневым перемещением частиц вдоль оси, без продольного перемешивания. Получить на выходе смесь надлежащего качества в данном оборудовании возможно только после многократного прохождения исходного материала через его рабочую коническую часть. Количество таких прохождений может достигать тридцати и выше.
Пересыпной усреднитель состоит из бункера, снабженного ворошителем, обепечивающим продвижение материала в дозирующий шнек и дальше – в вертикальный и горизонтальный шнеки. Все рабочие элементы пересыпного усреднителя соединены последовательно и образуют замкнутый круг, в котором и циркулирует обрабатываемый материал. Смешивание проиходит в малом по объему нижнем отсеке усреднителя. Выгружение готовой смеси происходит через специальный патрубок.
Циркуляционные усреднители
Для того чтобы усовершенствовать конструкцию усреднителя и сделать процесс смешивания более эффективным, внутрь бункера пересыпной конструкции размещают дополнительный перемешивающий элемент. Теперь, наряду с движением по замкнутому кругу смешиваемые среды совершают и продольное движение, что существенно улучшило качество получаемой смеси. Такие усреднители получили название циркуляционных.
Примером циркуляционной конструкции является усреднитель Вертамикс, произведенный немецкой фирмой Гебрюдер Лёдиге Машиненбау. Процесс усреднения в данном устройстве проихсодит более интенсивно и качественно.
Разновидностью циркуляционных усреднителей является смесители с центральной циркуляционной трубой, где циркуляция смешиваемого материала осуществляется с помощью вертикального шнека, заключенного в трубу. Они предназначены для смешивания гранулированных и зернистых сред. При его вращении материал поднимается вверх по трубе, где и находится смешивающий элемент. После окончания рабочего цикла сырье сбрасывается в пространство между корпусом и трубой, после чего процесс смешивания повторяется.
Планетарно-шнековые усреднители
Еще более усовершенствованную конструкцию имеют планетарно-шнековые усреднители. Примером являются усреднители Наута, выпускаемые голландской фирмой Наутамикс. Внутри бункера данного оборудования смонтирован транспортировочный шнек, который совершает планетарное вращение вокруг корпуса смесителя при работе. Основной недостаток таких усреднителей – образование застойных зон на участках, прилегающих к стенкам корпуса. Горизонтальное перемещение частиц имеет низкую эффективность.
Особенностью конструкции является шарнирная опора вала шнека, размещенная в сыпучем материале, а потому не требующая смазки при работе. Нижняя часть корпуса оборудована специальным окном для контроля работы шарнирной опоры.
Смесители прямоточного типа
К третьему типу смесителей (с беспорядочным движением смешиваемых частиц) относятся смесители прямоточного типа. В ходе рабочего процесса, частицы смешиваемых сред пребывают в хаотичном перемещении в направлении поперечных сечений. В продольном направлении движение частиц происходит с одинаковой скоростью, перемешивания не происходит. Конструкции такого типа дополнительно оборудуют дозаторами повышенной точности.
Червячно-лопастные
Червячные, лопастные или червячно-лопастные смесители применяют для смешивания плохо сыпучих или влажных материалов. В смесителях такого типа основным рабочим элементом являются специальные лопатки, спирали или винтовые ленты, закрепляемые на вращающихся валах. Перемешивающие элементы могут быть однотипными, а могут включать несколько видов. Направление винтовых линий в двухвальных смесителях также может различаться или быть одинаковым.
Как правило, один из валов имеет более высокую транспортирующую способность, посредством чего смешиваемые среды приобретают поступательное движении и проходят расстояние от входной воронки до выходного шнека. Машины данного типа называют тихоходными, поскольку скорость вращения валов не превышает 150 об/мин. Вращаясь, валы обеспечивают перемешивание материала и постепенное его продвижении к выходу.
Подобный агрегат разработан и смонтирован на ЗАО «Атлант» (город Минск). Смеситель предназначен для перемешивания термопластичных сублимированных материалов с дробленым вторичным материалом или гранулированным концентрированным красителем. Данное оборудование отличается эффективностью и высокой производительностью. Управление осуществляется при помощи пульта управления.
Ленточные смесители
Еще один тип усреднительного оборудования, предназначенный для смешивания влажных материалов – ленточные смесители. Они имеют корытообразный корпус и плоские торцевые стенки. Центральным рабочим элементом машины является приводной вал, на котором размещены специальные стержни, держащие винтообразно изогнутые ленты. При смешивании сильно увлажненных, слежавшихся материалов, на ленты крепят определенное количество дополнительных стержней, играющих роль рыхлителей.
Бегунковые смесители
Смесители бегункового типа применяют для смешивания влажных сред, имеющих максимальную плотность. Конструкция включает станину, цилиндрическую чашу, перемешивающие элементы. Внутренние стенки чаши выложено резиной, а дно – прочными бронированными листами. Плоская крышка чаши имеет специальные штуцеры для загрузки смешиваемых компонентов. Днище оборудовано разгрузочными люками.
Перемешивающий орган представляет собой плужковые отвалы и цилиндрические катки, закрепленные на крестовине (насаженной на консольный вал) посредством подвижных рычагов. Перемещение частиц перемешиваемых сред происходит посредством плужковых отвалов, а катки – перетирают и уплотняют материал. При функционировании смесителя рабочие части оборудования создают высокое удельное давление на обрабатываемый материал (от 0,8 до 1,8 МПа).
Темпы развития химической и других отраслей промышленности требуют применения более совершенных методов изготовления разных видов продукции. Также стоит вопрос снижения ее себестоимости и повышения качества. В настоящее время специалисты изыскивают возможные методы интенсификации процесса усреднения различных материалов и сред. Для этого разрабатываются всевозможные варианты совершенствования конструкций смесительного и усреднительного оборудования. Главная цель – интенсифицировать циркуляцию и увеличить качество смешивания потоков двух или более сред, снизить энергоемкость и металлоемкость оборудования.
