CURSUL 1 Noţiuni generale privind mărunţirea
Eficienţa proceselor fizico-chimice, în care se utilizează materialele solide este sporită prin mărirea ariei suprafeţei specifice (aria însumată a suprafeţelor granulelor care se găsesc în unitatea de volum sau de masă). Acest lucru se realizează prin mărunţirea materialelor solide, proces prin care se formează suprafeţe noi. Mărunţirea materialelor este utilizată în diverse procese tehnologice în cele mai diferite industrii (chimică, farmaceutică, alimentară, metalurgică, lianţilor, materialelor de construcţii, etc.). Importanţa acestui proces este evidenţiată atât de cantităţile imense de materiale prelucrate, cât şi de consumurile foarte mari de energie. De exemplu, funcţionarea anuală a unei singure linii tehnologice de fabricare a cimentului cu o producţie de 3000 t/zi, necesită concasarea şi măcinarea a peste 1,6 milioane milioane tone de materii prime şi a peste 1,1 milioane tone de clincher de ciment. Ponderea consumurilor de energie aferentă procesului de mărunţire, în raport cu consumul total necesar obţinerii produsului, este foarte mare. La fabricarea cimentului, consumul de energie pentru mărunţire reprezintă 85 % din consumul total de energie (10 % pentru concasarea materiilor prime şi 75 % pentru măcinarea materiilor prime şi a clincherului de ciment). Mecanisme de mărunţire
Pentru a fi mărunţite, bucăţile de material sunt supuse unor solicitări mecanice simple (vezi fig. 1): compresiune (strivire), încovoiere, şoc (lovire).
Fig. 1. Mecanisme de mărunţire. a – prin compresiune; b – prin forfecare; c – prin încovoiere; d – prin şoc
De regulă, solicitările produse în maşinile de mărunţit sunt complexe: compresiune şi forfecare (concasoare cu fălci, concasoare cu cilindri), compresiune şi încovoiere (concasoare cu fălci cu blindaje profilate, concasoare conice), şoc şi forfecare (concasoare cu ciocane, mori cu bile). Alegerea mecanismului de mărunţire se face în funcţie de natura materialului supus mărunţirii, de caracteristicile lui mecanice, de gradul de mărunţire cerut etc., şi se adoptă acel mecanism care conduce, pentru materialul respectiv, la realizarea gradului de mărunţire impus, cu cel mai redus consum de energie. Pentru alegerea corectă a mecanismului de mărunţire, trebuie să se aibă în vedere următoarele: - materialele supuse mărunţirii sunt roci şi minerale diferite. Ele sunt materiale neomogene, anizotrope, cu defecte de structură şi microfisuri (care au rolul de concentratori de tensiuni). Cu cât este mai mică granula de material, cu atât este mai redus numărul de microfisuri şi defecte structurale şi, prin urmare, cu atât mai greu g reu se mărunţeşte. Pe măsura înaintării procesului de mărunţire, creşte rezistenţa la măcinare a materialului şi deci şi consumul de energie necesar desfăşurării procesului. 1
- rezistenţa la compresiune σ rc a rocilor şi mineralelor are cea mai mare valoare, iar rezistenţa la tracţiune σ rt , are cea mai mică valoare (raportul lor σ rc σ rt > 4 ). Rezistenţele la forfecare şi la încovoiere au valori intermediare. - rezistenţa la compresiune sau la întindere a rocii, creşte cu creşterea vitezei de solicitare. - duritatea materialelor influenţează viteza de solicitare. Pentru mărunţirea materialelor dure se recomandă utilizarea maşinilor de mărunţit cu viteze mai mici de solicitare. Duritatea materialelor poate fi evaluată prin urma lăsată în material de un vârf de piramidă din diamant sau oţel dur, apăsat cu o anumită forţă. Pentru aprecierea durităţii unui material se poate utiliza scara mineralogică de duritate Mohs (tabelul 1) . Tabelul 1. Scara de duritate Mohs.
Tipuri de materiale Materiale moi Materiale semidure Materiale dure
Duritatea 1
Materialul etalon Talc
2
Ghips
3 4 5 6 7 8 9 10
Calcit Fluorină Apatită Feldspat Cuarţ Topaz Corindon Diamant
Alte minerale Ceară, săpun, precipitat uscat de filtru presă Sare gemă, sare cristalină, grafit, cărbune moale Marmură, calcar moale, cretă Fosfaţi moi, magnezită, calcar Fosfaţi duri, calcar dur, bauxită Ilmenit, ortoclaz, hornblendă Granit, gresie Safir, smirghel
- ruperea materialelor este fragilă, deformaţia specifică la rupere fiind redusă ε r = 2 … 3 %. Bucata de material se rupe atunci când forţa care o solicită atinge o valoare critică egală cu rezultanta forţelor moleculare (forţa de coeziune). Dacă forţa este sub valoarea critică, materialul se deformează elastic, iar dacă depăşeşte cu mult valoarea critică, se reduce randamentul energetic. - mărunţirea prin frecare conduce la obţinerea unor cantităţi importante de material fin (pulbere), uzură a suprafeţelor elementelor de lucru ale maşinii de mărunţire, consum mare de energie. - maşinile de mărunţit la care elementele active acţionează o singură dată asupra materialului (concasoare), produc fragmente cu colţuri şi muchii ascuţite, iar cele la care elementele active au acţiuni repetate şi de durată, produc fragmente rotunjite (datorită preponderenţei efectelor de frecare). Gradul de mărunţire se definește prin relația: i Dm dm (1) în care Dm este dimensiunea medie iniţială a materialului; d m - dimensiunea medie finală a acestuia. =
Energia necesară mărunţirii
Datorită neomogenităţii, anizotropiei şi existenţei defectelor structurale şi a microfisurilor, valorile energiei de rupere variază în limite largi chiar pentru acelaşi material. Energia specifică totală, necesară unei maşini de mărunţit este dată de relaţia:
2
(2) unde E s – energia specifică pentru ruperea materialului (deformarea elastică a materialului şi crearea de noi suprafeţe prin ruperea acestuia); E sm – energia specifică pentru deformarea elastică a elementelor active ale maşinii şi formarea de noi suprafeţe prin uzarea acestora. Energia specifică de mărunţire, E s, depinde în principal, de rezistenţa mecanică a materialului, de tipul mecanismului de mărunţire şi de gradul de mărunţire (raportul dintre dimensiunea particulelor de material înainte şi după mărunţire). Pentru determinarea energiei de mărunţire s-au stabilit de-a lungul timpului, diferite relaţii matematice, cunoscute sub denumirea de teorii (legi) de mărunţire. E st
= E s +
E sm
Teoria lui Rittinger. Conform acestei teorii, energia necesară este proporţională cu aria
suprafeţelor nou create prin mărunţire: E s
(3)
= E sp ⋅ ∆A sp
unde ∆ A sp este aria suprafeţei nou create prin mărunţire iar E sp energia superficială specifică (energia necesară creării unităţii de arie). Pentru materiale fragile (cum sunt diferitele roci şi minerale), E sp ≈ 1 J/m2. Când se mărunţeşte o unitate de cantitate de material de la dimensiunea medie iniţială Dm , la dimensiunea medie finală d m, gradul de mărunţire fiind i D m d m , relaţia Rittinger capătă forma: 1 1 = C R ⋅ Dm2 J/kg (4) E s = K R ⋅ − =
d m Dm
unde K R și C R sunt coeficienți de proporționalitate specifici teoriei lui Rittinger. Teoria lui Rittinger, se verifică experimental în cazul mărunţirii particulelor mici (măcinare). Conform acestei teorii, energia necesară mărunţirii este proporţională cu volumul bucăţii de material supus mărunţirii. Energia necesară sfărâmării unei bucăţi de material cu dimensiunea iniţială Dm, este: E s = C K ⋅ Dm3 (5) unde C K este un factor de proporţionalitate. Când se mărunţeşte o unitate de cantitate de material de la dimensiunea medie iniţială Dm , la dimensiunea medie finală d m, relaţia Kick-Kirpicev capătă forma: Teoria lui Kick-Kirpicev.
E s
1 lg d m
= K K ⋅
−
lg
1
Dm
J/kg .
(6)
este un factor de proporţionalitate. Teoria lui Kirck-Kirpicev este aplicabilă îndeosebi la mărunţirea bucăţilor mari de material (concasare).
K K
Conform acestei teorii, energia transmisă bucăţii de material supusă mărunţirii, este la început proporţională cu volumul bucăţii (deci cu Dm ) iar, pe măsură ce în bucata de material apar fisuri, energia este proporţională cu aria suprafeţelor acestora (deci cu 3 2 2,5 2 D . D ). Pe ansamblu energia transmisă bucăţii de material este proporţională cu D D Expresia matematică a legii lui Bond este: (7) E s = C B ⋅ Dm2.5 . Teoria lui Bond.
3
m
m
3
⋅
m
=
m
Când se mărunţeşte o unitate de cantitate de material de la dimensiunea medie iniţială Dm , la dimensiunea medie finală d m, relaţia Bond capătă forma: E s
1 d m
= K B ⋅
−
1
(8)
Dm
unde K B este un factor de proporţionalitate . Bond a pus relaţia (8) sub o formă care poate fi utilizată practic: 10 10 (9) kWh/t E s K B d D80 80 unde D80 , d 80 sunt dimensiunile ochiurilor prin care trece 80 % din cantitatea de material supus mărunţirii, respectiv mărunţit, µ m; K B – indicele de mărunţire Bond, determinat experimental, care este egal cu energia necesară pentru mărunţirea unei tone de material de la o dimensiune infinit mare a bucăţilor de material până la o dimensiune care corespunde unei treceri de 80 % prin sita cu mărimea ochiurilor de 100 µ m, kWh/t . Legea lui Bond este aplicabilă atât în cazul măcinării cât şi în cazul concasării. =
⋅
−
Randamentul mărunţirii .
Randamentul procesului de mărunţire este definit de relaţia: η m
=
E s E m
⋅
(10)
100 %
unde, în afara mărimilor precizate anterior, E m este consumată de maşina de mărunţire. Dacă energia specifică necesară mărunţirii se exprimă prin relaţia, E s = E sp ⋅ ∆ A sp , atunci, în cazul măcinării clincherului de ciment portland, considerând energia superficială specifică: E sp
=
1 J / m 2
=
1 3,6 ⋅106
=
0,2777 ⋅10
−6
2
kWh / m
şi aria suprafeţei specifice ∆ A sp = 300 m2 /kg (3000 cm2 /g ), rezultă pentru măcinarea unei tone de clincher un consum specific efectiv de energie: E s
=
1000 (kg ) ⋅ 0,2777 ⋅10
−
6
m 2 kWh = 0,083 kWh / t . 2 ⋅ 300 m kg
Consumul specific real de energie este însă de 30 kWh / t . Rezultă un randament al mărunţirii 0,083 ⋅100 = 0,277 % 30 adică cu mult sub 1 %. Din energia furnizată maşinii numai 0,277 % este utilizată efectiv pentru η m
=
mărunţire, restul constituie: pierderi la mersul în gol al maşinii, pierderi prin transmiterea energiei de la organele active ale maşinii la colectivul de particule din spaţiul de lucru şi de aici la particula individuală supusă mărunţirii, pierderi prin deformarea particulei supusă mărunţirii, pierderi prin frecarea acesteia cu celelalte particule din spaţiul de lucru sau cu elementele active ale maşinii de mărunţire. Cea mai mare parte a energiei furnizată maşinii de mărunţire se consumă inutil prin frecare, transformându-se în căldură care, de multe ori, are un efect negativ asupra procesului de mărunţire. Astfel, dacă la măcinarea clincherului de ciment, din exemplul prezentat anterior, se consideră că cimentul produs se încălzeşte în timpul măcinării până la temperatura de 100° C, atunci pierderea de energie prin încălzirea cimentului este: 4
E pc
=
1000 (kg ) ⋅100 ( grade) ⋅ 0,836 (kJ / kg ⋅ grad ) = 23 kWh / t . 3600 ( s )
Această pierdere reprezintă aproximativ 70 % din consumul de energie necesar măcinării (30 kWh / t ). Tipuri de operaţii şi procedee de mărunţire
În funcţie de gradul de mărunţire, operaţiile de mărunţire se clasifică conform tabelului 2. Tabelul 2. Tipuri de operaţii de mărunţire.
Denumirea operaţiei Concasare (sfărâmare) Măcinare Măcinare coloidală
grosolană mijlocie măruntă -
Dimensiunea bucăţilor supuse mărunţirii Dm, mm 1300 … 200 200 … 50 50 … 20 25 … 3 <
Dimensiunea particulelor materialului mărunţit d m, mm 200 … 40 40 … 10 10 … 1 ≤ 0,4 10 – 4
0,75
≤
Gradul de mărunţire i =
D m d m
5 5 … 10 10 … 20 ≥ 150 ≤
-
Dacă gradul de mărunţire cerut nu poate fi realizat la o singură treaptă de mărunţire sau pe un singur tip de maşină de mărunţire, atunci se procedează la mărunţirea în mai multe trepte, eventual pe maşini diferite. Procedeele se pot clasifica în funcţie de diferite criterii. Mărunţirea se poate efectua pe maşini cu funcţionare continuă sau discontinuă (pe şarje). Mărunţirea continuă este mai avantajoasă atât din punctul de vedere al consumului de energie cât şi din cel al productivităţii. Mărunţirea se poate realiza în circuit deschis sau în circuit închis. Mărunţirea în circuit deschis se realizează la o singură trecere prin maşina de mărunţire (trecere directă), (fig. 2 a) produsul obţinut fiind, fie un produs finit, fie un produs intermediar, cu un spectru granulometric larg. La măcinare în circuit închis (fig.2 b), materialul mărunţit este supus unei operaţii de clasare, fracţiunile necorespunzătoare din punct de vedere dimensional reintroducându-se în maşina de mărunţire, spectrul granulometric al produsului fiind restrâns. Mărunţirea în circuit închis necesită însă utilaje suplimentare (maşini de clasare, instalaţii de transport etc.).
Fig. 2. Scheme de instalaţii de mărunţire. a - circuit deschis; b – circuit închis; 1 - maşină de mărunţire; 2 – maşină de clasare; A – alimentarea materialului supus mărunţirii; B – evacuarea produsului.
5
Mărunţirea se poate face umed sau uscat . Materialele care au deja o anumită umiditate se pot măcina pe cale umedă adăugându-se apă în maşina de mărunţire. Produsul mărunţit este o pastă care, de regulă, se foloseşte ca atare în cadrul procesului tehnologic. În situaţiile în care trebuie eliminată apa se utilizează diferite procedee de eliminare a apei sau de uscare. Măcinarea umedă se caracterizează printr-un consum energetic mai redus (cu 20 … 30 % faţă de măcinarea uscată), debitul este mai mare, granulaţia produsului este mai uniformă, se evită degajările de praf în atmosferă etc. Uzarea prin eroziune a elementelor active ale maşinii de mărunţire este însă mai mare la mărunţirea umedă decât la mărunţirea uscată. Concasoare cu fălci
Aceste concasoare se utilizează pentru mărunţirea primară a materialelor solide cu duritate mare sau medie. Există diverse scheme cinematice de concasoare cu fălci însă cele mai des întâlnite sunt: - cu mecanism cu dublă articulaţie (fig. 3 a, b); - cu mecanism cu simplă articulaţie (fig. 3 c). Concasorul cu dublă articulaţie se
caracterizează printr-o mişcare oscilantă simplă a fălcii mobile, fiecare punct al acesteia descriind un arc de cerc cu centrul pe axa geometrică a suspensiei 3 a fălcii. Mărunţirea materialului se face preponderent prin strivirea bucăţilor între fălci la închiderea acestora. La deschiderea fălcilor, materialul mărunţit aflat în zona inferioară a spaţiului de lucru este evacuat. Concasorul cu simplă articulaţie se caracterizează printr-o mişcare plană complexă a fălcii mobile. Fiecare punct al fălcii mobile descrie o curbă închisă. Punctele fălcii situate în apropierea arborelui cu excentric descriu curbe având aproape forma unui cerc cu diametrul egal cu dublul excentricităţii arborelui. Punctele de la capătul inferior al fălcii descriu curbe apropiate de forma unei elipse având axa mare (verticală) cu mărimea egală cu dublul excentricităţii arborelui, iar axa mică (orizontală) egală ca valoare cu deschiderea (cursa) fălcii mobile.
Fig. 3. Scheme cinematice de concasoare cu fălci a, b – cu dublă articulaţie; c – cu simplă articulaţie; 1 – falcă fixă; 2 – falcă mobilă; 3 – suspensia fălcii mobile; 4 – arbore cu excentric; 5 – bielă; 6 – perete fix; 7 – placă de presiune faţă; 8 – placă de presiune spate; 9 – tijă cu arc pentru rapel; A – alimentarea materialului; B – evacuarea produsului.
Când cursa fălcii este redusă elipsa este alungită în direcţia verticală, degenerând, la limită, într-un segment de dreaptă. Din această cauză, în zona inferioară a spaţiului de lucru, mărunţirea se realizează preponderent prin frecare, conducând la uzarea intensă a blindajelor fălcii şi la obţinerea unei cantităţi mari de material foarte mărunt (praf) în produsul concasat. Dacă sensul de rotaţie al arborelui cu excentric este cel indicat în figura 2 c, falca mobilă are în timpul închiderii o componentă descendentă a mişcării care favorizează evacuarea materialului 6
mărunţit. Datorită frecării intense din zona inferioară a spaţiului de lucru şi a componentei descendente a mişcării fălcii mobile, maşinile construite după această schemă se recomandă să se utilizeze îndeosebi pentru mărunţirea materialelor cu plasticitate şi umede (argile, marne etc.) şi să se evite utilizarea lor pentru mărunţirea materialelor foarte dure. Construcţia concasoarelor cu fălci
Forţele mari necesare sfărâmării bucăţilor de material cer ca elementele componente ale acestei maşini să aibă rezistenţa mecanică şi rigiditatea necesare. Satisfacerea acestor deziderate se realizează utilizând, pentru elementele componente, anumite particularităţi constructive. a. Concasorul cu dublă articulaţie (v. fig. 4). Acesta se compune dintr-un batiu format din falca fixă 1 care constituie peretele din faţă, peretele din spate 2 şi pereţii laterali 3. Pe batiu se montează falca mobilă 4 care oscilează pe axul 5. Spaţiul cuprins între falca fixă, falca mobilă şi pereţii laterali ai batiului formează spaţiul în care se realizează sfărâmarea materialului (spaţiul de lucru al maşinii). Rigiditatea necesară acestor elemente este asigurată, la un consum relativ redus de metal, dacă ele sunt realizate în construcţie cheson sau nervurată, fie prin turnare (din oţel sau fontă), fie prin asamblare prin sudură din laminate de oţel. Pentru a prevenii uzarea prin abraziune a pereţilor spaţiilor de lucru aceştia se căptuşesc cu blindajele 14, 15, 16 realizate din materiale adecvate. De regulă se utilizează în acest scop oţelul manganos cu 12 – 14 % mangan, turnat şi călit. Acesta se durifică superficial, în exploatare, datorită solicitărilor de compresiune şi de şoc (duritate indusă), proces în urma căruia materialul capătă deformaţii importante (curge). La maşinile mai mici se realizează blindaje din fontă albită (turnată în cochilă metalică). Blindajele fălcilor sunt prevăzute cu striaţii longitudinale pentru o mai bună prindere şi sfărâmare a materialului supus mărunţirii (în afară de strivire apar şi efecte de încovoiere). Striaţiile au, de regulă, în secţiune profil triunghiular. Muchiile ascuţite ale acestora se deteriorează repede şi, pentru a evita acest lucru, ele se rotunjesc. Geometria striaţiilor cu profil triunghiular se caracterizează printr-un raport între înălţimea h a profilului şi pasul t al striaţiilor cu valori h/t=1/2 …1/4. Se are în vedere ca “plinul” striaţiilor unui blindaj să se afle în dreptul “golului” striaţiilor blindajului opus. În felul acesta, la comprimarea bucăţilor de material apar şi efecte de încovoiere, cu efect favorabil asupra mărunţirii deoarece rezistenţa la încovoiere a materialelor supuse sfărâmării este mult mai mică decât rezistenţa la compresiune. În general plăcile de blindaj sunt drepte însă, la unele construcţii se utilizează, pentru falca mobilă sau pentru ambele fălci, plăci de blindaj curbate (în lungul fălcii); raza de curbură fiind de 1500 … 2000 mm. Plăcile de blindaj curbate formează în partea inferioară a spaţiului de lucru o zonă cu laturi aproape paralele (zonă de “calibrare”). Prezenţa zonei de “calibrare” conduce la obţinerea unui produs concasat cu granule uniforme ca dimensiuni şi formă. De asemenea, uzarea în zona de “calibrare” a blindajelor curbate este mai uniformă decât cea a blindajelor drepte în zona de evacuare a materialului. Utilizarea pentru ambele fălci a blindajelor care au în zona de alimentare curburi concave iar în zona de evacuare curburi convexe conduce, în afara efectelor benefice prezentate anterior, şi la mărirea volumului spaţiului de lucru care are ca efect o creştere a debitului concasorului cu 10…20 % faţă de concasorul cu aceleaşi caracteristici dar cu blindaje drepte. Blindajele se fixează pe pereţii spaţiului de lucru prin şuruburi cu cap înecat, pentru a le feri de uzură. Pentru uşurinţa montării precum şi pentru a schimba între ele părţile mai uzate din zona inferioară a spaţiului de lucru cu părţile mai puţin uzate din zona superioară a acestuia, blindajele se realizează sub formă de plăci interschimbabile. Mişcarea de oscilaţie a fălcii mobile este realizată de către un mecanism bielă-manivelă format din arborele cu excentric 6, rezemat pe batiu prin intermediul unor lagăre cu rulmenţi, şi biela 7. La capătul inferior al bielei 7 sunt plasate plăcile de presiune faţă 8 şi spate 9, unghiul de 7
înclinare al acestora faţă de planul orizontal fiind de 10 … 12° . Placa de presiune faţă 8 face legătura biela 9 şi falca mobilă 4, iar placa de presiune spate 9, între biela 7 şi mecanismul de reglare al fantei dintre fălci 10, plasat pe peretele spate 2 al batiului. Capetele plăcilor de presiune sunt astfel prelucrate încât, împreună cu cuzineţii din bielă şi cei din falca mobilă , respectiv din mecanismul de reglare a fantei formează articulaţii cilindrice. Pentru ca în timpul funcţionării maşinii, plăcile de presiune să nu cadă, sistemul cinematic compus din elementele 4, 8, 7, 9, 10 este strâns cu ajutorul sistemului de rapel format din două tije şi arcurile elicoidale de compresiune corespunzătoare, 12. La deplasarea bielei spre în sus unghiul dintre plăcile de presiune şi planul orizontal se micşorează şi fălcile se închid, materialul din spaţiul de lucru fiind comprimat şi sfărâmat. La deplasarea bielei spre în jos, fălcile se deschid şi materialul sfărâmat este evacuat din maşină. Acţionarea mecanismului bielă-manivelă se realizează de la un motor electric prin intermediul unei transmisii cu curele trapezoidale. Roata de curea condusă 13, montată pe fusul arborelui cu excentric are şi rol de volant pentru uniformizarea funcţionării maşinii. Pentru a reduce efectul solicitării la torsiune al arborelui cu excentric, se utilizează, de regulă, doi volanţi identici, câte unul la fiecare capăt al arborelui cu excentric. Uzura pronunţată a blindajelor din zona inferioară a spaţiului de lucru conduce la mărirea fantei dintre fălci şi deci la mărirea granulaţiei produsului concasat. Pentru a păstra constantă granulaţia produsului, precum şi pentru a obţine un produs cu o altă granulaţie, fanta dintre fălci trebuie reglată. Acest lucru se realizează cu ajutorul dispozitivului 10 care poate fi hidraulic (în cazul de faţă) sau mecanic (cu pene, cu şurub etc.). Acesta realizează deplasarea sistemului cinematic format din elementele 4, 8, 7, 9, 10 într-un sens sau altul, pentru micşorarea, respectiv mărirea fantei dintre fălci. 4
5 16
13
A 6 7
14
3
15
2
1
B
8
11
9
10
12
Fig. 4. Concasor cu fălci cu dublă articulaţie Svedala-Arbra. Suedia. 1 - falca fixă (peretele faţă al batiului); 2 – peretele spate; 3 – pereţi laterali; 4 – falca mobilă; 5 – axul fălcii mobile; 6 – arborele cu excentric; 7 – bielă; 8 – placa de presiune faţă; 9 – placa de presiune spate; 10 – mecanismul de reglare a fantei de evacuare; 11 – tija de rapel; 12 – arcul de rapel; 13 – volant (roată de curea pentru acţionarea maşinii); 14 – blindajul fălcii fixe; 15 – blindajul fălcii mobile; 16 – blindajul pereţilor laterali; A – alimentarea materialului; B – evacuarea materialului mărunţit.
8
Aceste maşini sunt sensibile atunci când în spaţiul de lucru pătrunde un corp dur (neconcasabil), o bucată metalică, de exemplu. În această situaţie pentru a prevenii ruperea unor elemente active ale maşinii, una sau ambele plăci de presiune sunt dimensionate ca elemente de siguranţă (să se rupă atunci când este depăşită forţa maximă de calcul la care a fost proiectată maşina).
6 3
1 4
2
5
7
Fig. 5. Concasor cu simplă articulaţie. 1 - falca fixă; 2 - falca mobilă; 3 - arborele cu excentric; 4 - dispozitivul de reglare a fantei de evacuare; 5 - placa de presiune; 6 - volant (roată de curea); 7 - arcul de rapel.
La unele construcţii, în afara acestui element de siguranţă, se utilizează şi elemente suplimentare cum ar fi prezenţa între roata de curea condusă şi arborele cu excentric a unui cuplaj limitator de cuplu (de tip ambreiaj, de exemplu) care realizează, în plus, şi protecţia la suprasarcină a motorului electric. b. Concasorul cu simplă articulaţie (fig. 5). Cele prezentate anterior la concasorul cu dublă articulaţie rămân valabile şi în acest caz. Deosebirea esenţială constă în aceea că falca mobilă 2 este montată direct pe arborele cu excentric 3, ea căpătând în timpul funcţionării o mişcare complexă. Stabilirea parametrilor constructivi şi funcţionali ai concasoarelor cu fălci a. Unghiul de apucare. Acesta reprezintă unghiul α dintre fălci în
poziţia închisă a acestora (fig. 6) şi se determină din condiţia ca bucata de material strânsă între fălci să nu fie expulzată din spaţiul de lucru al concasorului.
9
α
P P
fP
=
=
fP
e Fig. 6. Schemă pentru determinarea unghiului de apucare.
Asupra bucăţii de material, considerată de formă cilindrică, acţionează atunci când este ( f – coeficientul de frecare dintre strânsă între fălci, forţele de apăsare P şi forţele de frecare f ⋅ P material şi blindajul fălcii). Greutatea bucăţii de material poate fi neglijată în comparaţie cu mărimile forţelor de apăsare şi de frecare. Pentru ca bucata de material să nu fie expulzată din spaţiul de lucru, trebuie îndeplinită condiţia (fig. 6): 2 ⋅ P ⋅ sin α
din care se obţine, tg
2
α
2
≤
≤ f
2 ⋅ f ⋅ P ⋅ cos
α
(11)
2
.
Deoarece f = tg ϕ (ϕ - unghiul de frecare corespunzător), rezultă: (12) α ≤ 2 ⋅ ϕ Majoritatea materialelor supuse concasării au cel puţin f = 0,3, de unde rezultă: ϕ = arctg 0,3 = 16 °4 0′ . Prin urmare, concasorul cu fălci funcţionează în mod normal dacă: α ≤ 2 ⋅ 16 °4 0′ = 33° 20′ .
Unghiul de apucare influenţează asupra gradului de mărunţire. Cu cât unghiul este mai mic, cu atât este mai redus gradul de mărunţire. Practic unghiul de apucare se adoptă între valorile α =15 … 25° asigurându-se astfel un grad de mărunţire i = 3 … 6 .
D
h
e=d min
e s
e+s=d max
e+s
Fig. 7. Schemă pentru determinarea fantei dintre fălci şi a cursei fălcii mobile.
10
b. Fanta de evacuare şi cursa fălcii mobile. Dacă granulaţia produsului concasat este impusă în spectrul cuprins între dimensiunea minimă d min şi dimensiunea maximă d max, atunci rezultă (fig.
7):
- pentru fanta dintre fălci, la poziţia închisă a acestora e = d min; - pentru cursa fălcii mobile
(13) (14)
s = d max – d min = d max – e.
În general, cursa fălcii mobile are valorile: s = (0,03 ... 0,035) ⋅ A unde A este lăţimea gurii de alimentare a concasorului. La maşinile existente, s = 15 – 50 mm.
(15)
c. Turaţia arborelui cu excentric
La deschiderea completă a fălcilor, din spaţiul de lucru al concasorului se evacuează o prismă de material sfărâmat cu înălţimea h (fig. 7), granulaţia materialului fiind cuprinsă în intervalul de dimensiuni de la d min = e până la d max=e+s. Evacuarea din maşină a prismei de material se face sub acţiunea câmpului gravitaţional, prin cădere liberă, în intervalul de timp în care are loc deschiderea fălcilor (jumătate din timpul necesar realizării unei rotaţii complete a arborelui cu excentric). Înălţimea prismei, (v. fig. 7) se determină cu relaţia: h =
s
(16)
m
tg α
Prisma este evacuată dacă parcurge, în cădere liberă, spaţiul: 1 2 (17) h = ⋅ g ⋅ t m 2 unde durata căderii libere (egală cu jumătate din durata unei rotaţii complete a excentricului),este: 1 60 (18) s t = ⋅ 2 n (n – turaţia arborelui, rot / min) iar g = 9,81 m / s2 , acceleraţia gravitaţiei. Utilizând relaţiile (16)…(18) se obţine pentru turaţia arborelui cu excentric, relaţia: n ≈ 66,5 ⋅
tg α s
(19)
rot / min
în care cursa s se exprimă în m. Valoarea reală a turaţiei arborelui trebuie să fie mai redusă cu 5…10 % faţă de cea calculată cu relaţia (19) deoarece la deducerea acesteia nu s-a ţinut seama de efectul de frânare a căderii prismei de material ca urmare a frecării dintre prismă şi pereţii spaţiului de lucru. Debitul concasorului cu fălci
La fiecare rotaţie a arborelui cu excentric se evacuează din spaţiul de lucru o prismă de material care are volumul V = A p⋅ B în care A p este aria secţiunii trapezoidale a prismei, iar B distanţa dintre pereţii laterali ai spaţiului de lucru (lungimea gurii de alimentare a maşinii). Prin urmare, e + (e + s ) ⋅ h ⋅ B (20) V = 2 Ţinând seama că: 11
e + (e + s )
=
d min
+
d max
=
d
med 2 2 este dimensiunea medie a bucăţilor de material concasat şi că mărimea h este definită de relaţia (16), expresia (20) capătă forma:
V = d md ⋅
s tg α
⋅ B
3
m
Debitul volumic teoretic al concasorului se determină cu relaţia: m3 / h Qvt = 60 ⋅ V ⋅ n unde n – turaţia arborelui cu excentric, rot / min. Ţinând seama de relaţia (21), expresia debitului devine: Qvt = 60 ⋅
B ⋅ s ⋅ d med ⋅ n tg α
3
m / h
(21) (22)
(23)
Debitul volumic real este mai redus decât cel teoretic deoarece dimensiunile maxime ale bucăţilor de material alimentate în maşină nu depăşesc 0,85⋅ B iar materialul concasat nu este compact, între fragmentele lui găsindu-se goluri. Prin urmare debitul volumic real se poate determina cu relaţia: 60 ⋅ Φ ⋅ B ⋅ s ⋅ d med ⋅ n 3 (24) Qv = m / h tg α
unde Φ = 0,25 … 0,65 reprezintă coeficientul de umplere al spaţiului de lucru şi ţine seama de umplerea incompletă a acestuia. Puterea necesară motorului de acţionare al concasorului
Nu există o relaţie analitică pentru determinarea puterii necesare acţionării concasoarelor cu fălci care să ţină seama de proprietăţile fizico-mecanice ale materialului supus mărunţirii şi de caracteristicile constructive ale concasorului, care să conducă la rezultate cât de cât apropiate de realitate. De aceea se utilizează consumuri specifice medii obţinute în urma experienţei practice. Astfel, pentru un grad de mărunţire i = 4 şi pentru un randament al lanţului cinematic de transmitere a mişcării de la motorul electric de acţionare la concasor η tr = 0,8, s-au stabilit următoarele valori ale consumurilor specifice de energie: - pentru roci moi (calcar poros, ghips, cretă etc.): N sp = 0,46 … 0,55 kWh / t;
- pentru roci de duritate medie (calcar dens, gresie etc.): N sp = 0,75 … 0,92 kWh / t;
- pentru roci dure (bazalt, granit):
N sp = 0,92 … 1,10 kWh /t.
Valorile inferioare se adoptă pentru concasoarele mari iar cele superioare pentru concasoarele mici. Pentru valori ale gradului de mărunţire i ≠ 4 , valorile N sp prezentate se vor multiplica cu i/4. Puterea motorului de acţionare va fi: (25) kW N mot = Qm ⋅ N sp unde debitul masic Q m se exprimă în t / h. Prescripţii privind exploatarea şi întreţinerea concasoarelor cu fălci
O influenţă deosebită asupra debitului o are alimentarea continuă şi uniformă a concasorului cu materialul supus sfărmării. Alimentarea incorectă cu bucăţi de material prea mari sau cu debit prea mare conduce la suprasolicitări ale maşinii şi la înfundarea spaţiului de lucru. 12
Funcţionarea eficientă a instalaţiei de concasare se poate realiza prin automatizarea acesteia care constă, de regulă, în controlarea gradului de umplere al spaţiului de lucru (nivelul materialului) şi reglarea, în mod corespunzător a debitului de material alimentat în concasor. La proiectarea schemei de automatizare a instalaţiei de concasare este necesar să se ţină seama că maşina trebuie să pornească cu spaţiul de lucru gol şi trebuie să se oprească abia după ce acesta s-a golit. O problemă importantă o reprezintă durata de viaţă a elementelor de uzură (blindajelor). Durata de viaţă a blindajelor este de 800…1000 ore, în funcţie de duritatea materialului supus concasării. Pentru comparaţie, cu un blindaj cu care se concasează 100.000…250.000 t de calcar, se vor concasa numai 5000 t de cuarţ. Consumul de metal prin uzarea blindajelor reprezintă, după diferite surse, (0,05…0,030) … (0,020…0,045) kg/t de produs. Uzarea blindajelor este raportată, de regulă, la consumul de energie al concasorului. Consumul de metal de blindaj este 0,010 kg/kWh, pentru concasarea grosolană şi 0,015 kg/kWh, pentru concasarea mijlocie şi măruntă. Cheltuielile datorită uzării plăcilor de blindaj din oţel manganos reprezintă 13…30% din cheltuielile de exploatare ale maşinii. De aceea devine necesară atât creşterea duratei de viaţă a blindajelor cât şi recondiţionarea lor după uzare. Este ştiut că oţelul manganos are duritate indusă adică se durifică superficial datorită solicitărilor de compresiune şi de şoc la care sunt supuse în exploatare blindajele. În faza iniţială, până a se durifica, striaţiile blindajelor se deteriorează repede. Pentru a evita acest lucru striaţiile se acoperă, încă de la început, prin sudare, cu depuneri de aliaje dure (stellit, de exemplu). Grosimea stratului depus se stabileşte astfel încât, după înlăturarea lui prin uzare în timpul funcţionării concasorului, materialul blindajului să capete duritatea necesară. Blindajele se uzează neuniform, în funcţie de poziţia lor pe fălcile concasorului. Uzura este mai pronunţată în zona de evacuare a spaţiului de lucru. Pentru a prelungi durata de viaţă a blindajelor, cele din partea superioară a fălcilor, mai puţin uzate, le vor înlocui pe cele din partea inferioară, mai uzate. Deoarece masa materialului striaţiilor blindajelor reprezintă 18…20% din masa totală a acestora, apare ca necesară recondiţionarea blindajelor pentru a nu se pierde restul de 75…82% (care reprezintă oţel manganos, material costisitor). Recondiţionarea se realizează prin refacerea striaţiilor prin sudare electrică utilizând electrozi din aliaje dure (stellit, sormait). În cazul în care blindajele nu vor mai fi recondiţionate după expirarea duratei lor de viaţă, pentru a reduce pierderile de oţel manganos, ele vor fi proiectate astfel încât masa materialului striaţiilor să reprezinte 50% din masa totală a blindajelor.
13
