ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ

Машиностроение и машиноведение
УДК 664.651.2; 66-965.81
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ
ТИКСОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.И. Золотухин, Г.М. Варьяш, Е.И. Гордеев,
Н.А. Гордеева, Р.Б. Медведев, К. Звягин
Рассмотрены параметры процесса смешивания, факторы, от которых зависит его качество. Показаны конструкция и характеристики смесителя интенсивного
действия.
Ключевые слова: тиксотропный материал, процесс смешивания, смесь, смеситель, оценка качества.
Процесс смешивания компонентов для получения какого-либо продукта широко применяется в различных отраслях промышленности, таких
как строительная, пищевая, химическая, металлургическая и др. При этом
получают сухие многокомпонентные смеси, жидкие (растворы) и пастообразные (коллоидные) смеси. Основная цель смешивания - получение однородной смеси из различных компонентов и равномерное их распределение
по объёму смесителя. К процессу смешивания предъявляются следующие
основные требования: равномерное распределение исходных материалов
между собой, предупреждение образования комков и пустот в смеси.
Качество процесса смешивания зависит от многих факторов. Наибольшее влияние на качество смеси оказывают три группы факторов: это
параметры компонентов смеси, параметры смесителя и параметры процесса смешивания [1, 2].
1. Параметры компонентов смеси:
1.1. Формы частиц.
1.2. Величины коэффициента трения между частицами.
1.3. Гранулометрический состав отдельных компонентов.
1.4. Физические свойства отдельных компонентов смеси.
1.5. Влажность отдельных компонентов смеси.
1.6. Влажность готовой смеси.
1.7. Насыпного и удельного весов компонентов.
1.8. Соотношения удельных и насыпных весов компонентов.
1.9. Количественное соотношение компонентов.
1.10. Степень тиксотропности компонентов смеси.
2. Параметры смесителя:
2.1. Конструкция смесителя.
2.2. Конструкция рабочего органа (мешалки) смесителя.
2.3. Скорости перемещения рабочих органов смесителя.
2.4. Направления воздействия рабочих органов.
141
Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 5
2.5. Степень заполнения смесителя.
3. Параметры процессов смешивания:
3.1. Интенсивность смешивания.
3.2. Время смешивания.
3.3. Одно или многоступенчатое смешивание.
При этом подразумевается, что качество исходных компонентов соответствует Гостам или ТУ, смеситель исправный и его режимы работы
соответствует техническим характеристикам.
Влияние некоторых из перечисленных факторов является постоянным, поскольку сами они постоянны (факторы 1.1, 1.3, 1.7, 1.8, 2.1, 2.2,
2.4). Другая же часть факторов является переменной или для всего объёма
смеси, или для отдельных элементов этого объёма (факторы 1.2 1.4, 1.5,
1.6, 2.3, 2.5). Поэтому и воздействие факторов будет переменным, а сами
факторы с точки зрения теории вероятностей рассматриваются как случайные. Воздействие некоторых из них может быть незначительным, но суммарный эффект большого количества случайных независимых факторов
может быть существенным.
Результатом всех воздействий на смесь является изменение отношения между компонентами, при этом распределение концентраций в объёме (однородность смеси) является для отдельных моментов процесса варьируемой величиной, принимающей то или иное значение с определенной степенью вероятности; при чем процесс идет от первоначального беспорядочного распределения компонентов к упорядоченному.
К процессу смешивания предъявляются следующие основные требования: равномерное распределение исходных материалов между собой,
предупреждение образования комков и пустоты смеси и предупреждение
измельчения отдельных компонентов. При этом качество смешивания достигается только принудительным воздействием на компоненты. Качество
смешивания (однородности смеси) характеризуется величиной σ (среднее
квадратичное отклонение концентрации в пробах), применяемой для отображения величины рассеяния значений опытных данных. Удобнее пользоваться величиной σ в ее относительной форме, в виде коэффициента неоднородности (вариации) VC
100 ⋅ σ 100 ∑ (Ci − Co ) 2
=
,
Co
Co
n
где VC – коэффициент неоднородности (вариации), %; Co – концентрация
компонента при идеальном распределении; σ – среднее квадратичное отклонение концентраций в пробах; Ci – отдельные значения концентрации
одного из компонентов в пробах; п – общее число взятых проб.
В результате процесса смешивания в смесителе происходит взаимное перемещение частиц разных компонентов, находящихся до смешивания отдельно или в неоднородно внедренном состоянии. В идеализированVc =
142
Машиностроение и машиноведение
ном процессе необходимо получить такую смесь, когда в любой её точке к
каждой частичке одного из компонентов примыкают частицы других компонентов в количествах, определяемых заданным соотношением компонентов.
Наибольшее распространение в качестве критерия оценки качества
смешивания получил коэффициент неоднородности (вариации) Vc по одному ключевому компоненту. Ключевым принимается компонент, равномерное распределение которого имеет наибольшее значение, или компонент с наименьшей концентрацией. Например, при производстве огнеупорных изделий, получаемых литьем огнеупорной смеси в формы с последующим виброупрочнением, к данной смеси предъявляются повышенные требования по однородности. В подобных водных смесях представляют интерес коэффициенты неоднородности: а) влажность смеси; б) наиболее крупная по размерам частиц фракция; в) фракция с наименьшей концентрацией.
При использовании в качестве сырья низкоцементных композитных
корундовых сухих смесей, обладающих при замесе на сверхинтенсивном
смесителе высокими тиксотропными свойствами, наибольшее значение
имеет коэффициент неоднородности наиболее крупной по размерам частиц
фракции, так как коэффициенты неоднородности влажности смеси и фракции с наименьшей концентрацией (мелкодисперсные добавки) по своим
физическим свойствам стремятся к нулю.
Таким образом, качество смеси может быть оценено следующим
показателем
QСМ = min(VС ),
(1)
где QCM – качественный показатель смеси; VС – коэффициент неоднородности наиболее крупной по размерам частиц фракции.
Основными недостатками подобной оценки являются направленность на распределения ключевого компонента; при этом опыт показывает,
что при минимальном коэффициенте неоднородности по наиболее крупной по размерам частиц фракции коэффициенты неоднородности других
фракций, с более мелкими частицами, тоже минимальны.
В качестве оценки качества тиксотропной смеси можно использовать дисперсию концентраций компонентов. Смесь характеризуется различными значениями концентраций входящих в неё компонентов, которые
определяются рецептурными соотношениями. Предлагается использование
приведённой к единице концентрации дисперсии. Приведённые дисперсии
концентраций для компонентов определяются по формуле
Da =
1
2
k
∑ (Cia − C a ) 2 ,
(2)
C ида i =1
где Da – приведённая дисперсия для компонента имеющего наибольший
143
Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 5
размер частиц; Cид а – идеальная концентрация компонента, определяющаяся рецептурными соотношениями; Cia – текущая концентрация компонента в точке отбора проб; Ca – средние концентрация по k точкам отбора.
Функциональное выражение (1) с учетом (2) можно преобразовать к
виду
QСМ = min( Da ).
Показатели качества на основе суммарной приведённой дисперсии
концентрации смешиваемых компонентов более полно отражают качественные показатели смеси.
Время достижения минимальных коэффициентов неоднородности,
а, следовательно, и приведённых дисперсий концентраций, играет важную
роль для процесса смешивания. Достижение минимальных Vc и Dа характеризуется значительной продолжительностью процесса смешивания, что
приводит к необоснованным энергетическим и временным затратам. Поэтому минимальные уровни Vс и Dа необходимо ограничивать приемлемыми для потребителя значениями. Тем не менее, всегда необходимо
стремиться к достижению минимальных коэффициентов неоднородности
за минимальное время.
Одним из специфических свойств смеси является проявление тиксотропии. В процессе смешивания в смеси происходит повышение степени
подвижности, её текучесть увеличивается из-за уменьшения вязкости. При
этом, как указывалось ранее, степень подвижности определяется интенсивностью и временем воздействия. Предлагается для оценки степени подвижности использовать метод определения растекаемости.
Таким образом, полное качество тиксотропной смеси может быть
оценено следующим показателем:
QСМ = f [min( Da ), min(t ), max(T )],
(3)
где t – время достижения минимума суммарной приведённой дисперсии
концентраций, с; T – растекаемость смеси, мм.
Функциональное выражение (3) является интегральным показателем качества тиксотропных смесей. Интегральный показатель качества на
основе суммарной приведённой дисперсии концентрации смешиваемых
компонентов, минимального времени достижения суммарной приведённой
дисперсии и растекаемости наиболее полно отражает качество тиксотропной смеси.
Качественный показатель готовой смеси во многом зависит от процесса смешивания компонентов. При этом большинство смесителей, применяемых в настоящее время, не гарантируют высокое качество смеси,
особенно при смешивании разноразмерных фракций.
В настоящее время все большее распространение получает процесс
интенсификации процесса смешивания. Было выявлено, что интенсивное и
144
Машиностроение и машиноведение
сверхинтенсивное механическое смешивание приводит к более равномерному распределению разноразмерных фракций при сухом смешивании, ускоряет протекание коллоидных и биохимических процессов при смешивании жидких и пастообразных компонентов, что улучшает качество смеси.
Под интенсивным замесом обычно понимают различные способы замеса с
повышенным удельным расходом энергии. Интенсивность замеса зависит
от длительности замеса, от частоты вращения месильного органа и его
конструкции, от механизма его воздействия на смесь, т. е. конструкции месильной машины. Увеличение интенсивности замеса путём увеличения
числа оборотов месильных органов тестомесильной машины приводит к
сокращению длительности замеса в 3…5 раз.
Таким образом, при оптимизации процесса замеса теста существенная роль принадлежит как определению оптимальной продолжительности
замеса, так и выбору оптимальной частоты вращения месильных органов.
Анализируя характер изменения удельной интенсивности замеса можно
заметить, что явно выраженное экстремальное максимальное значение
данного параметра наступает при определенной частоте вращения месильных органов.
Научно – производственное предприятие «Вулкан-ТМ» совместно с
ТулГУ разработало конструкцию смесителя сверхинтенсивного действия
для получения водного раствора низкоцементной корундовой огнеупорной
смеси для производства огнеупорных изделий сложной конструкции, применяемых в системах бесстопорной разливки стали [3].
Общий вид смесителя изображен на рисунке.
Особенностью данного смесителя является наличие стационарной
вращающейся емкости 11, расположенной под углом к горизонтали. Емкость выполнена наклонной с целью улучшения качества смеси, так как в
процессе смешивания участвует гравитационная составляющая, способствующая лучшему перемешиванию, и для облегчения разгрузки смесителя,
так как при относительно небольшой его высоте появляется возможность
разгружать его в емкость, подкатываемую под смеситель.
Работает смеситель следующим образом.
Смешиваемые компоненты загружают в емкость 11 смесителя с помощью дозаторов через технологические отверстия 23 в крышке 10 или
любым способом при поднятой крышке. В случае загрузки емкости компонентами при поднятой крышке, после их загрузки крышку 10 опускают.
Время смешения устанавливают с помощью таймера.С пульта управления
(на чертежах не показан) включают привод вращения смесительного инструмента 16 и привод вращения емкости. Привод вращения смесительного
инструмента включает в себя электродвигатель 5 и клиноременную передачу 6, а привод вращения емкости включает электродвигатель 3, клиноременную передачу 21 и фрикционный узел вращения 1.
По окончании процесса смешения автоматически прекращается
145
Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 5
вращение емкости и смесительного инструмента.
Смеситель «Вулкан –ТМ C50»:
1 – узел вращения емкости; 2, 14 – ролики; 3, 5 – электродвигатели;
4 – ось; 6, 21 – система клиноременных передач; 7 – траверса;
8 - подшипниковый узел; 9 – технологический узел; 10 – крышка;
11 – емкость; 12 - инструмент для очистки стен и дна;
13, 15 – кольцо; 16 – смесительный инструмент;
17 – отверстие для выгрузки емкости; 18 – шибер; 19 – направляющие;
20 – узел крепления емкости; 22 – основание;
23 –отверстие для загрузки емкости
146
Машиностроение и машиноведение
С помощью автономного рычага (на чертежах не показан) шибер 18
поворачивают, открывая отверстие 17 в дне емкости, и рычаг убирают.
Включают привод вращения смесительного инструмента 16, с небольшой
частотой вращения, и привод вращения емкости. Наличие инструмента 12
для очистки стен и дна емкости обеспечивает полную и качественную выгрузку полученной смеси. Выгрузку смеси можно производить или в емкость, которую устанавливают или подкатывают под емкость, или на
транспортер, проходящий под данной емкостью. Наклон емкости в сторону привода (назад) обеспечивает свободный доступ устройств, в которые
производится выгрузка смеси.
Технические характеристики смесителя приведены в таблице.
Технические характеристики смесителя «Вулкан - ТМ C50»
Цикл работы, мин
Объем емкости, л
Масса замеса, кг
Время замеса, мин
Частота вращения месильного органа, об./мин
Частота вращения чаши, об./мин
Мощность привода чаши, кВт
Высота загрузки чаши, мм
Масса смесителя, кг
Габариты, мм
3…10
100
20…30
3…6
40…900
15…30
1,5
1100
600
1700×700×1400
Испытания смесителя на производственном участке изготовления
огнеупорных изделий фирмы ООО «НПП «Вулкан-ТМ» показали высокое
качество получаемой смеси (коэффициент вариации смеси не превышает
10,8 %), хорошую работоспособность смесителя, его надежность, удобство
обслуживания и эксплуатации. Было выявлено, что особенно хорошо данный смеситель может зарекомендовать себя при многономенклатурном
производстве, где требуется производить различные смеси в относительно
небольшом объеме.
Список литературы
1. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.:
Машиностроение, 1973. 215 с.
2. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической
технологии. М.: Химия, 1975. 576 с.
3. Патент РФ. 123686 на полезную модель. МПК8 B01F9/08. Смеситель./ В.И. Золотухин, Г.М. Варьяш, Е.И. Гордеев и д.р. Опубл. 10.01.13.
147
Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вып. 5
Бюл. № 1.
Золотухин Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., info@vulkantm.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет, научно-производственное предприятие «Вулкан-ТМ»,
Варьяш Георгий Михайлович, канд. техн. наук, доц., info@vulkantm.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет, научно-производственное предприятие «Вулкан-ТМ»,
Гордеев Евгений Иванович, канд. техн. наук, зам. генерального директора,
gordeev@vulkantm.com, Россия, Тула, научно-производственное предприятие «ВулканТМ»,
Гордеева Наталья Александровна, канд. техн. наук, ведущий специалист,
gordeeva@vulkantm.com, Россия, Тула, научно-производственное предприятие «ВулканТМ»,
Медведев Роман Борисович, инж., medvedev@vulkantm.com, Россия, Тула, научно-производственное предприятие «Вулкан-ТМ»,
Звягин Кирилл Викторович, аспирант, info@vulkantm.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет, научно-производственное предприятие «ВулканТМ»
INTENSIFICAYION OF THE MIXING PROCESS THIXOTROPIC MATERIALS
V.I. Zolotuhin, G.M. Vayash, E.I. Gordeev,
N.A. Gordeeva, M.B. Medvedev, K.V. Zvyagin
The parameters of the mixing process, the factors on which depends the quality.
Showing the design and characteristics of intensive mixers.
Key words: thixotropic material, the process of mixing, mix, mixing the carriers,
quality assessment
Zolotuhin Vladimir Ivanovich, doctor of technical science, professor, info@vulkantm.com, Russia, Tula, Tula State University, science-manufacturing enterprise
«Vulkan-TM»,
Varyash Georgiy Mihalovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula,
Tula State University, science-manufacturing enterprise «Vulkan-TM»,
Gordeev Evgenij Ivanovich , candidate of technical science, deputy general director,
gordeev@vulkantm.com, Russia, Tula, science-manufacturing enterprise «Vulkan-TM»,
Gordeeva Natalya Aleksandrovna, candidate of technical science, leading expert,
gordeeva@vulkantm.com, Russia, Tula, science-manufacturing enterprise «Vulkan-TM»,
Medvedev Roman Borisovich, engineer, medvedev@vulkantm.com, Russia, Tula, science-manufacturing enterprise «Vulkan-TM»,
148
Машиностроение и машиноведение
Zvyagin Kirill Viktorovich, graduate, info@vulkantm.com, Russia, Tula, Tula State
University, science-manufacturing enterprise «Vulkan-TM»
УДК 658.562.3
ВЫБОР МЕТОДА МОНИТОРИНГА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
В.И. Нечаев, Ю.В. Нечаев
Рассмотрен пример выбора метода мониторинга для нестационарного автокоррелированного процесса. Показано применение контрольных карт различных типов: групповых средних и групповых размахов, индивидуальных значений и скользящих
размахов, экспоненциально взвешенного скользящего среднего, кумулятивных сумм.
Проведён сравнительный анализ результатов пробного мониторинга. Сформулированы рекомендации по выбору метода мониторинга для конкретного процесса.
Ключевые слова: нестационарный процесс, автокоррелированный процесс, мониторинг процесса, статистическая управляемость процесса, контрольные карты.
Реальные технологические процессы в различных отраслях промышленности являются нестационарными и автокоррелированными по
самой своей сути, т.е. даже когда они находятся в состоянии статистической управляемости [1]. В существующих методах мониторинга процессов
явно или неявно принимается, что значения контрольного показателя статистически управляемого процесса представляют собой стационарный
временной ряд без автокорреляции. Однако методы мониторинга обладают
некоторой устойчивостью к отклонению свойств исследуемого процесса от
тех допущений, на которых базируется тот или иной метод.
Внедрение мониторинга технологических процессов в производственную деятельность требует решения как минимум двух проблем:
- выбор метода мониторинга;
- выбор объёма (числа наблюдений) фазы 1.
Эти проблемы не имеют формального решения. Их можно и нужно
решать путём соединения понимания характера конкретного технологического процесса с пониманием статистических свойств конкретного метода
мониторинга [2]. Целесообразно осуществить пробный мониторинг процесса с применением различных методов, используя для этого предварительно собранные или взятые из архива данные (временной ряд значений
контрольного показателя).
149